TY - JOUR A1 - Du, Shitong A1 - Lauterbach, Helge A. A1 - Li, Xuyou A1 - Demisse, Girum G. A1 - Borrmann, Dorit A1 - Nüchter, Andreas T1 - Curvefusion — A Method for Combining Estimated Trajectories with Applications to SLAM and Time-Calibration JF - Sensors N2 - Mapping and localization of mobile robots in an unknown environment are essential for most high-level operations like autonomous navigation or exploration. This paper presents a novel approach for combining estimated trajectories, namely curvefusion. The robot used in the experiments is equipped with a horizontally mounted 2D profiler, a constantly spinning 3D laser scanner and a GPS module. The proposed algorithm first combines trajectories from different sensors to optimize poses of the planar three degrees of freedom (DoF) trajectory, which is then fed into continuous-time simultaneous localization and mapping (SLAM) to further improve the trajectory. While state-of-the-art multi-sensor fusion methods mainly focus on probabilistic methods, our approach instead adopts a deformation-based method to optimize poses. To this end, a similarity metric for curved shapes is introduced into the robotics community to fuse the estimated trajectories. Additionally, a shape-based point correspondence estimation method is applied to the multi-sensor time calibration. Experiments show that the proposed fusion method can achieve relatively better accuracy, even if the error of the trajectory before fusion is large, which demonstrates that our method can still maintain a certain degree of accuracy in an environment where typical pose estimation methods have poor performance. In addition, the proposed time-calibration method also achieves high accuracy in estimating point correspondences. KW - mapping KW - continuous-time SLAM KW - deformation-based method KW - time calibration Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219988 SN - 1424-8220 VL - 20 IS - 23 ER - TY - JOUR A1 - Schlör, Daniel A1 - Ring, Markus A1 - Hotho, Andreas T1 - iNALU: Improved Neural Arithmetic Logic Unit JF - Frontiers in Artificial Intelligence N2 - Neural networks have to capture mathematical relationships in order to learn various tasks. They approximate these relations implicitly and therefore often do not generalize well. The recently proposed Neural Arithmetic Logic Unit (NALU) is a novel neural architecture which is able to explicitly represent the mathematical relationships by the units of the network to learn operations such as summation, subtraction or multiplication. Although NALUs have been shown to perform well on various downstream tasks, an in-depth analysis reveals practical shortcomings by design, such as the inability to multiply or divide negative input values or training stability issues for deeper networks. We address these issues and propose an improved model architecture. We evaluate our model empirically in various settings from learning basic arithmetic operations to more complex functions. Our experiments indicate that our model solves stability issues and outperforms the original NALU model in means of arithmetic precision and convergence. KW - neural networks KW - machine learning KW - arithmetic calculations KW - neural architecture KW - experimental evaluation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-212301 SN - 2624-8212 VL - 3 ER - TY - JOUR A1 - Davidson, Padraig A1 - Düking, Peter A1 - Zinner, Christoph A1 - Sperlich, Billy A1 - Hotho, Andreas T1 - Smartwatch-Derived Data and Machine Learning Algorithms Estimate Classes of Ratings of Perceived Exertion in Runners: A Pilot Study JF - Sensors N2 - The rating of perceived exertion (RPE) is a subjective load marker and may assist in individualizing training prescription, particularly by adjusting running intensity. Unfortunately, RPE has shortcomings (e.g., underreporting) and cannot be monitored continuously and automatically throughout a training sessions. In this pilot study, we aimed to predict two classes of RPE (≤15 “Somewhat hard to hard” on Borg’s 6–20 scale vs. RPE >15 in runners by analyzing data recorded by a commercially-available smartwatch with machine learning algorithms. Twelve trained and untrained runners performed long-continuous runs at a constant self-selected pace to volitional exhaustion. Untrained runners reported their RPE each kilometer, whereas trained runners reported every five kilometers. The kinetics of heart rate, step cadence, and running velocity were recorded continuously ( 1 Hz ) with a commercially-available smartwatch (Polar V800). We trained different machine learning algorithms to estimate the two classes of RPE based on the time series sensor data derived from the smartwatch. Predictions were analyzed in different settings: accuracy overall and per runner type; i.e., accuracy for trained and untrained runners independently. We achieved top accuracies of 84.8 % for the whole dataset, 81.8 % for the trained runners, and 86.1 % for the untrained runners. We predict two classes of RPE with high accuracy using machine learning and smartwatch data. This approach might aid in individualizing training prescriptions. KW - artificial intelligence KW - endurance KW - exercise intensity KW - precision training KW - prediction KW - wearable Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-205686 SN - 1424-8220 VL - 20 IS - 9 ER - TY - THES A1 - Schauer Marin Rodrigues, Johannes T1 - Detecting Changes and Finding Collisions in 3D Point Clouds : Data Structures and Algorithms for Post-Processing Large Datasets T1 - Erkennen von Änderungen und Finden von Kollisionen in 3D Punktwolken N2 - Affordable prices for 3D laser range finders and mature software solutions for registering multiple point clouds in a common coordinate system paved the way for new areas of application for 3D point clouds. Nowadays we see 3D laser scanners being used not only by digital surveying experts but also by law enforcement officials, construction workers or archaeologists. Whether the purpose is digitizing factory production lines, preserving historic sites as digital heritage or recording environments for gaming or virtual reality applications -- it is hard to imagine a scenario in which the final point cloud must also contain the points of "moving" objects like factory workers, pedestrians, cars or flocks of birds. For most post-processing tasks, moving objects are undesirable not least because moving objects will appear in scans multiple times or are distorted due to their motion relative to the scanner rotation. The main contributions of this work are two postprocessing steps for already registered 3D point clouds. The first method is a new change detection approach based on a voxel grid which allows partitioning the input points into static and dynamic points using explicit change detection and subsequently remove the latter for a "cleaned" point cloud. The second method uses this cleaned point cloud as input for detecting collisions between points of the environment point cloud and a point cloud of a model that is moved through the scene. Our approach on explicit change detection is compared to the state of the art using multiple datasets including the popular KITTI dataset. We show how our solution achieves similar or better F1-scores than an existing solution while at the same time being faster. To detect collisions we do not produce a mesh but approximate the raw point cloud data by spheres or cylindrical volumes. We show how our data structures allow efficient nearest neighbor queries that make our CPU-only approach comparable to a massively-parallel algorithm running on a GPU. The utilized algorithms and data structures are discussed in detail. All our software is freely available for download under the terms of the GNU General Public license. Most of the datasets used in this thesis are freely available as well. We provide shell scripts that allow one to directly reproduce the quantitative results shown in this thesis for easy verification of our findings. N2 - Kostengünstige Laserscanner und ausgereifte Softwarelösungen um mehrere Punktwolken in einem gemeinsamen Koordinatensystem zu registrieren, ermöglichen neue Einsatzzwecke für 3D Punktwolken. Heutzutage werden 3D Laserscanner nicht nur von Expert*innen auf dem Gebiet der Vermessung genutzt sondern auch von Polizist*innen, Bauarbeiter*innen oder Archäolog*innen. Unabhängig davon ob der Einsatzzweck die Digitalisierung von Fabrikanlagen, der Erhalt von historischen Stätten als digitaler Nachlass oder die Erfassung einer Umgebung für Virtual Reality Anwendungen ist - es ist schwer ein Szenario zu finden in welchem die finale Punktwolke auch Punkte von sich bewegenden Objekten enthalten soll, wie zum Beispiel Fabrikarbeiter*innen, Passant*innen, Autos oder einen Schwarm Vögel. In den meisten Bearbeitungsschritten sind bewegte Objekte unerwünscht und das nicht nur weil sie in mehrmals im gleichen Scan vorkommen oder auf Grund ihrer Bewegung relativ zur Scanner Rotation verzerrt gemessen werden. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit sind zwei Nachverarbeitungsschritte für registrierte 3D Punktwolken. Die erste Methode ist ein neuer Ansatz zur Änderungserkennung basierend auf einem Voxelgitter, welche es erlaubt die Eingabepunktwolke in statische und dynamische Punkte zu segmentieren. Die zweite Methode nutzt die gesäuberte Punktwolke als Eingabe um Kollisionen zwischen Punkten der Umgebung mit der Punktwolke eines Modells welches durch die Szene bewegt wird zu erkennen. Unser Vorgehen für explizite Änderungserkennung wird mit dem aktuellen Stand der Technik unter Verwendung verschiedener Datensätze verglichen, inklusive dem populären KITTI Datensatz. Wir zeigen, dass unsere Lösung ähnliche oder bessere F1-Werte als existierende Lösungen erreicht und gleichzeitig schneller ist. Um Kollisionen zu finden erstellen wir kein Polygonnetz sondern approximieren die Punkte mit Kugeln oder zylindrischen Volumen. Wir zeigen wie unsere Datenstrukturen effiziente Nächste-Nachbarn-Suche erlaubt, die unsere CPU Lösung mit einer massiv-parallelen Lösung für die GPU vergleichbar macht. Die benutzten Algorithmen und Datenstrukturen werden im Detail diskutiert. Die komplette Software ist frei verfügbar unter den Bedingungen der GNU General Public license. Die meisten unserer Datensätze die in dieser Arbeit verwendet wurden stehen ebenfalls zum freien Download zur Verfügung. Wir publizieren ebenfalls all unsere Shell-Skripte mit denen die quantitativen Ergebnisse die in dieser Arbeit gezeigt werden reproduziert und verifiziert werden können. T3 - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 20 KW - Punktwolke KW - Änderungserkennung KW - 3d point clouds KW - collision detection KW - change detection KW - k-d tree KW - Dreidimensionale Bildverarbeitung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-214285 SN - 978-3-945459-32-4 ER - TY - THES A1 - Borchert, Kathrin Johanna T1 - Estimating Quality of Experience of Enterprise Applications - A Crowdsourcing-based Approach T1 - Abschätzung der Quality of Experience von Geschäftsanwendungen - Ein crowdsourcing-basierter Ansatz N2 - Nowadays, employees have to work with applications, technical services, and systems every day for hours. Hence, performance degradation of such systems might be perceived negatively by the employees, increase frustration, and might also have a negative effect on their productivity. The assessment of the application's performance in order to provide a smooth operation of the application is part of the application management. Within this process it is not sufficient to assess the system performance solely on technical performance parameters, e.g., response or loading times. These values have to be set into relation to the perceived performance quality on the user's side - the quality of experience (QoE). This dissertation focuses on the monitoring and estimation of the QoE of enterprise applications. As building models to estimate the QoE requires quality ratings from the users as ground truth, one part of this work addresses methods to collect such ratings. Besides the evaluation of approaches to improve the quality of results of tasks and studies completed on crowdsourcing platforms, a general concept for monitoring and estimating QoE in enterprise environments is presented. Here, relevant design dimension of subjective studies are identified and their impact of the QoE is evaluated and discussed. By considering the findings, a methodology for collecting quality ratings from employees during their regular work is developed. The method is realized by implementing a tool to conduct short surveys and deployed in a cooperating company. As a foundation for learning QoE estimation models, this work investigates the relationship between user-provided ratings and technical performance parameters. This analysis is based on a data set collected in a user study in a cooperating company during a time span of 1.5 years. Finally, two QoE estimation models are introduced and their performance is evaluated. N2 - Heutzutage sind Geschäftsanwendungen und technische Systeme aus dem Arbeitsalltag vieler Menschen nicht mehr wegzudenken. Kommt es bei diesen zu Performanzproblemen, wie etwa Verzögerungen im Netzwerk oder Überlast im Datenzentrum, kann sich dies negativ auf die Effizienz und Produktivität der Mitarbeiter auswirken. Daher ist es wichtig aus Sicht der Betreiber die Performanz der Anwendungen und Systeme zu überwachen. Hierbei ist es allerdings nicht ausreichend die Qualität lediglich anhand von technischen Performanzparametern wie Antwortzeiten zu beurteilen. Stattdessen sollten diese Werte in Relation zu der von den Mitarbeitern wahrgenommenen Performanz oder Quality of Experience (QoE) gesetzt werden. Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Monitoring und der Abschätzung der QoE von Geschäftsanwendungen. Neben der Präsentation eines generellen Konzepts zum Monitoring und der Abschätzung der QoE im Geschäftsumfeld, befasst sich die Arbeit mit Aspekten der Erfassung von Qualitätsbewertungen durch die Nutzer. Dies umfasst einerseits die Evaluation von Ansätzen zur Verbesserung der Qualität von Aufgaben- und Studienergebnissen auf Crowdsourcing-Plattformen. Andererseits werden relevante Dimensionen des Designs von Studien zur Untersuchung der QoE von Geschäftsanwendungen aufgezeigt und deren Einfluss auf die QoE diskutiert und evaluiert. Letztendlich wird eine Methodik zur Erfassung von Qualitätsbewertungen durch Mitarbeiter während ihrer regulären Arbeit vorgestellt, welche implementiert und in einem kooperierenden Unternehmen ausgerollt wurde. Als Grundlage der Entwicklung eines QoE Abschätzungsmodells, untersucht diese Arbeit den Zusammenhang zwischen Bewertungen durch die Nutzer und technischen Performanzparametern. Die Untersuchungen erfolgen auf einem Datensatz, welcher in einer Studie über 1.5 Jahre in einem kooperierenden Unternehmen gesammelt wurde. Des Weiteren werden zwei Methoden zur Abschätzung der QoE präsentiert und deren Performanz evaluiert. T3 - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 02/20 KW - Quality of Experience KW - Crowdsourcing KW - Monitoring KW - Enterprise-Resource-Planning KW - Quality of Experience KW - Crowdsourcing KW - User studies KW - Enterprise application KW - QoE estimation KW - Quality of Experience KW - Crowdsourcing KW - Nutzerstudien KW - Geschäftsanwendung KW - QoE-Abschätzung KW - Monitoring Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-216978 SN - 1432-8801 ER - TY - THES A1 - Borchers, Kai T1 - Decentralized and Pulse-based Clock Synchronization in SpaceWire Networks for Time-triggered Data Transfers T1 - Dezentralisierte und Puls-basierte Uhrensynchronisation in SpaceWire Netzwerken für zeitgesteuerten Datentransfer N2 - Time-triggered communication is widely used throughout several industry do- mains, primarily for reliable and real-time capable data transfers. However, existing time-triggered technologies are designed for terrestrial usage and not directly applicable to space applications due to the harsh environment. In- stead, specific hardware must be developed to deal with thermal, mechanical, and especially radiation effects. SpaceWire, as an event-triggered communication technology, has been used for years in a large number of space missions. Its moderate complexity, her- itage, and transmission rates up to 400 MBits/s are one of the main ad- vantages and often without alternatives for on-board computing systems of spacecraft. At present, real-time data transfers are either achieved by prior- itization inside SpaceWire routers or by applying a simplified time-triggered approach. These solutions either imply problems if they are used inside dis- tributed on-board computing systems or in case of networks with more than a single router are required. This work provides a solution for the real-time problem by developing a novel clock synchronization approach. This approach is focused on being compatible with distributed system structures and allows time-triggered data transfers. A significant difference to existing technologies is the remote clock estimation by the use of pulses. They are transferred over the network and remove the need for latency accumulation, which allows the incorporation of standardized SpaceWire equipment. Additionally, local clocks are controlled decentralized and provide different correction capabilities in order to handle oscillator induced uncertainties. All these functionalities are provided by a developed Network Controller (NC), able to isolate the attached network and to control accesses. N2 - Zeitgesteuerte Datenübertragung ist in vielen Industriezweigen weit verbreitet, primär für zuverlässige und echtzeitfähige Kommunikation. Bestehende Technologien sind jedoch für den terrestrischen Gebrauch konzipiert und aufgrund der rauen Umgebung nicht direkt auf Weltraumanwendungen anwendbar. Stattdessen wird spezielle Hardware entwickelt, um Strahlungseffekten zu widerstehen sowie thermischen und mechanischen Belastungen standzuhalten. SpaceWire wurde als ereignisgesteuerte Kommunikationstechnologie entwickelt und wird seit Jahren in einer Vielzahl von Weltraummissionen verwendet. Dessen erfolgreiche Verwendung, überschaubare Komplexität, und Übertragungsraten bis zu 400 MBit/s sind einige seiner Hauptvorteile. Derzeit werden Datenübertragungen in Echtzeit entweder durch Priorisierung innerhalb von SpaceWire Router erreicht, oder durch Anwendung von vereinfachten zeitgesteuerten Ansätzen. Diese Lösungen implizieren entweder Probleme in verteilten Systemarchitekturen oder in SpaceWire Netzwerken mit mehreren Routern. Diese Arbeit beschreibt eine Uhrensynchronisation, die bestimmte Eigenschaften von SpaceWire ausnutzt, um das Echtzeitproblem zu lösen. Der Ansatz ist dabei kompatibel mit verteilten Systemstrukturen und ermöglicht eine zeitgesteuerte Datenübertragung. KW - Datenübertragung KW - Field programmable gate array KW - FPGA KW - Formal verification KW - SpaceWire KW - Communication KW - Raumfahrttechnik KW - Verifikation KW - Hardware Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-215606 ER - TY - THES A1 - Hofmann, Jan T1 - Deep Reinforcement Learning for Configuration of Time-Sensitive-Networking T1 - Deep Reinforcement Learning zur Konfiguration von Time-Sensitive-Networking N2 - Reliable, deterministic real-time communication is fundamental to most industrial systems today. In many other domains Ethernet has become the most common platform for communication networks, but has been unsuitable to satisfy the requirements of industrial networks for a long time. This has changed with the introduction of Time-Sensitive-Networking (TSN), a set of standards utilizing Ethernet to implement deterministic real-time networks. This makes Ethernet a viable alternative to the expensive fieldbus systems commonly used in industrial environments. However, TSN is not a silver bullet. Industrial networks are a complex and highly dynamic environment and the configuration of TSN, especially with respect to latency, is a challenging but crucial task. Various approaches have been pursued for the configuration of TSN in dynamic industrial environments. Optimization techniques like Linear Programming (LP) are able to determine an optimal configuration for a given network, but the time consumption exponentially increases with the complexity of the environment. Machine Learning (ML) has become widely popular in the last years and is able to approximate a near-optimal TSN configuration for networks of different complexity. Yet, ML models are usually trained in a supervised manner which requires large amounts of data that have to be generated for the specific environment. Therefore, supervised methods are not scalable and do not adapt to changing dynamics of the network environment. To address these issues, this work proposes a Deep Reinforcement Learning (DRL) approach to the configuration of TSN in industrial networks. DRL combines two different disciplines, Deep Learning (DL) and Reinforcement Learning (RL), and has gained considerable traction in the last years due to breakthroughs in various domains. RL is supposed to autonomously learn a challenging task like the configuration of TSN without requiring any training data. The addition of DL allows to apply well-studied RL methods to a complex environment such as dynamic industrial networks. There are two major contributions made in this work. In the first step, an interactive environment is proposed which allows for the simulation and configuration of industrial networks using basic TSN mechanisms. The environment provides an interface that allows to apply various DRL methods to the problem of TSN configuration. The second contribution of this work is an in-depth study on the application of two fundamentally different DRL methods to the proposed environment. Both methods are evaluated on networks of different complexity and the results are compared to the ground truth and to the results of two supervised ML approaches. Ultimately, this work investigates if DRL can adapt to changing dynamics of the environment in a more scalable manner than supervised methods. N2 - Zuverlässige Echtzeitnetzwerke spielen eine zentrale Rolle im heutigen industriellen Umfeld. Während sich in anderen Anwendungsbereichen Ethernet als Technik für Kommunikationsnetze durchsetzen konnte, basiert industrielle Kommunikation bis heute häufig noch auf teuren Feldbus-Systemen. Mit der Einführung von Time-Sensitive-Networking (TSN) wurde Ethernet schließlich um eine Reihe von Standards erweitert, die die hohen Anforderungen an Echtzeitkommunikation erfüllen und Ethernet damit auch im industriellen Umfeld etablieren sollen. Doch für eine zuverlässige Kommunikation, besonders im Hinblick auf die Übertragungsverzögerung von Datenpaketen (Latenz), ist die richtige Konfiguration von TSN entscheidend. Dynamische Netzwerke zu konfigurieren ist ein Optimierungsproblem, das verschiedene Herausforderungen birgt. Verfahren wie die lineare Optimierung liefern zwar optimale Ergebnisse, jedoch steigt der Zeitaufwand exponentiell mit der Größe der Netzwerke. Moderne Lösungsansätze wie Machine Learning (ML) können sich einer optimalen Lösung annähern, benötigen jedoch üblicherweise große Datenmengen, auf denen sie trainiert werden (Supervised Learning). Diese Arbeit untersucht die Anwendung von Deep Reinforcement Learning (DRL) zur Konfiguration von TSN. DRL kombiniert Reinforcement Learning (RL), also das selbstständige Lernen ausschließlich durch Interaktion, mit dem Deep Learning (DL), dem Lernen mittels tiefer neuronaler Netze. Die Arbeit beschreibt, wie sich eine Umgebung für DRL zur Simulation und Konfiguration von industriellen Netzwerken implementieren lässt, und untersucht die Anwendung zweier unterschiedlicher Ansätze von DRL auf das Problem der TSN-Konfiguration. Beide Methoden wurden anhand von zwei unterschiedlich komplexen Datensätzen ausgewertet und die Ergebnisse sowohl mit den zeitaufwändig generierten Optimallösungen als auch mit den Ergebnissen zweier Supervised Learning-Ansätze verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass DRL optimale Ergebnisse auf kleinen Netzwerken erzielen kann und insgesamt in der Lage ist, Supervised Learning bei der Konfiguration von TSN zu übertreffen. Weiterhin konnte in der Arbeit demonstriert werden, dass sich DRL schnell an fundamentale Veränderungen der Umgebung anpassen kann, was mit Supervised Learning nur durch deutlichen Mehraufwand möglich ist. KW - Reinforcement Learning KW - Time-Sensitive Networking KW - Deep Reinforcement Learning KW - Time-Sensitive-Networking KW - Real-Time-Networks KW - Bestärkendes Lernen KW - Echtzeit-Netzwerke Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-215953 ER - TY - THES A1 - Wick, Christoph T1 - Optical Medieval Music Recognition T1 - Optical Medieval Music Recognition N2 - In recent years, great progress has been made in the area of Artificial Intelligence (AI) due to the possibilities of Deep Learning which steadily yielded new state-of-the-art results especially in many image recognition tasks. Currently, in some areas, human performance is achieved or already exceeded. This great development already had an impact on the area of Optical Music Recognition (OMR) as several novel methods relying on Deep Learning succeeded in specific tasks. Musicologists are interested in large-scale musical analysis and in publishing digital transcriptions in a collection enabling to develop tools for searching and data retrieving. The application of OMR promises to simplify and thus speed-up the transcription process by either providing fully-automatic or semi-automatic approaches. This thesis focuses on the automatic transcription of Medieval music with a focus on square notation which poses a challenging task due to complex layouts, highly varying handwritten notations, and degradation. However, since handwritten music notations are quite complex to read, even for an experienced musicologist, it is to be expected that even with new techniques of OMR manual corrections are required to obtain the transcriptions. This thesis presents several new approaches and open source software solutions for layout analysis and Automatic Text Recognition (ATR) for early documents and for OMR of Medieval manuscripts providing state-of-the-art technology. Fully Convolutional Networks (FCN) are applied for the segmentation of historical manuscripts and early printed books, to detect staff lines, and to recognize neume notations. The ATR engine Calamari is presented which allows for ATR of early prints and also the recognition of lyrics. Configurable CNN/LSTM-network architectures which are trained with the segmentation-free CTC-loss are applied to the sequential recognition of text but also monophonic music. Finally, a syllable-to-neume assignment algorithm is presented which represents the final step to obtain a complete transcription of the music. The evaluations show that the performances of any algorithm is highly depending on the material at hand and the number of training instances. The presented staff line detection correctly identifies staff lines and staves with an $F_1$-score of above $99.5\%$. The symbol recognition yields a diplomatic Symbol Accuracy Rate (dSAR) of above $90\%$ by counting the number of correct predictions in the symbols sequence normalized by its length. The ATR of lyrics achieved a Character Error Rate (CAR) (equivalently the number of correct predictions normalized by the sentence length) of above $93\%$ trained on 771 lyric lines of Medieval manuscripts and of 99.89\% when training on around 3.5 million lines of contemporary printed fonts. The assignment of syllables and their corresponding neumes reached $F_1$-scores of up to $99.2\%$. A direct comparison to previously published performances is difficult due to different materials and metrics. However, estimations show that the reported values of this thesis exceed the state-of-the-art in the area of square notation. A further goal of this thesis is to enable musicologists without technical background to apply the developed algorithms in a complete workflow by providing a user-friendly and comfortable Graphical User Interface (GUI) encapsulating the technical details. For this purpose, this thesis presents the web-application OMMR4all. Its fully-functional workflow includes the proposed state-of-the-art machine-learning algorithms and optionally allows for a manual intervention at any stage to correct the output preventing error propagation. To simplify the manual (post-) correction, OMMR4all provides an overlay-editor that superimposes the annotations with a scan of the original manuscripts so that errors can easily be spotted. The workflow is designed to be iteratively improvable by training better models as soon as new Ground Truth (GT) is available. N2 - In den letzten Jahre wurden aufgrund der Möglichkeiten durch Deep Learning, was insbesondere in vielen Bildbearbeitungsaufgaben stetig neue Bestwerte erzielte, große Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) gemacht. Derzeit wird in vielen Gebieten menschliche Performanz erreicht oder mittlerweile sogar übertroffen. Diese großen Entwicklungen hatten einen Einfluss auf den Forschungsbereich der optischen Musikerkennung (OMR), da verschiedenste Methodiken, die auf Deep Learning basierten in spezifischen Aufgaben erfolgreich waren. Musikwissenschaftler sind in großangelegter Musikanalyse und in das Veröffentlichen von digitalen Transkriptionen als Sammlungen interessiert, was eine Entwicklung von Werkzeugen zur Suche und Datenakquise ermöglicht. Die Anwendung von OMR verspricht diesen Transkriptionsprozess zu vereinfachen und zu beschleunigen indem vollautomatische oder semiautomatische Ansätze bereitgestellt werden. Diese Arbeit legt den Schwerpunkt auf die automatische Transkription von mittelalterlicher Musik mit einem Fokus auf Quadratnotation, die eine komplexe Aufgabe aufgrund der komplexen Layouts, der stark variierenden Notationen und der Alterungsprozesse der Originalmanuskripte darstellt. Da jedoch die handgeschriebenen Musiknotationen selbst für erfahrene Musikwissenschaftler aufgrund der Komplexität schwer zu lesen sind, ist davon auszugehen, dass selbst mit den neuesten OMR-Techniken manuelle Korrekturen erforderlich sind, um die Transkription zu erhalten. Diese Arbeit präsentiert mehrere neue Ansätze und Open-Source-Software-Lösungen zur Layoutanalyse und zur automatischen Texterkennung (ATR) von frühen Dokumenten und für OMR von Mittelalterlichen Mauskripten, die auf dem Stand der aktuellen Technik sind. Fully Convolutional Networks (FCN) werden zur Segmentierung der historischen Manuskripte und frühen Buchdrucke, zur Detektion von Notenlinien und zur Erkennung von Neumennotationen eingesetzt. Die ATR-Engine Calamari, die eine ATR von frühen Buchdrucken und ebenso eine Erkennung von Liedtexten ermöglicht wird vorgestellt. Konfigurierbare CNN/LSTM-Netzwerkarchitekturen, die mit dem segmentierungsfreien CTC-loss trainiert werden, werden zur sequentiellen Texterkennung, aber auch einstimmiger Musik, eingesetzt. Abschließend wird ein Silben-zu-Neumen-Algorithmus vorgestellt, der dem letzten Schritt entspricht eine vollständige Transkription der Musik zu erhalten. Die Evaluationen zeigen, dass die Performanz eines jeden Algorithmus hochgradig abhängig vom vorliegenden Material und der Anzahl der Trainingsbeispiele ist. Die vorgestellte Notenliniendetektion erkennt Notenlinien und -zeilen mit einem $F_1$-Wert von über 99,5%. Die Symbolerkennung erreichte eine diplomatische Symbolerkennungsrate (dSAR), die die Anzahl der korrekten Vorhersagen in der Symbolsequenz zählt und mit der Länge normalisiert, von über 90%. Die ATR von Liedtext erzielte eine Zeichengenauigkeit (CAR) (äquivalent zur Anzahl der korrekten Vorhersagen normalisiert durch die Sequenzlänge) von über 93% bei einem Training auf 771 Liedtextzeilen von mittelalterlichen Manuskripten und von 99,89%, wenn auf 3,5 Millionen Zeilen von moderner gedruckter Schrift trainiert wird. Die Zuordnung von Silben und den zugehörigen Neumen erreicht $F_1$-werte von über 99,2%. Ein direkter Vergleich zu bereits veröffentlichten Performanzen ist hierbei jedoch schwer, da mit verschiedenen Material und Metriken evaluiert wurde. Jedoch zeigen Abschätzungen, dass die Werte dieser Arbeit den aktuellen Stand der Technik darstellen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, Musikwissenschaftlern ohne technischen Hintergrund das Anwenden der entwickelten Algorithmen in einem vollständigen Workflow zu ermöglichen, indem eine benutzerfreundliche und komfortable graphische Benutzerschnittstelle (GUI) bereitgestellt wird, die die technischen Details kapselt. Zu diesem Zweck präsentiert diese Arbeit die Web-Applikation OMMR4all. Ihr voll funktionsfähiger Workflow inkludiert die vorgestellten Algorithmen gemäß dem aktuellen Stand der Technik und erlaubt optional manuell zu jedem Schritt einzugreifen, um die Ausgabe zur Vermeidung von Folgefehlern zu korrigieren. Zur Vereinfachung der manuellen (Nach-)Korrektur stellt OMMR4all einen Overlay-Editor zur Verfügung, der die Annotationen mit dem Scan des Originalmanuskripts überlagert, wodurch Fehler leicht erkannt werden können. Das Design des Workflows erlaubt iterative Verbesserungen, indem neue performantere Modelle trainiert werden können, sobald neue Ground Truth (GT) verfügbar ist. KW - Neumenschrift KW - Optische Zeichenerkennung (OCR) KW - Deep Learning KW - Optical Music Recognition KW - Neume Notation KW - Automatic Text Reconition KW - Optical Character Recognition KW - Deep Learning KW - Optische Musikerkennung (OMR) KW - Neumennotation KW - Automatische Texterkennung (ATR) Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-214348 ER - TY - JOUR A1 - Grohmann, Johannes A1 - Herbst, Nikolas A1 - Chalbani, Avi A1 - Arian, Yair A1 - Peretz, Noam A1 - Kounev, Samuel T1 - A Taxonomy of Techniques for SLO Failure Prediction in Software Systems JF - Computers N2 - Failure prediction is an important aspect of self-aware computing systems. Therefore, a multitude of different approaches has been proposed in the literature over the past few years. In this work, we propose a taxonomy for organizing works focusing on the prediction of Service Level Objective (SLO) failures. Our taxonomy classifies related work along the dimensions of the prediction target (e.g., anomaly detection, performance prediction, or failure prediction), the time horizon (e.g., detection or prediction, online or offline application), and the applied modeling type (e.g., time series forecasting, machine learning, or queueing theory). The classification is derived based on a systematic mapping of relevant papers in the area. Additionally, we give an overview of different techniques in each sub-group and address remaining challenges in order to guide future research. KW - taxonomy KW - survey KW - failure prediction KW - anomaly prediction KW - anomaly detection KW - self-aware computing KW - self-adaptive systems KW - performance prediction Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-200594 SN - 2073-431X VL - 9 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Kaiser, Dennis A1 - Lesch, Veronika A1 - Rothe, Julian A1 - Strohmeier, Michael A1 - Spieß, Florian A1 - Krupitzer, Christian A1 - Montenegro, Sergio A1 - Kounev, Samuel T1 - Towards Self-Aware Multirotor Formations JF - Computers N2 - In the present day, unmanned aerial vehicles become seemingly more popular every year, but, without regulation of the increasing number of these vehicles, the air space could become chaotic and uncontrollable. In this work, a framework is proposed to combine self-aware computing with multirotor formations to address this problem. The self-awareness is envisioned to improve the dynamic behavior of multirotors. The formation scheme that is implemented is called platooning, which arranges vehicles in a string behind the lead vehicle and is proposed to bring order into chaotic air space. Since multirotors define a general category of unmanned aerial vehicles, the focus of this thesis are quadcopters, platforms with four rotors. A modification for the LRA-M self-awareness loop is proposed and named Platooning Awareness. The implemented framework is able to offer two flight modes that enable waypoint following and the self-awareness module to find a path through scenarios, where obstacles are present on the way, onto a goal position. The evaluation of this work shows that the proposed framework is able to use self-awareness to learn about its environment, avoid obstacles, and can successfully move a platoon of drones through multiple scenarios. KW - self-aware computing KW - unmanned aerial vehicles KW - multirotors KW - quadcopters KW - intelligent transportation systems Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-200572 SN - 2073-431X VL - 9 IS - 1 ER -