TY  - THES
A1  - Peng, Dongliang
T1  - An Optimization-Based Approach for Continuous Map Generalization
T1  - Optimierung für die kontinuierliche Generalisierung von Landkarten
N2  - Maps are the main tool to represent geographical information. Geographical information is usually scale-dependent, so users need to have access to maps at different scales. In our digital age, the access is realized by zooming. As discrete changes during the zooming tend to distract users, smooth changes are preferred. This is why some digital maps are trying to make the zooming as continuous as they can. The process of producing maps at different scales with smooth changes is called continuous map generalization.
In order to produce maps of high quality, cartographers often take into account additional requirements. These requirements are transferred to models in map generalization. Optimization for map generalization is important not only because it finds optimal solutions in the sense of the models, but also because it helps us to evaluate the quality of the models. Optimization, however, becomes more delicate when we deal with continuous map generalization. In this area, there are requirements not only for a specific map but also for relations between maps at difference scales. This thesis is about continuous map generalization based on optimization.
First, we show the background of our research topics. Second, we find optimal sequences for aggregating land-cover areas. We compare the A$^{\!\star}$\xspace algorithm and integer linear programming in completing this task. Third, we continuously generalize county boundaries to provincial boundaries based on compatible triangulations. We morph between the two sets of boundaries, using dynamic programming to compute the correspondence. Fourth, we continuously generalize buildings to built-up areas by aggregating and growing. In this work, we group buildings with the help of a minimum spanning tree. Fifth, we define vertex trajectories that allow us to morph between polylines. We require that both the angles and the edge lengths change linearly over time. As it is impossible to fulfill all of these requirements simultaneously, we mediate between them using least-squares adjustment. Sixth, we discuss the performance of some commonly used data structures for a specific spatial problem. Seventh, we conclude this thesis and present open problems.
N2  - Maps are the main tool to represent geographical information. Users often zoom in and out to access maps at different scales. Continuous map generalization tries to make the changes between different scales smooth, which is essential to provide users with comfortable zooming experience.
In order to achieve continuous map generalization with high quality, we optimize some important aspects of maps. In this book, we have used optimization in the generalization of land-cover areas, administrative boundaries, buildings, and coastlines. According to our experiments, continuous map generalization indeed benefits from optimization.
N2  - Landkarten sind das wichtigste Werkzeug zur Repräsentation geografischer Information. Unter der Generalisierung von Landkarten versteht man die Aufbereitung von geografischen Informationen aus detaillierten Daten zur Generierung von kleinmaßstäbigen Karten. Nutzer von Online-Karten zoomen oft in eine Karte hinein oder aus einer Karte heraus, um mehr Details bzw. mehr Überblick zu bekommen. Die kontinuierliche Generalisierung von Landkarten versucht die Änderungen zwischen verschiedenen Maßstäben stetig zu machen. Dies ist wichtig, um Nutzern eine angenehme Zoom-Erfahrung zu bieten. 
Um eine qualitativ hochwertige kontinuierliche Generalisierung zu erreichen, kann man wichtige Aspekte bei der Generierung von Online-Karten optimieren. In diesem Buch haben wir Optimierung bei der Generalisierung von Landnutzungskarten, von administrativen Grenzen, Gebäuden und Küstenlinien eingesetzt. Unsere Experimente zeigen, dass die kontinuierliche Generalisierung von Landkarten in der Tat von Optimierung profitiert.
KW  - land-cover area
KW  - administrative boundary
KW  - building
KW  - morphing
KW  - data structure
KW  - zooming
KW  - Generalisierung <Kartografie>
KW  - Landnutzungskartierung
KW  - Optimierung
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-174427
SN  - 978-3-95826-104-4
SN  - 978-3-95826-105-1
N1  - Parallel erschienen als Druckausgabe in Würzburg University Press, 978-3-95826-104-4, 24,90 EUR.
PB  - Würzburg University Press
CY  - Würzburg
ET  - 1. Auflage
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fleszar, Krzysztof
T1  - Network-Design Problems in Graphs and on the Plane
T1  - Netzwerk-Design-Probleme in Graphen und auf der Ebene
N2  - A network design problem defines an infinite set whose elements, called instances, describe relationships and network constraints. It asks for an algorithm that, given an instance of this set, designs a network that respects the given constraints and at the same time optimizes some given criterion.

In my thesis, I develop algorithms whose solutions are optimum or close to an optimum value within some guaranteed bound. I also examine the computational complexity of these problems. Problems from two vast areas are considered: graphs and the Euclidean plane.

In the Maximum Edge Disjoint Paths problem, we are given a graph and a subset of vertex pairs that are called terminal pairs. We are asked for a set of paths where the endpoints of each path form a terminal pair. The constraint is that any two paths share at most one inner vertex. The optimization criterion is to maximize the cardinality of the set.

In the hard-capacitated k-Facility Location problem, we are given an integer k and a complete graph where the distances obey a given metric and where each node has two numerical values: a capacity and an opening cost. We are asked for a subset of k nodes, called facilities, and an assignment of all the nodes, called clients, to the facilities. The constraint is that the number of clients assigned to a facility cannot exceed the facility's capacity value. The optimization criterion is to minimize the total cost which consists of the total opening cost of the facilities and the total distance between the clients and the facilities they are assigned to.

In the Stabbing problem, we are given a set of axis-aligned rectangles in the plane.  We are asked for a set of horizontal line segments such that, for every rectangle, there is a line segment crossing its left and right edge. The optimization criterion is to minimize the total length of the line segments.

In the k-Colored Non-Crossing Euclidean Steiner Forest problem, we are given an integer k and a finite set of points in the plane where each point has one of k colors. For every color, we are asked for a drawing that connects all the points of the same color. The constraint is that drawings of different colors are not allowed to cross each other. The optimization criterion is to minimize the total length of the drawings.

In the Minimum Rectilinear Polygon for Given Angle Sequence problem, we are given an angle sequence of left (+90°) turns and right (-90°) turns. We are asked for an axis-parallel simple polygon where the angles of the vertices yield the given sequence when walking around the polygon in counter-clockwise manner. The optimization criteria considered are to minimize the perimeter, the area, and the size of the axis-parallel bounding box of the polygon.
N2  - Ein Netzwerk-Design-Problem definiert eine unendliche Menge, deren Elemente, als Instanzen bezeichnet, Beziehungen und Beschränkungen in einem Netzwerk beschreiben. Die Lösung eines solchen Problems besteht aus einem Algorithmus, der auf die Eingabe einer beliebigen Instanz dieser Menge ein Netzwerk entwirft, welches die gegebenen Beschränkungen einhält und gleichzeitig ein gegebenes Kriterium optimiert.

In meiner Dissertation habe ich Algorithmen entwickelt, deren Netzwerke stets optimal sind oder nachweisbar nahe am Optimum liegen. Zusätzlich habe ich die Berechnungskomplexität dieser Probleme untersucht. Dabei wurden Probleme aus zwei weiten Gebieten betrachtet: Graphen und der Euklidische Ebene.

Im Maximum-Edge-Disjoint-Paths-Problem besteht die Eingabe aus einem Graphen und einer Teilmenge von Knotenpaaren, die wir mit Terminalpaare bezeichnen. Gesucht ist eine Menge von Pfaden, die Terminalpaare verbinden. Die Beschränkung ist, dass keine zwei Pfade einen gleichen inneren Knoten haben dürfen. Das Optimierungskriterium ist die Maximierung der Kardinalität dieser Menge.

Im Hard-Capacitated-k-Facility-Location-Problem besteht die Eingabe aus einer Ganzzahl k und einem vollständigen Graphen, in welchem die Distanzen einer gegebenen Metrik unterliegen und in welchem jedem Knoten sowohl eine numerische Kapazität als auch ein Eröffnungskostenwert zugeschrieben ist. Gesucht ist eine Teilmenge von k Knoten, Facilities genannt, und eine Zuweisung aller Knoten, Clients genannt, zu den Facilities. Die Beschränkung ist, dass die Anzahl der Clients, die einer Facility zugewiesen sind, nicht deren Kapazität überschreiten darf. Das Optimierungskriterium ist die Minimierung der Gesamtkosten bestehend aus den Gesamteröffnungskosten der Facilities sowie der Gesamtdistanz zwischen den Clients und den ihnen zugewiesenen Facilities.

Im Stabbing-Problem besteht die Eingabe aus einer Menge von achsenparallelen Rechtecken in der Ebene. Gesucht ist eine Menge von
horizontalen Geradenstücken mit der Randbedingung, dass die linke und rechte Seite eines jeden Rechtecks von einem Geradenstück verbunden ist. Das Optimierungskriterium ist die Minimierung der Gesamtlänge aller Geradenstücke.

Im k-Colored-Non-Crossing-Euclidean-Steiner-Forest-Problem besteht die Eingabe aus einer Ganzzahl k und einer endlichen Menge von Punkten in der Ebene, wobei jeder Punkt in einer von k Farben gefärbt ist. Gesucht ist für jede Farbe eine Zeichnung, in welcher alle Punkte der Farbe verbunden sind. Die Beschränkung ist, dass Zeichnungen verschiedener Farben sich nicht kreuzen dürfen. Das Optimierungskriterium ist die Minimierung des Gesamtintenverbrauchs, das heißt, der Gesamtlänge der Zeichnungen.

Im Minimum-Rectilinear-Polygon-for-Given-Angle-Sequence-Problem besteht die Eingabe aus einer Folge von Links- (+90°) und Rechtsabbiegungen (-90°). Gesucht ist ein achsenparalleles Polygon dessen Eckpunkte die gegebene Folge ergeben, wenn man das Polygon gegen den Uhrzeigersinn entlangläuft.
Die Optimierungskriterien sind die Minimierung des Umfangs und der inneren Fläche des Polygons sowie der Größe des notwendigen Zeichenblattes, d.h., des kleinsten Rechteckes, das das Polygon einschließt.
N2  - Given points in the plane, connect them using minimum ink. Though the task seems simple, it turns out to be very time consuming. In fact, scientists believe that computers cannot efficiently solve it. So, do we have to resign? This book examines such NP-hard network-design problems, from connectivity problems in graphs to polygonal drawing problems on the plane. First, we observe why it is so hard to optimally solve these problems. Then, we go over to attack them anyway. We develop fast algorithms that find approximate solutions that are very close to the optimal ones. Hence, connecting points with slightly more ink is not hard.
KW  - Euklidische Ebene
KW  - Algorithmus
KW  - Komplexität
KW  - NP-schweres Problem
KW  - Graph
KW  - approximation algorithm
KW  - hardness
KW  - optimization
KW  - graphs
KW  - network
KW  - Optimierungsproblem
KW  - Approximationsalgorithmus
KW  - complexity
KW  - Euclidean plane
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-154904
SN  - 978-3-95826-076-4 (Print)
SN  - 978-3-95826-077-1 (Online)
N1  - Parallel erschienen als Druckausgabe in Würzburg University Press, ISBN 978-3-95826-076-4, 28,90 EUR.
PB  - Würzburg University Press
CY  - Würzburg
ET  - 1. Auflage
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A1  - Wojtkowiak, Harald
T1  - Planungssystem zur Steigerung der Autonomie von Kleinstsatelliten
T1  - Planningsystem to increase the autonomy of small satellites
N2  - Der Betrieb von Satelliten wird sich in Zukunft gravierend ändern. Die bisher ausgeübte konventionelle Vorgehensweise, bei der die Planung der vom Satelliten auszuführenden Aktivitäten sowie die Kontrolle hierüber ausschließlich vom Boden aus erfolgen, stößt bei heutigen Anwendungen an ihre Grenzen. Im schlimmsten Fall verhindert dieser Umstand sogar die Erschließung bisher ungenutzter Möglichkeiten. Der Gewinn eines Satelliten, sei es in Form wissenschaftlicher Daten oder der Vermarktung satellitengestützter Dienste, wird daher nicht optimal ausgeschöpft. 
Die Ursache für dieses Problem lässt sich im Grunde auf eine ausschlaggebende Tatsache zurückführen: Konventionelle Satelliten können ihr Verhalten, d.h. die Folge ihrer Tätigkeiten, nicht eigenständig anpassen. Stattdessen erstellt das Bedienpersonal am Boden - vor allem die  Operatoren - mit Hilfe von Planungssoftware feste Ablaufpläne, die dann in Form von Kommandosequenzen von den Bodenstationen aus an die jeweiligen Satelliten hochgeladen werden. Dort werden die Befehle lediglich überprüft, interpretiert und strikt ausgeführt. Die Abarbeitung erfolgt linear. Situationsbedingte Änderungen, wie sie vergleichsweise bei der Codeausführung von Softwareprogrammen durch Kontrollkonstrukte, zum Beispiel Schleifen und Verzweigungen, üblich sind, sind typischerweise nicht vorgesehen. Der Operator ist daher die einzige Instanz, die das Verhalten des Satelliten mittels Kommandierung, per Upload, beeinflussen kann, und auch nur dann, wenn ein direkter Funkkontakt zwischen Satellit und Bodenstation besteht. Die dadurch möglichen Reaktionszeiten des Satelliten liegen bestenfalls bei einigen Sekunden, falls er sich im Wirkungsbereich der Bodenstation befindet. Außerhalb des Kontaktfensters kann sich die Zeitschranke, gegeben durch den Orbit und die aktuelle Position des Satelliten, von einigen Minuten  bis hin zu einigen Stunden erstrecken. Die Signallaufzeiten der Funkübertragung verlängern die Reaktionszeiten um weitere Sekunden im erdnahen Bereich. Im interplanetaren Raum erstrecken sich die Zeitspannen aufgrund der immensen Entfernungen sogar auf mehrere Minuten. Dadurch bedingt liegt die derzeit technologisch mögliche, bodengestützte, Reaktionszeit von Satelliten bestenfalls im Bereich von einigen Sekunden.
Diese Einschränkung stellt ein schweres Hindernis für neuartige Satellitenmissionen, bei denen insbesondere nichtdeterministische und kurzzeitige Phänomene (z.B. Blitze und Meteoreintritte in die Erdatmosphäre) Gegenstand der Beobachtungen sind, dar. Die langen Reaktionszeiten des konventionellen Satellitenbetriebs verhindern die Realisierung solcher Missionen, da die verzögerte Reaktion erst erfolgt, nachdem das zu beobachtende Ereignis bereits abgeschlossen ist.
Die vorliegende Dissertation zeigt eine Möglichkeit, das durch die langen Reaktionszeiten entstandene Problem zu lösen, auf. Im Zentrum des Lösungsansatzes steht dabei die Autonomie. Im Wesentlichen geht es dabei darum, den Satelliten mit der Fähigkeit auszustatten, sein Verhalten, d.h. die Folge seiner Tätigkeiten, eigenständig zu bestimmen bzw. zu ändern. Dadurch wird die direkte Abhängigkeit des Satelliten vom Operator bei Reaktionen aufgehoben. Im Grunde wird der Satellit in die Lage versetzt, sich selbst zu kommandieren.
Die Idee der Autonomie wurde im Rahmen der zugrunde liegenden Forschungsarbeiten umgesetzt. Das Ergebnis ist ein autonomes Planungssystem. Dabei handelt es sich um ein Softwaresystem, mit dem sich autonomes Verhalten im Satelliten realisieren lässt. Es kann an unterschiedliche Satellitenmissionen angepasst werden. Ferner deckt es verschiedene Aspekte des autonomen Satellitenbetriebs, angefangen bei der generellen Entscheidungsfindung der Tätigkeiten, über die zeitliche Ablaufplanung unter Einbeziehung von Randbedingungen (z.B. Ressourcen) bis hin zur eigentlichen Ausführung, d.h. Kommandierung, ab. Das Planungssystem kommt als Anwendung in ASAP, einer autonomen Sensorplattform, zum Einsatz. Es ist ein optisches System und dient der Detektion von kurzzeitigen Phänomenen und Ereignissen in der Erdatmosphäre. 
Die Forschungsarbeiten an dem autonomen Planungssystem, an ASAP sowie an anderen zu diesen in Bezug stehenden Systemen wurden an der Professur für Raumfahrttechnik des Lehrstuhls Informatik VIII der Julius-Maximilians-Universität Würzburg durchgeführt.
N2  - Satellite operation will change thoroughly in future. So far the currently performed conventional approach of controlling satellites is hitting its limitation by todays application. This is due to the fact that activities of the satellite are planned and controlled exclusively by ground infrastructure. In the worst case this circumstance prevents the exploitation of potential but so far unused opportunities. Thus the yield of satellites, may it be in the form of scientific research data or the commercialization of satellite services, is not optimized.  
After all the cause of this problem can be tracked back to one crucial matter: Conventional satellites are not able to alter their behaviour, i.e. the order of their actions, themselves. Instead schedules are created by ground staff – mainly operators - utilizing specialized planning software. The output is then transformed into command sequences and uploaded to the dedicated satellite via ground stations. On-board the commands are solely checked, interpreted and strictly executed. The flow is linear. Situational changes, like in the code execution of software programs via control constructs, e.g. loops and branches, are typically not present. Thus the operator is the only instance which is able to change the behaviour of the satellite via command upload. Therefore a direct radio link between satellite and ground station is required. Reaction times are hereby restricted. In the best case, means when the satellite is inside the area of effect, the limitations are to a few seconds. Outside the contact window, the time bound may increase from minutes to hours. The exact timing are dependant from the orbit of the satellite and its position on it. The signal flow of the radio links adds additional reaction time from a few seconds in near earth up to some minutes in interplanetary space due to the vast distances. In sum the best achievable ground based reaction time lies in the area of some seconds.
This restriction is a severe handicap for novel satellite missions with focus on non-deterministic and short-time phenomena, e.g. lightning and meteor entries into Earth atmosphere. The long reaction times of conventional satellite operations prevent the realization of such missions. This is due to the fact that delayed reactions take place after the event to observe has finished.
This dissertation shows a possibility to solve the problem caused by long reaction times. Autonomy lies in the centre of the main approach. The key is to augment the satellite with the ability to alter its behaviour, i.e. the sequence of its actions, and to deliberate about it. Thus, the direct reaction dependency of the satellite from operators will be lifted. In principle the satellite will be able to command itself.
The herein idea of autonomy is based on research work, which provides the context for design and implementation. The output is an autonomous planning system. It’s a software system which enables a satellite to behave autonomously and can be adapted to different types of satellite missions. Additionally, it covers different aspects of autonomous satellite operation, starting with general decision making of activities, going over to time scheduling inclusive constraint consideration, e.g. resources, and finishing at last with the actual execution, i.e. commanding. The autonomous planning system runs as one application of ASAP, an autonomous sensor platform. It is an optical system with the purpose to detect short-time phenomena and events in Earth atmosphere. 
The research work for the autonomous planning system, for ASAP and for other related systems has been executed at the professorship for space technology which is part of the department for computer science VIII at the Julius-Maximilians-Universität Würzburg.
KW  - Planungssystem
KW  - Autonomie
KW  - Satellit
KW  - Entscheidungsfindung
KW  - Ablaufplanung
KW  - Planausführung
KW  - System
KW  - Missionsbetrieb
KW  - decission finding
KW  - scheduling
KW  - plan execution
KW  - system
KW  - mission operation
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-163569
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baier, Pablo A.
T1  - Simulator for Minimally Invasive Vascular Interventions: Hardware and Software
T1  - VR-Simulation für das Training von Herzkathetereingriffen: Hard- und Softwarelösung
N2  - A complete simulation system is proposed that can be used as an educational tool by physicians in training basic skills of Minimally Invasive Vascular Interventions. In the first part, a surface model is developed to assemble arteries having a planar segmentation. It is based on Sweep Surfaces and can be extended to T- and Y-like bifurcations. A continuous force vector field is described, representing the interaction between the catheter and the surface. The computation time of the force field is almost unaffected when the resolution of the artery is increased.
The mechanical properties of arteries play an essential role in the study of the circulatory system dynamics, which has been becoming increasingly important in the treatment of cardiovascular diseases. In Virtual Reality Simulators, it is crucial to have a tissue model that responds in real time. In this work, the arteries are discretized by a two dimensional mesh and the nodes are connected by three kinds of linear springs. Three tissue layers (Intima, Media, Adventitia) are considered and, starting from the stretch-energy density, some of the elasticity tensor components are calculated. The physical model linearizes and homogenizes the material response, but it still contemplates the geometric nonlinearity. In general, if the arterial stretch varies by 1% or less, then the agreement between the linear and nonlinear models is trustworthy.
In the last part, the physical model of the wire proposed by Konings is improved. As a result, a simpler and more stable method is obtained to calculate the equilibrium configuration of the wire. In addition, a geometrical method is developed to perform relaxations. It is particularly useful when the wire is hindered in the physical method because of the boundary conditions. The physical and the geometrical methods are merged, resulting in efficient relaxations. Tests show that the shape of the virtual wire agrees with the experiment. The proposed algorithm allows real-time executions and the hardware to assemble the simulator has a low cost.
N2  - Es wird ein vollständiges Simulationssystem entwickelt, das von Ärzten als Lehrmittel zur Ausbildung grundlegender Fertigkeiten bei Herzkathetereingriffen eingesetzt werden kann. Im ersten Teil wird ein Oberflächenmodell zur Erstellung von Arterien mit planarer Segmentierung entwickelt. Im zweiten Teil werden die Arterien durch ein zweidimensionales Netz diskretisiert, die Knoten werden durch drei Arten linearer Federn verbunden und ausgehend von einer Dehnungsenergie-Dichte-Funktion werden einige Komponenten des Elastizitätstensors berechnet. Im letzten Teil wird das von anderen Autoren vorgeschlagene physikalische Modell des Drahtes verbessert und eine neue geometrische Methode entwickelt. Der vorgeschlagene Algorithmus ermöglicht Echtzeit-Ausführungen. Die Hardware des Simulators hat geringe Herstellungskosten.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 15 
KW  - Computersimulation
KW  - Simulator
KW  - Arterie
KW  - Elastizitätstensor
KW  - Herzkatheter
KW  - Minimally invasive vascular intervention
KW  - Wire relaxation
KW  - Artery
KW  - Elasticity tensor
KW  - Stiffness
KW  - educational tool
KW  - Elastizitätstensor
KW  - Herzkathetereingriff
KW  - Software
KW  - Hardware
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161190
SN  - 978-3-945459-22-5
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A1  - Löffler, Andre
T1  - Constrained Graph Layouts: Vertices on the Outer Face and on the Integer Grid
T1  - Graphzeichnen unter Nebenbedingungen: Knoten auf der Außenfacette und mit ganzzahligen Koordinaten
N2  - Constraining graph layouts - that is, restricting the placement of vertices and the routing of edges to obey certain constraints - is common practice in graph drawing. 
In this book, we discuss algorithmic results on two different restriction types: 
placing vertices on the outer face and on the integer grid. 
For the first type, we look into the outer k-planar and outer k-quasi-planar graphs, as well as giving a linear-time algorithm to recognize full and closed outer k-planar graphs Monadic Second-order Logic. 
For the second type, we consider the problem of transferring a given planar drawing onto the integer grid while perserving the original drawings topology;
we also generalize a variant of Cauchy's rigidity theorem for orthogonal polyhedra of genus 0 to those of arbitrary genus.
N2  - Das Einschränken von Zeichnungen von Graphen, sodass diese bestimmte Nebenbedingungen erfüllen - etwa solche, die das Platzieren von Knoten oder den Verlauf von Kanten beeinflussen - sind im Graphzeichnen allgegenwärtig.
In dieser Arbeit befassen wir uns mit algorithmischen Resultaten zu zwei speziellen Einschränkungen, nämlich dem Platzieren von Knoten entweder auf der Außenfacette oder auf ganzzahligen Koordinaten.
Für die erste Einschränkung untersuchen wir die außen k-planaren und außen k-quasi-planaren Graphen und geben einen auf monadische Prädikatenlogik zweiter Stufe basierenden Algorithmus an, der überprüft, ob ein Graph voll außen k-planar ist.
Für die zweite Einschränkung untersuchen wir das Problem, eine gegebene planare Zeichnung eines Graphen auf das ganzzahlige Koordinatengitter zu transportieren, ohne dabei die Topologie der Zeichnung zu verändern; außerdem generalisieren wir eine Variante von Cauchys Starrheitssatz für orthogonale Polyeder von Geschlecht 0 auf solche von beliebigem Geschlecht.
KW  - Graphenzeichnen
KW  - Komplexität
KW  - Algorithmus
KW  - Algorithmische Geometrie
KW  - Kombinatorik
KW  - Planare Graphen
KW  - Polyeder
KW  - Konvexe Zeichnungen
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-215746
SN  - 978-3-95826-146-4
SN  - 978-3-95826-147-1
N1  - Parallel erschienen als Druckausgabe in Würzburg University Press, ISBN 978-3-95826-146-4, 32,90 EUR
PB  - Würzburg University Press
CY  - Würzburg
ET  - 1. Auflage
ER  - 
TY  - THES
A1  - Niebler, Thomas
T1  - Extracting and Learning Semantics from Social Web Data
T1  - Extraktion und Lernen von Semantik aus Social Web-Daten
N2  - Making machines understand natural language is a dream of mankind that existed
since a very long time. Early attempts at programming machines to converse with
humans in a supposedly intelligent way with humans relied on phrase lists and simple
keyword matching. However, such approaches cannot provide semantically adequate
answers, as they do not consider the specific meaning of the conversation. Thus, if we
want to enable machines to actually understand language, we need to be able to access
semantically relevant background knowledge. For this, it is possible to query so-called
ontologies, which are large networks containing knowledge about real-world entities
and their semantic relations. However, creating such ontologies is a tedious task, as often
extensive expert knowledge is required. Thus, we need to find ways to automatically
construct and update ontologies that fit human intuition of semantics and semantic
relations. More specifically, we need to determine semantic entities and find relations
between them. While this is usually done on large corpora of unstructured text, previous
work has shown that we can at least facilitate the first issue of extracting entities by
considering special data such as tagging data or human navigational paths. Here, we do
not need to detect the actual semantic entities, as they are already provided because of
the way those data are collected. Thus we can mainly focus on the problem of assessing
the degree of semantic relatedness between tags or web pages. However, there exist
several issues which need to be overcome, if we want to approximate human intuition of
semantic relatedness. For this, it is necessary to represent words and concepts in a way
that allows easy and highly precise semantic characterization. This also largely depends
on the quality of data from which these representations are constructed.
In this thesis, we extract semantic information from both tagging data created by users
of social tagging systems and human navigation data in different semantic-driven social
web systems. Our main goal is to construct high quality and robust vector representations
of words which can the be used to measure the relatedness of semantic concepts.
First, we show that navigation in the social media systems Wikipedia and BibSonomy is
driven by a semantic component. After this, we discuss and extend methods to model
the semantic information in tagging data as low-dimensional vectors. Furthermore, we
show that tagging pragmatics influences different facets of tagging semantics. We then
investigate the usefulness of human navigational paths in several different settings on
Wikipedia and BibSonomy for measuring semantic relatedness. Finally, we propose
a metric-learning based algorithm in adapt pre-trained word embeddings to datasets
containing human judgment of semantic relatedness.
This work contributes to the field of studying semantic relatedness between words
by proposing methods to extract semantic relatedness from web navigation, learn highquality
and low-dimensional word representations from tagging data, and to learn
semantic relatedness from any kind of vector representation by exploiting human
feedback. Applications first and foremest lie in ontology learning for the Semantic Web,
but also semantic search or query expansion.
N2  - Einer der großen Träume der Menschheit ist es, Maschinen dazu zu bringen, natürliche
Sprache zu verstehen. Frühe Versuche, Computer dahingehend zu programmieren, dass
sie mit Menschen vermeintlich intelligente Konversationen führen können, basierten
hauptsächlich auf Phrasensammlungen und einfachen Stichwortabgleichen. Solche
Ansätze sind allerdings nicht in der Lage, inhaltlich adäquate Antworten zu liefern, da
der tatsächliche Inhalt der Konversation nicht erfasst werden kann. Folgerichtig ist es
notwendig, dass Maschinen auf semantisch relevantes Hintergrundwissen zugreifen
können, um diesen Inhalt zu verstehen. Solches Wissen ist beispielsweise in Ontologien
vorhanden. Ontologien sind große Datenbanken von vernetztem Wissen über Objekte
und Gegenstände der echten Welt sowie über deren semantische Beziehungen. Das
Erstellen solcher Ontologien ist eine sehr kostspielige und aufwändige Aufgabe, da oft
tiefgreifendes Expertenwissen benötigt wird. Wir müssen also Wege finden, um Ontologien
automatisch zu erstellen und aktuell zu halten, und zwar in einer Art und Weise,
dass dies auch menschlichem Empfinden von Semantik und semantischer Ähnlichkeit
entspricht. Genauer gesagt ist es notwendig, semantische Entitäten und deren Beziehungen
zu bestimmen. Während solches Wissen üblicherweise aus Textkorpora extrahiert
wird, ist es möglich, zumindest das erste Problem - semantische Entitäten zu bestimmen
- durch Benutzung spezieller Datensätze zu umgehen, wie zum Beispiel Tagging- oder
Navigationsdaten. In diesen Arten von Datensätzen ist es nicht notwendig, Entitäten
zu extrahieren, da sie bereits aufgrund inhärenter Eigenschaften bei der Datenakquise
vorhanden sind. Wir können uns also hauptsächlich auf die Bestimmung von semantischen
Relationen und deren Intensität fokussieren. Trotzdem müssen hier noch einige
Hindernisse überwunden werden. Beispielsweise ist es notwendig, Repräsentationen
für semantische Entitäten zu finden, so dass es möglich ist, sie einfach und semantisch
hochpräzise zu charakterisieren. Dies hängt allerdings auch erheblich von der Qualität
der Daten ab, aus denen diese Repräsentationen konstruiert werden.
In der vorliegenden Arbeit extrahieren wir semantische Informationen sowohl aus
Taggingdaten, von Benutzern sozialer Taggingsysteme erzeugt, als auch aus Navigationsdaten
von Benutzern semantikgetriebener Social Media-Systeme. Das Hauptziel
dieser Arbeit ist es, hochqualitative und robuste Vektordarstellungen von Worten zu
konstruieren, die dann dazu benutzt werden können, die semantische Ähnlichkeit
von Konzepten zu bestimmen. Als erstes zeigen wir, dass Navigation in Social Media Systemen
unter anderem durch eine semantische Komponente getrieben wird. Danach
diskutieren und erweitern wir Methoden, um die semantische Information in Taggingdaten
als niedrigdimensionale sogenannte “Embeddings” darzustellen. Darüberhinaus
demonstrieren wir, dass die Taggingpragmatik verschiedene Facetten der Taggingsemantik
beeinflusst. Anschließend untersuchen wir, inwieweit wir menschliche Navigationspfade
zur Bestimmung semantischer Ähnlichkeit benutzen können. Hierzu betrachten
wir mehrere Datensätze, die Navigationsdaten in verschiedenen Rahmenbedingungen
beinhalten. Als letztes stellen wir einen neuartigen Algorithmus vor, um bereits
trainierte Word Embeddings im Nachhinein an menschliche Intuition von Semantik
anzupassen.
Diese Arbeit steuert wertvolle Beiträge zum Gebiet der Bestimmung von semantischer
Ähnlichkeit bei: Es werden Methoden vorgestellt werden, um hochqualitative semantische
Information aus Web-Navigation und Taggingdaten zu extrahieren, diese mittels
niedrigdimensionaler Vektordarstellungen zu modellieren und selbige schließlich besser
an menschliches Empfinden von semantischer Ähnlichkeit anzupassen, indem aus
genau diesem Empfinden gelernt wird. Anwendungen liegen in erster Linie darin,
Ontologien für das Semantic Web zu lernen, allerdings auch in allen Bereichen, die
Vektordarstellungen von semantischen Entitäten benutzen.
KW  - Semantik
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Soziale Software
KW  - Semantics
KW  - User Behavior
KW  - Social Web
KW  - Machine Learning
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-178666
ER  - 
TY  - THES
A1  - Budig, Benedikt
T1  - Extracting Spatial Information from Historical Maps: Algorithms and Interaction
T1  - Extraktion räumlicher Informationen aus historischen Landkarten: Algorithmen und Interaktion
N2  - Historical maps are fascinating documents and a valuable source of information for scientists of various disciplines. Many of these maps are available as scanned bitmap images, but in order to make them searchable in useful ways, a structured representation of the contained information is desirable.

This book deals with the extraction of spatial information from historical maps. This cannot be expected to be solved fully automatically (since it involves difficult semantics), but is also too tedious to be done manually at scale.

The methodology used in this book combines the strengths of both computers and humans: it describes efficient algorithms to largely automate information extraction tasks and pairs these algorithms with smart user interactions to handle what is not understood by the algorithm. The effectiveness of this approach is shown for various kinds of spatial documents from the 16th to the early 20th century.
N2  - Historische Landkarten sind faszinierende Dokumente und eine wertvolle Informationsquelle für Wissenschaftler verschiedener Fächer. Viele dieser Karten liegen als gescannte Bitmap-Bilder vor, aber um sie auf nützliche Art durchsuchbar zu machen ist eine strukturierte Repräsentation der enthaltenen Informationen wünschenswert.

Dieses Buch beschäftigt sich mit der Extraktion räumlicher Informationen aus historischen Landkarten. Man kann nicht erwarten, dass dies vollautomatisch geschieht (da komplizierte Semantik involviert ist), aber es ist auch zu aufwändig, um im großen Stil manuell durchgeführt zu werden.

Die Methodik, die in diesem Buch verwendet wird, kombiniert die Stärken von Computern und Menschen: Es werden effiziente Algorithmen beschrieben, die Extraktionsaufgaben weitgehend automatisieren, und dazu passende Nutzerinteraktionen entworfen, mit denen Fälle gelöst werden, die die Algorithmen nicht vestehen. Die Effekitivität dieses Ansatzes wird anhand verschiedener räumlicher Dokumente aus dem 16. bis frühen 20. Jahrhundert gezeigt.
KW  - Karte
KW  - Effizienter Algorithmus
KW  - Interaktion
KW  - Information Extraction
KW  - Smart User Interaction
KW  - Historical Maps
KW  - Itineraries
KW  - Deep Georeferencing
KW  - Benutzerinteraktion
KW  - Historische Landkarten
KW  - Itinerare
KW  - Georeferenzierung
KW  - Historische Karte
KW  - Raumdaten
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160955
SN  - 978-3-95826-092-4
SN  - 978-3-95826-093-1
N1  - Parallel erschienen als Druckausgabe in Würzburg University Press, ISBN 978-3-95826-092-4, 32,90 Euro.
PB  - Würzburg University Press
CY  - Würzburg
ET  - 1. Auflage
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nogatz, Falco
T1  - Defining and Implementing Domain-Specific Languages with Prolog
T1  - Definition und Implementierung domänenspezifischer Sprachen mit Prolog
N2  - The landscape of today’s programming languages is manifold. With the diversity of applications, the difficulty of adequately addressing and specifying the used programs increases. This often leads to newly designed and implemented domain-specific languages. They enable domain experts to express knowledge in their preferred format, resulting in more readable and concise programs. Due to its flexible and declarative syntax without reserved keywords, the logic programming language Prolog is particularly suitable for defining and embedding domain-specific languages.

This thesis addresses the questions and challenges that arise when integrating domain-specific languages into Prolog. We compare the two approaches to define them either externally or internally, and provide assisting tools for each. The grammar of a formal language is usually defined in the extended Backus–Naur form. In this work, we handle this formalism as a domain-specific language in Prolog, and define term expansions that allow to translate it into equivalent definite clause grammars. We present the package library(dcg4pt) for SWI-Prolog, which enriches them by an additional argument to automatically process the term’s corresponding parse tree. To simplify the work with definite clause grammars, we visualise their application by a web-based tracer.

The external integration of domain-specific languages requires the programmer to keep the grammar, parser, and interpreter in sync. In many cases, domain-specific languages can instead be directly embedded into Prolog by providing appropriate operator definitions. In addition, we propose syntactic extensions for Prolog to expand its expressiveness, for instance to state logic formulas with their connectives verbatim. This allows to use all tools that were originally written for Prolog, for instance code linters and editors with syntax highlighting. We present the package library(plammar), a standard-compliant parser for Prolog source code, written in Prolog. It is able to automatically infer from example sentences the required operator definitions with their classes and precedences as well as the required Prolog language extensions. As a result, we can automatically answer the question: Is it possible to model these example sentences as valid Prolog clauses, and how?

We discuss and apply the two approaches to internal and external integrations for several domain-specific languages, namely the extended Backus–Naur form, GraphQL, XPath, and a controlled natural language to represent expert rules in if-then form. The created toolchain with library(dcg4pt) and library(plammar) yields new application opportunities for static Prolog source code analysis, which we also present.
N2  - Die Landschaft der heutigen Programmiersprachen ist vielfältig. Mit ihren unterschiedlichen Anwendungsbereichen steigt zugleich die Schwierigkeit, die eingesetzten Programme adäquat anzusprechen und zu spezifizieren. Immer häufiger werden hierfür domänenspezifische Sprachen entworfen und implementiert. Sie ermöglichen Domänenexperten, Wissen in ihrem bevorzugten Format auszudrücken, was zu lesbareren Programmen führt. Durch ihre flexible und deklarative Syntax ohne vorbelegte Schlüsselwörter ist die logische Programmsprache Prolog besonders geeignet, um domänenspezifische Sprachen zu definieren und einzubetten.

Diese Arbeit befasst sich mit den Fragen und Herausforderungen, die sich bei der Integration von domänenspezifischen Sprachen in Prolog ergeben. Wir vergleichen die zwei Ansätze, sie entweder extern oder intern zu definieren, und stellen jeweils Hilfsmittel zur Verfügung. Die Grammatik einer formalen Sprache wird häufig in der erweiterten Backus–Naur–Form definiert. Diesen Formalismus behandeln wir in dieser Arbeit als eine domänenspezifische Sprache in Prolog und definieren Termexpansionen, die es erlauben, ihn in äquivalente Definite Clause Grammars für Prolog zu übersetzen. Durch das Modul library(dcg4pt) werden sie um ein zusätzliches Argument erweitert, das den Syntaxbaum eines Terms automatisch erzeugt. Um die Arbeit mit Definite Clause Grammars zu erleichtern, visualisieren wir ihre Anwendung in einem webbasierten Tracer.

Meist können domänenspezifische Sprachen jedoch auch mittels passender Operatordefinitionen direkt in Prolog eingebettet werden. Dies ermöglicht die Verwendung aller Werkzeuge, die ursprünglich für Prolog geschrieben wurden, z.B. zum Code-Linting und Syntax-Highlighting. In dieser Arbeit stellen wir den standardkonformen Prolog-Parser library(plammar) vor. Er ist in Prolog geschrieben und in der Lage, aus Beispielsätzen automatisch die erforderlichen Operatoren mit ihren Klassen und Präzedenzen abzuleiten. Um die Ausdruckskraft von Prolog noch zu erweitern, schlagen wir Ergänzungen zum ISO Standard vor. Sie erlauben es, weitere Sprachen direkt einzubinden, und werden ebenfalls von library(plammar) identifiziert. So ist es bspw. möglich, logische Formeln direkt mit den bekannten Symbolen für Konjunktion, Disjunktion, usw. als Prolog-Programme anzugeben.

Beide Ansätze der internen und externen Integration werden für mehrere domänen-spezifische Sprachen diskutiert und beispielhaft für GraphQL, XPath, die erweiterte Backus–Naur–Form sowie Expertenregeln in Wenn–Dann–Form umgesetzt. Die vorgestellten Werkzeuge um library(dcg4pt) und library(plammar) ergeben zudem neue Anwendungsmöglichkeiten auch für die statische Quellcodeanalyse von Prolog-Programmen.
KW  - PROLOG <Programmiersprache>
KW  - Domänenspezifische Sprache
KW  - logic programming
KW  - knowledge representation
KW  - definite clause grammars
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-301872
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bleier, Michael
T1  - Underwater Laser Scanning - Refractive Calibration, Self-calibration and Mapping for 3D Reconstruction
T1  - Laserscanning unter Wasser - Refraktive Kalibrierung, Selbstkalibrierung und Kartierung zur 3D Rekonstruktion
N2  - There is great interest in affordable, precise and reliable metrology underwater:
Archaeologists want to document artifacts in situ with high detail.
In marine research, biologists require the tools to monitor coral growth and geologists need recordings to model sediment transport.
Furthermore, for offshore construction projects, maintenance and inspection millimeter-accurate measurements of defects and offshore structures are essential.
While the process of digitizing individual objects and complete sites on land is well understood and standard methods, such as Structure from Motion or terrestrial laser scanning, are regularly applied, precise underwater surveying with high resolution is still a complex and difficult task.
Applying optical scanning techniques in water is challenging due to reduced visibility caused by turbidity and light absorption.
However, optical underwater scanners provide significant advantages in terms of achievable resolution and accuracy compared to acoustic systems.

This thesis proposes an underwater laser scanning system and the algorithms for creating dense and accurate 3D scans in water.
It is based on laser triangulation and the main optical components are an underwater camera and a cross-line laser projector.
The prototype is configured with a motorized yaw axis for capturing scans from a tripod.
Alternatively, it is mounted to a moving platform for mobile mapping.
The main focus lies on the refractive calibration of the underwater camera and laser projector, the image processing and 3D reconstruction.
For highest accuracy, the refraction at the individual media interfaces must be taken into account.
This is addressed by an optimization-based calibration framework using a physical-geometric camera model derived from an analytical formulation of a ray-tracing projection model.
In addition to scanning underwater structures, this work presents the 3D acquisition of semi-submerged structures and the correction of refraction effects.
As in-situ calibration in water is complex and time-consuming, the challenge of transferring an in-air scanner calibration to water without re-calibration is investigated, as well as self-calibration techniques for structured light.

The system was successfully deployed in various configurations for both static scanning and mobile mapping.
An evaluation of the calibration and 3D reconstruction using reference objects and a comparison of free-form surfaces in clear water demonstrate the high accuracy potential in the range of one millimeter to less than one centimeter, depending on the measurement distance.
Mobile underwater mapping and motion compensation based on visual-inertial odometry is demonstrated using a new optical underwater scanner based on fringe projection.
Continuous registration of individual scans allows the acquisition of 3D models from an underwater vehicle.
RGB images captured in parallel are used to create 3D point clouds of underwater scenes in full color.
3D maps are useful to the operator during the remote control of underwater vehicles and provide the building blocks to enable offshore inspection and surveying tasks.
The advancing automation of the measurement technology will allow non-experts to use it, significantly reduce acquisition time and increase accuracy, making underwater metrology more cost-effective.
N2  - Das Interesse an präziser, zuverlässiger und zugleich kostengünstiger Unterwassermesstechnik ist groß.
Beispielsweise wollen Archäologen Artefakte in situ mit hoher Detailtreue dokumentieren und in der Meeresforschung benötigen Biologen Messwerkzeuge zur Beobachtung des Korallenwachstums.
Auch Geologen sind auf Messdaten angewiesen, um Sedimenttransporte zu modellieren.
Darüber hinaus ist für die Errichtung von Offshore-Bauwerken, sowie deren Wartung und Inspektion eine millimetergenaue Vermessung von vorhandenen Strukturen und Defekten unerlässlich.
Während die Digitalisierung einzelner Objekte und ganzer Areale an Land gut erforscht ist und verschiedene Standardmethoden, wie zum Beispiel Structure from Motion oder terrestrisches Laserscanning, regelmäßig eingesetzt werden, ist die präzise und hochauflösende Unterwasservermessung nach wie vor eine komplexe und schwierige Aufgabe.
Die Anwendung optischer Messtechnik im Wasser ist aufgrund der eingeschränkten Sichttiefe durch Trübung und Lichtabsorption eine Herausforderung.
Optische Unterwasserscanner bieten jedoch Vorteile hinsichtlich der erreichbaren Auflösung und Genauigkeit gegenüber akustischen Systemen.
	
In dieser Arbeit werden ein Unterwasser-Laserscanning-System und die Algorithmen zur Erzeugung von 3D-Scans mit hoher Punktdichte im Wasser vorgestellt.
Es basiert auf Lasertriangulation und die optischen Hauptkomponenten sind eine Unterwasserkamera und ein Kreuzlinienlaserprojektor.
Das System ist mit einer motorisierten Drehachse ausgestattet, um Scans von einem Stativ aus aufzunehmen.
Alternativ kann es von einer beweglichen Plattform aus für mobile Kartierung eingesetzt werden.
Das Hauptaugenmerk liegt auf der refraktiven Kalibrierung der Unterwasserkamera und des Laserprojektors, der Bildverarbeitung und der 3D-Rekonstruktion.
Um höchste Genauigkeit zu erreichen, muss die Brechung an den einzelnen Medienübergängen berücksichtigt werden.
Dies wird durch ein physikalisch-geometrisches Kameramodell, das auf einer analytischen Beschreibung der Strahlenverfolgung basiert, und ein optimierungsbasiertes Kalibrierverfahren erreicht. 
Neben dem Scannen von Unterwasserstrukturen wird in dieser Arbeit auch die 3D-Erfassung von teilweise im Wasser befindlichen Strukturen und die Korrektur der dabei auftretenden Brechungseffekte vorgestellt.
Da die Kalibrierung im Wasser komplex und zeitintensiv ist, wird die Übertragung einer Kalibrierung des Scanners in Luft auf die Bedingungen im Wasser ohne Neukalibrierung, sowie die Selbstkalibrierung für Lichtschnittverfahren untersucht.
	
Das System wurde in verschiedenen Konfigurationen sowohl für statisches Scannen als auch für die mobile Kartierung erfolgreich eingesetzt.
Die Validierung der Kalibrierung und der 3D-Rekonstruktion anhand von Referenzobjekten und der Vergleich von Freiformflächen in klarem Wasser zeigen das hohe Genauigkeitspotenzial im Bereich von einem Millimeter bis weniger als einem Zentimeter in Abhängigkeit von der Messdistanz.
Die mobile Unterwasserkartierung und Bewegungskompensation anhand visuell-inertialer Odometrie wird mit einem neuen optischen Unterwasserscanner auf Basis der Streifenprojektion demonstriert.
Dabei ermöglicht die kontinuierliche Registrierung von Einzelscans die Erfassung von 3D-Modellen von einem Unterwasserfahrzeug aus.
Mit Hilfe von parallel aufgenommenen RGB-Bildern werden dabei farbige 3D-Punktwolken der Unterwasserszenen erstellt.
Diese 3D-Karten dienen beispielsweise dem Bediener bei der Fernsteuerung von Unterwasserfahrzeugen und bilden die Grundlage für Offshore-Inspektions- und Vermessungsaufgaben.
Die fortschreitende Automatisierung der Messtechnik wird somit auch eine Verwendung durch Nichtfachleute ermöglichen und gleichzeitig die Erfassungszeit erheblich verkürzen und die Genauigkeit verbessern, was die Vermessung im Wasser kostengünstiger und effizienter macht.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 28 
KW  - Selbstkalibrierung
KW  - Punktwolke
KW  - Bildverarbeitung
KW  - 3D Reconstruction
KW  - Self-calibration
KW  - Underwater Scanning
KW  - Underwater Mapping
KW  - Dreidimensionale Rekonstruktion
KW  - 3D-Rekonstruktion
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322693
SN  - 978-3-945459-45-4
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krenzer, Adrian
T1  - Machine learning to support physicians in endoscopic examinations with a focus on automatic polyp detection in images and videos
T1  - Maschinelles Lernen zur Unterstützung von Ärzten bei endoskopischen Untersuchungen mit Schwerpunkt auf der automatisierten Polypenerkennung in Bildern und Videos
N2  - Deep learning enables enormous progress in many computer vision-related tasks. Artificial Intel- ligence (AI) steadily yields new state-of-the-art results in the field of detection and classification. Thereby AI performance equals or exceeds human performance. Those achievements impacted many domains, including medical applications.
One particular field of medical applications is gastroenterology. In gastroenterology, machine learning algorithms are used to assist examiners during interventions. One of the most critical concerns for gastroenterologists is the development of Colorectal Cancer (CRC), which is one of the leading causes of cancer-related deaths worldwide. Detecting polyps in screening colonoscopies is the essential procedure to prevent CRC. Thereby, the gastroenterologist uses an endoscope to screen the whole colon to find polyps during a colonoscopy. Polyps are mucosal growths that can vary in severity.
This thesis supports gastroenterologists in their examinations with automated detection and clas- sification systems for polyps. The main contribution is a real-time polyp detection system. This system is ready to be installed in any gastroenterology practice worldwide using open-source soft- ware. The system achieves state-of-the-art detection results and is currently evaluated in a clinical trial in four different centers in Germany.
The thesis presents two additional key contributions: One is a polyp detection system with ex- tended vision tested in an animal trial. Polyps often hide behind folds or in uninvestigated areas. Therefore, the polyp detection system with extended vision uses an endoscope assisted by two additional cameras to see behind those folds. If a polyp is detected, the endoscopist receives a vi- sual signal. While the detection system handles the additional two camera inputs, the endoscopist focuses on the main camera as usual.
The second one are two polyp classification models, one for the classification based on shape (Paris) and the other on surface and texture (NBI International Colorectal Endoscopic (NICE) classification). Both classifications help the endoscopist with the treatment of and the decisions about the detected polyp.
The key algorithms of the thesis achieve state-of-the-art performance. Outstandingly, the polyp detection system tested on a highly demanding video data set shows an F1 score of 90.25 % while working in real-time. The results exceed all real-time systems in the literature. Furthermore, the first preliminary results of the clinical trial of the polyp detection system suggest a high Adenoma Detection Rate (ADR). In the preliminary study, all polyps were detected by the polyp detection system, and the system achieved a high usability score of 96.3 (max 100). The Paris classification model achieved an F1 score of 89.35 % which is state-of-the-art. The NICE classification model achieved an F1 score of 81.13 %.
Furthermore, a large data set for polyp detection and classification was created during this thesis. Therefore a fast and robust annotation system called Fast Colonoscopy Annotation Tool (FastCAT) was developed. The system simplifies the annotation process for gastroenterologists. Thereby the
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gastroenterologists only annotate key parts of the endoscopic video. Afterward, those video parts are pre-labeled by a polyp detection AI to speed up the process. After the AI has pre-labeled the frames, non-experts correct and finish the annotation. This annotation process is fast and ensures high quality. FastCAT reduces the overall workload of the gastroenterologist on average by a factor of 20 compared to an open-source state-of-art annotation tool.
N2  - Deep Learning ermöglicht enorme Fortschritte bei vielen Aufgaben im Bereich der Computer Vision. Künstliche Intelligenz (KI) liefert ständig neue Spitzenergebnisse im Bereich der Erkennung und Klassifizierung. Dabei erreicht oder übertrifft die Leistung von KI teilweise die menschliche Leistung. Diese Errungenschaften wirken sich auf viele Bereiche aus, darunter auch auf medizinische Anwendungen.
Ein besonderer Bereich der medizinischen Anwendungen ist die Gastroenterologie. In der Gastroenterologie werden Algorithmen des maschinellen Lernens eingesetzt, um den Untersucher bei medizinischen Eingriffen zu unterstützen. Eines der größten Probleme für Gastroenterologen ist die Entwicklung von Darmkrebs, die weltweit eine der häufigsten krebsbedingten Todesursachen ist. Die Erkennung von Polypen bei Darmspiegelungen ist das wichtigste Verfahren zur Vorbeugung von Darmkrebs. Dabei untersucht der Gastroenterologe den Dickdarm im Rahmen einer Koloskopie, um z.B. Polypen zu finden. Polypen sind Schleimhautwucherungen, die unterschiedlich stark ausgeprägt sein können.
Diese Arbeit unterstützt Gastroenterologen bei ihren Untersuchungen mit automatischen Erkennungssystemen und Klassifizierungssystemen für Polypen. Der Hauptbeitrag ist ein Echtzeitpolypenerkennungssystem. Dieses System kann in jeder gastroenterologischen Praxis weltweit mit Open- Source-Software installiert werden. Das System erzielt Erkennungsergebnisse auf dem neusten Stand der Technik und wird derzeit in einer klinischen Studie in vier verschiedenen Praxen in Deutschland evaluiert.
In dieser Arbeit werden zwei weitere wichtige Beiträge vorgestellt: Zum einen ein Polypenerkennungssystem mit erweiterter Sicht, das in einem Tierversuch getestet wurde. Polypen verstecken sich oft hinter Falten oder in nicht untersuchten Bereichen. Daher verwendet das Polypenerkennungssystem mit erweiterter Sicht ein Endoskop, das von zwei zusätzlichen Kameras unterstützt wird, um hinter diese Falten zu sehen. Wenn ein Polyp entdeckt wird, erhält der Endoskopiker ein visuelles Signal. Während das Erkennungssystem die beiden zusätzlichen Kameraeingaben verarbeitet, konzentriert sich der Endoskopiker wie gewohnt auf die Hauptkamera.
Das zweite sind zwei Polypenklassifizierungsmodelle, eines für die Klassifizierung anhand der Form (Paris) und das andere anhand der Oberfläche und Textur (NICE-Klassifizierung). Beide Klassifizierungen helfen dem Endoskopiker bei der Behandlung und Entscheidung über den erkannten Polypen.
Die Schlüsselalgorithmen der Dissertation erreichen eine Leistung, die dem neuesten Stand der Technik entspricht. Herausragend ist, dass das auf einem anspruchsvollen Videodatensatz getestete Polypenerkennungssystem einen F1-Wert von 90,25 % aufweist, während es in Echtzeit arbeitet. Die Ergebnisse übertreffen alle Echtzeitsysteme für Polypenerkennung in der Literatur. Darüber hinaus deuten die ersten vorläufigen Ergebnisse einer klinischen Studie des Polypenerkennungssystems auf eine hohe Adenomdetektionsrate ADR hin. In dieser Studie wurden alle Polypen durch das Polypenerkennungssystem erkannt, und das System erreichte einen hohe Nutzerfreundlichkeit von 96,3 (maximal 100). Bei der automatischen Klassifikation von Polypen basierend auf der Paris Klassifikations erreichte das in dieser Arbeit entwickelte System einen F1-Wert von 89,35 %, was dem neuesten Stand der Technik entspricht. Das NICE-Klassifikationsmodell erreichte eine F1- Wert von 81,13 %.
Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit ein großer Datensatz zur Polypenerkennung und -klassifizierung erstellt. Dafür wurde ein schnelles und robustes Annotationssystem namens FastCAT entwickelt. Das System vereinfacht den Annotationsprozess für Gastroenterologen. Die Gastroenterologen annotieren dabei nur die wichtigsten Teile des endoskopischen Videos. Anschließend werden diese Videoteile von einer Polypenerkennungs-KI vorverarbeitet, um den Prozess zu beschleunigen. Nachdem die KI die Bilder vorbeschriftet hat, korrigieren und vervollständigen Nicht-Experten die Annotationen. Dieser Annotationsprozess ist schnell und gewährleistet eine hohe Qualität. FastCAT reduziert die Gesamtarbeitsbelastung des Gastroenterologen im Durchschnitt um den Faktor 20 im Vergleich zu einem Open-Source-Annotationstool auf dem neuesten Stand der Technik.
KW  - Deep Learning
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Maschinelles Sehen
KW  - Machine Learning
KW  - Object Detection
KW  - Medical Image Analysis
KW  - Computer Vision
KW  - Gastroenterologische Endoskopie
KW  - Polypektomie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-319119
ER  -