zu diesem Thema und Infos zum Lehrstuhl - Universität Passau

Rechnerstrukturen
Lehrstuhl für
Rechnerstrukturen
Pünktlichkeit unter erschwerten Bedingungen
Ein Airbag darf nach einem Unfall nicht zu spät aufgeblasen
werden, um seine Schutzfunktion zu erfüllen.
Ähnliche Zeitanforderungen gelten auch für
andere eingebettete Systeme in Autos, Flugzeugen,
medizinischen und Kommunikations-Geräten.
Pünktlichkeit erreicht man durch sorgfältige
Planung bei hinreichend genau bekannten Eigenschaften
der einzuplanenden Objekte und den zu
beachtenden Randbedingungen: Wie lange braucht
ein Rechensystem schlimmstenfalls, um einen Auftrag
zu erledigen, welche Fristen gibt es und sind
sie hart oder weich, sind Aufträge nach Rechenbeginn
unterbrechbar oder nicht, welche Menge von
konkreten Aufträgen kann ein Rechensystem bearbeiten,
ohne unpünktlich zu werden usw. Bei vielen
Aufgaben mobiler Geräte sind neben einer korrekten
und pünktlichen Auftragserledigung die verbrauchte
elektrische Leistung und die erzeugte Qualität
des Ergebnisses von großer Bedeutung.
Überschüssige Rechenzeit kann man nutzen, um
diese Größen zu optimieren. Für moderne Rechnerarchitekturen
mit ihren spekulativ arbeitenden
Komponenten sind Planungen auf der Basis der
längsten möglichen Ausführungszeit eines Auftrags
zu pessimistisch und führen in praktischen Anwendungen
mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Vergeudung
von Rechenkapazität. Flexible Planungen
Prof. Dr.-Ing. Werner Grass
Sekretariat:
Eva Kapfer
Techn. MitarbeiterIn:
Franz Rautmann
Anita Plattner
Wiss. MitarbeiterInnen:
PD Dr. Bernhard Sick
Oliver Buchtala
Johanna Bucur
Dominik Fisch
Thiemo Gruber
Alexander Hofmann
Ehem. wiss. Mitarbeiter
(nach 2002)
Dr. Christian Gruber
Timo Horeis
Dr. Walter Maydl
Dr. Markus Ramsauer
Dr. Thomas Schwarzfi scher
Dr. Franz Weitl
können dagegen auf veränderte Anforderungen
ihrer Umgebung und auf unverhofften Zeitgewinn
bei der Erledigung eines Auftrags reagieren.
Der höhere Planungsaufwand erfordert allerdings,
dass die Planungsphase vorgezogen und von der
Phase der Auftragserteilungen durch ein Betriebssystem
getrennt wird. Das Planungsergebnis lässt
dem Betriebssystem Alternativen, über die es je nach
aktuellem zeitlichen Abstand zur
Frist in der einen oder anderen
Weise entscheiden kann, ohne
dass dafür nennenswerte Rechenleistung
erbracht werden
muss. Zur Erledigung einzelner
Aufträge sehen wir alternative
Lösungsmethoden vor, die
sich hinsichtlich ihrer diskreten
Verteilung der Bearbeitungsdauern
und ihrer Ergebnisqualität
unterscheiden. Die Prozessoren
können Energie sparen, wenn sie
langsamer arbeiten. Ein Planungs-
Navigationsanwendung energiekritisch Videoanwendung qualitätskritisch
ergebnis beschreibt Methodenauswahl und erforderliche
Rechengeschwindigkeit in Abhängigkeit der
abgelaufenen Zeit und den noch zu erledigenden
Aufgaben.
Für die Lösung dieses komplexen Optimierungsproblems
schlagen wir eine neu entwickelte Variante
der anforderungsgetriebenen dynamischen
Programmierung vor, die sich dadurch auszeichnet,
dass das Optimum am Ende einer iterativen Verbesserung
einer Anfangslösung gefunden wird.
Qualität des Ergebnisses und Rechenzeit einzelner
Aufträge sind bei anderen technischen Anwendungen
(z.B. Bildverarbeitung) aufeinander abzustimmen.
Dann betrachten wir keine festen Fristen,
sondern einen mit fortschreitender Zeit sinkenden
Nutzen eines Ergebnisses, das andrerseits an Qualität
gewinnt. Oft sind dabei auch die genauen Zeiten
der Auftragserteilung unbekannt. Wir haben uns
Robocup: Qualitätsbewusste
Bildverarbeitungsaufgaben
daher die Frage gestellt, wie ein Betriebssystem online
die verfügbare und durch seine eigenen Berechnungen
geschmälerte Rechenzeit auf verschiedene
Aufgaben so verteilt, dass das Endergebnis die im
gegebenen Zeitrahmen bestmögliche Qualität besitzt.
Hierzu haben wir mehrere Algorithmen entwickelt
und untersucht und schlagen als Ergebnis einen
regelungstechnischen Ansatz (PID-Regler) vor.
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Biometrische Schreibsysteme für
Authentifizierung und Diagnosetechniken
Sind Sie ernsthaft krank, im Stress – oder gar nicht
der, für den Sie sich ausgeben? Mit einem biometrischen
Schreibsystem kann das alles überprüft
werden!
Ein Schreibstift in der Form eines Kugelschreibers,
aber mit spezieller Sensortechnik erfasst die Feinmotorik
der Hand, indem beim Schreiben die Neigung
der Mine und die Kraft auf die Mine gemessen werden.
Die gewonnenen Daten sind für die Diagnose
von Krankheiten wie beispielsweise Parkinson
ebenso nutzbar wie zur Überprüfung der Echtheit
von Unterschriften. Außerdem lässt das Verhalten
beim Schreiben mit dem „Biometric Smart Pen“
Rückschlüsse auf Nebenwirkungen von Medikamenten,
Drogen und Stress zu.
Die Entwicklung des Smart Pen begann schon Ende
der 90er Jahre in der Mikrosystemtechnik der Fachhochschule
Regensburg. Seit vier Jahren erforscht
die Arbeitsgruppe „Computationally Intelligent
Systems“ um PD Dr. Bernhard Sick nun neue
Algorithmen zur Klassifikation von Handschriften
– so wird der Smart Pen wirklich intelligent. Beispielsweise
wurden neue Techniken zur Zeitreihenverarbeitung
mit Support Vector Machines entwickelt.
Zur Authentifizierung von Personen leisten
Probanden ihre Unterschrift oder schreiben selbst
gewählte Passwörter. Bei medizinischen Fragestellungen
zeichnen Probanden in regelmäßigen längeren
Zeitabständen Linien nach, schreiben einfache
Sätze oder blind geschriebene Worte mit geöffneten
Augen nach.
Die Mühen haben sich gelohnt. Die Überprüfung der
Echtheit von Unterschriften gelingt heute mit fast
hundertprozentiger Genauigkeit, schließlich lässt
sich die Art und Weise des Unterschreibens (also die
Dynamik der Unterschrift) so gut wie nicht fälschen.
Die entwickelten Systeme können nun in der Praxis
eingesetzt werden, zum Beispiel bei der Zahlung
im Supermarkt oder am Bankschalter. Der Kunde
unterschreibt – und die Software analysiert seine
Signatur und vergleicht sie mit der vorher abgegebenen
Probe.
Hoher Besuch am BiSP-Stand
auf der CeBit:
Christian Gruber im Gespräch
mit Minister Wiesheu
Stand auf der CeBit 2005
Die Forschung für den Einsatz des Smart Pen in der
Medizin steckt noch in der Anfangsphase. Beispielsweise
wurde untersucht, wie Stress, Temperatur
oder Alkohol das Schreibverhalten beeinflussen.
Diese Einflüsse auf die Feinmotorik sollen modelliert
und von Veränderungen aufgrund anderer Einflüsse,
z.B. Medikamente, abgegrenzt werden. Dann kann
letztendlich die Handschrift das Fortschreiten einer
Krankheit wie Parkinson oder den Einfluss von
Medikamenten wie Neuroleptika (bei Schizophrenie)
aufzeigen. Schließlich soll durch eine Analyse
der Schrift mit dem Smart Pen die Dosierung von
Medikamenten angepasst werden können.
Eng verwandt mit dem Smart Pen sind Graphik-
Tabletts, die nicht nur Positionsinformation eines
Stiftes, sondern auch Information über dessen Nei-
Nachzeichnen von Mustern mit dem Smart Pen
gung und Druck beim Schreiben liefern. Mit Graphik-
Tabletts wird untersucht, inwieweit die Händigkeit
von Kindern (Links- oder Rechtshänder) bereits im
Kindergartenalter zuverlässig festgestellt werden
kann.
Wissenschaftler wie Industrie sind von der Wichtigkeit
der Forschung im Bereich Biometrischer
Schreibsysteme überzeugt. Im November 2006
erhielten die Professoren Jürgen Kempf, Christian
Hook und Georg Scharfenberg von der Fachhochschule
Regensburg sowie PD Dr. Bernhard Sick und
Dr. Christian Gruber aus Passau auf der Fachmesse
Medica in Düsseldorf den Fresenius Erfinderpreis,
der mit 5.000 Euro dotiert ist. Der Smart Pen setzte
sich gegen 39 weitere Projekte durch.
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Organic Computing – Intelligenz durch Reflexion
Menschen lernen auf unterschiedlichste Weise, ein Kind zum Beispiel durch Lob und Tadel seiner Eltern. Mit zunehmender
Reife kann ein Mensch dann sein Wissen verallgemeinern und auf ähnliche Situationen übertragen,
oder Wissen in Form von Regeln von anderen Menschen übernehmen. Weil der Wissenserwerb durch Kommunikation
– beispielsweise eines Regelwerkes – effektiv ist, sollten auch Computersysteme auf diese Art lernen.
Roboter müssen kooperieren, um gemeinsam Fußball zu spielen und Software-Agenten müssen ein Team
bilden, wenn sie einen Hacker im Internet aufspüren sollen. Derartige Systeme sind in der Lage, in ihrer Umgebung
mit Hilfe von Sensoren Beobachtungen zu machen und aus diesen auch selbstständig zu lernen. Doch
wenn solche Systeme miteinander kooperieren, tauschen sie bisher nur Informationen über Bewertungen aus,
nicht darüber, auf welche Weise sie die Beobachtung gemacht haben und welche Handlungen sie deshalb vornehmen.
In einer Umgebung, deren Wissen Veränderungen unterworfen ist, in der Regelsysteme also adaptiert
werden müssen, ist es nützlich, wenn Computer wie Menschen durch den Austausch von Regeln lernen, die auch
vages Wissen ausdrücken können.
Arbeitet ein Computersystem mit geeigneten Regelsystemen, muss es erkennen, wann existierende Regeln
angepasst werden müssen oder wann neue Regeln benötigt werden. Dieses Computersystem muss durch Bewertung
seiner eigenen Fähigkeiten bestimmte Bedürfnisse entwickeln. Aufgrund dieses reflektiven Verhaltens
könnte man das künstliche System als „intelligent“ bezeichnen. Sind sich die Systeme dann ihrer eigenen Fähigkeiten
und Bedürfnisse bewusst,
müssen sie auch die Fähigkeiten
gleichartiger Systeme bewerten,
um sie beispielsweise gezielt
nach Regeln für bestimmte Aufgaben
zu befragen. Die Systeme
lernen dann durch Austausch von
Regeln in einer selbst-organisierenden
Weise.
Techniken für einen Austausch von
Regel-basiertem Wissen entwickelt
die Arbeitsgruppe von PD
Dr. Berhard Sick in einem von
der DFG im Rahmen des Schwerpunktprogramms
„Organic Computing“
geförderten Projekts.
Die Universitäten sollen sich hochbegabten Schülern öffnen und ihnen den
Besuch von regulären Lehrveranstaltungen ermöglichen – so will es die
Politik. Was aber machen Schüler, die nicht in der Nähe einer Universitätsstadt
wohnen? Für diese haben wir eine bundesweit einmalige Möglichkeit
geschaffen: Ein Schülerfernstudium in den Grundlagen der
Technischen Informatik. Die SchülerInnen können örtlich und zeitlich ungebunden
das Studienmaterial durcharbeiten. Die Betreuung der Schüler
erfolgt in enger Zusammenarbeit mit den teilnehmenden Schulen.
Hierbei ist eine Vielzahl von organisatorischen, methodisch-didaktischen
und technischen Fragestellungen zu lösen.
Das ELTIS-Konzept stellt sich folgenden Kernherausforderungen:
• Die Entwicklung multimedialer Online-Lernangebote ist zeit- und
kosten intensiv. Wie können Lernangebote gestaltet werden, so dass
sie sich gleichermaßen zur Unterstützung der Präsenzhochschullehre
wie zur Ergänzung des Schulunterrichts im Rahmen eines
Fernstudiums eignen?
• Die anfängliche Begeisterung für ein neues Lernangebot nimmt oft
schnell ab. Wie können die für Online- und Fernstudiumsangebote
üblichen hohen Dropout-Quoten vermieden werden?
• Isoliertes Lernen am Rechner ist selten Ziel führend. Wie kann eine
Lehr-/Lerngemeinschaft etabliert und die Kommunikation zwischen
Universität, Lehrkräften und SchülerInnen effektiv und nachhaltig
gestaltet werden?
Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Mediendidaktischen
Zentrum der Universität Passau durchgeführt. Im Schuljahr 200 /2008
haben sich bundesweit 34 Gymnasien mit 95 SchülerInnen beteiligt.
Eltis-Projekt
ELTIS: Schülerstudium auch in universitätsfernen Regionen
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