Interner Bericht des Fachbereich Informatik
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277
Die Sichten von Projektmitgliedern auf Prozesse von Software-Entwicklungen sollen in der Prozeßmodellierungssprache MVP-L formuliert und anschließend in ein Umfassendes Prozeßmodell integriert werden. Dabei ist die Identifikation ähnlicher Informationen in verschiedenen Sichten von Bedeutung. In dieser Arbeit berichten
wir über die Adaption und Synthese verschiedener Ansätze zum Thema Ähnlichkeit aus unterschiedlichen Domänen (Schema-Integration beim Datenbank-Entwurf, Analoges und Fallbasiertes Schließen, Wiederverwendung und System-Spezifikation). Das Ergebnis, die Ähnlichkeitsfunktion vsim, wird anhand eines Referenzbeispiels illustriert. Dabei gehen wir insbesondere auf die Eigenschaft der Funktion vsim ein und berichten über Erfahrungen im Umgang mit dieser Funktion zur Berechnung der Ähnlichkeit zwischen Prozeßmodellen.
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W-Lisp Sprachbeschreibung
(1993)
W-Lisp [Wippennann 91] ist eine Sprache, die im Bereich der Implementierung höherer
Programmiersprachen verwendet wird. Ihre Anwendung ist nicht auf diesen Bereich beschränkt. Gute Lesbarkeit der W-Lisp-Notation wird durch zahlreiche Anleihen aus dem Bereich der bekannten imperativen Sprachen erzielt. W-Lisp-Programme können im Rahmen eines Common Lisp-Systems ausgeführt werden. In der WLisp Notation können alle Lisp-Funktionen (inkl. MCS) verwendet werden, so daß die Mächtigkeit von Common-Lisp [Steele 90] in dieser Hinsicht auch in W-Lisp verfügbar ist.
214
In Laufe der letzten Jahrzehnte ist der Prozeß der Softwareentwicklung methodisiert und zum Teil auch formalisiert worden. I.a. unterteilt man den Vorgang in grobe Stufen, Entwicklungsphasen genannt. Jede dieser Phasen betrachtet den entstehenden Entwurf des Projekts aus verschiedenen Sichtweisen. Aus dieser Sichtweise resultieren etliche Modelle und Darstellungsformen und mit ihnen auch verschiedene rechnergestützte Entwicklungswerkzeuge. In frühen Phasen sind beispielsweise Datenflußdiagramme eine nützliche Darstellungsform, in späteren konkrete Algorithmenbeschreibungen. Entwurfsänderungen im Laufe der Entwicklungszeit müssen in allen betroffenen Ebenen neu formuliert werden, eine automatisierte phasenübergreifende Behandlung ist
daher i.a. nicht oder nur teilweise möglich. Um effizienter und weniger fehleranfällig arbeiten zu können, wurden aus diesem Grund in letzter Zeit Ansätze gemacht, den gesamten Softwareentwicklungsprozeß von der ·Anforderungsanalyse bis hin zur Wartungsphase einem einheitlichen Konzept und einer einheitlichen Darstellungsform zu unterwerfen, die sich darüberhinaus zur Realisation auf Rechnersystemen eignen. Der vorliegende Bericht entstand im Rahmen eines solchen Projekts. Es wurden eine allumfassende Systementwurfssprache und die dazugehörigen Konzepte entwickelt, die sämtliche Entwurfsphasen und die wichtigsten -prinzipien zu unterstützen vermögen. Es liegen bereits zwei Arbeiten zu diesem Projekt vor. Sie stellen im wesentlichen neben der eigentlichen Definition der Systementwurfssprache zwei Entwicklungswerkzeuge vor, die auf einer einheitlichen Datenbasis operieren [GK-91, Kel-90]. Ein Bereich innerhalb der Forschungen ist die Wiederverwendung von Softwareentwürfen. Schon existierende Lösungen sollen bei der Entwicklung eines neuen Entwurfs durch Vergleich und Bewertung des Grades der Ähnlichkeit ausgewählt und dem Entwickler nutzbar gemacht werden. Dieser Bericht beschäftigt sich mit einem Kernpunkt der Wiederverwendung, dem Vergleich zweier Softwareentwürfe. Es werden zunächst grundsätzliche Konzepte ausgearbeitet, die den Ähnlichkeitsaspekt unter verschiedenen Gesichtspunkten charakterisieren. Daraufhin werden Algorithmen konstruiert, die verschiedenartige Vergleichsfunktionen realisieren und zu einer Gesamtfunktion kombinieren. Um zu einem späteren Zeitpunkt die Leistungsfähigkeit dieser
Funktionen in der Praxis untersuchen zu können, liegt darüberhinaus ein lauffähiges
Programm vor.
240
Neuronale Netze sind ein derzeit (wieder) aktuelles Thema. Trotz der oft eher schlagwortartigen
Verwendung dieses Begriffs beinhaltet er eine Vielfalt von Ideen, unterschiedlichste methodische
Ansätze und konkrete Anwendungsmöglichkeiten. Die grundlegenden Vorstellungen sind dabei nicht neu, sondern haben eine mitunter recht lange Tradition in angrenzenden Disziplinen wie Biologie, Kybernetik , Mathematik und Physik . Vielversprechende Forschungsergebnisse der letzten Zeit haben dieses Thema wieder in den Mittelpunkt des Interesses gerückt und eine Vielzahl neuer Querbezüge zur Informatik und Neurobiologie sowie zu anderen, auf den ersten Blick weit entfernten Gebieten offenbart. Gegenstand des Forschungsgebiets Neuronale Netze ist dabei die Untersuchung und Konstruktion informationsverarbeitender Systeme, die sich aus vielen mitunter nur sehr primitiven, uniformen Einheiten zusammensetzen und deren wesentliches Verarbeitungsprinzip die Kommunikation zwischen diesen Einheiten ist, d.h. die Übertragung von Nachrichten oder Signalen. Ein weiteres
Charakteristikum dieser Systeme ist die hochgradig parallele Verarbeitung von Information innerhalb
des Systems. Neben der Modellierung kognitiver Prozesse und dem Interesse, wie das menschliche Gehirn komplexe kognitive Leistungen vollbringt, ist über das rein wissenschaftliche Interesse hinaus in zunehmendem Maße auch der konkrete Einsatz neuronaler Netze in verschiedenen technischen Anwendungsgebieten zu sehen. Der vorliegende Report beinhaltet die schriftlichen Ausarbeitungen der Teilnehmerinnen des Seminars Theorie und Praxis neuronaler Netze , das von der Arbeitsgruppe Richter im Sommersemester 1993 an der Universität Kaiserslautern veranstaltet wurde. Besonderer Wert wurde darauf gelegt, nicht nur die theoretischen Grundlagen neuronaler Netze zu behandeln, sondern auch deren Einsatz in der Praxis zu diskutieren. Die Themenauswahl spiegelt einen Teil des weiten Spektrums der Arbeiten auf diesem Gebiet wider. Ein Anspruch auf Vollständigkeit kann daher nicht erhoben werden. Insbesondere sei darauf verwiesen, daß für eine intensive, vertiefende Beschäftigung mit einem Thema auf die jeweiligen Originalarbeiten zurückgegriffen werden sollte. Ohne die Mitarbeit der Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Seminars wäre dieser Report nicht möglich gewesen. Wir bedanken uns daher bei Frank Hauptmann, Peter Conrad, Christoph Keller, Martin Buch, Philip Ziegler, Frank Leidermann, Martin Kronenburg, Michael Dieterich, Ulrike Becker, Christoph Krome, Susanne Meyfarth , Markus Schmitz, Kenan Çarki, Oliver Schweikart, Michael Schick und Ralf Comes.
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Temporal stratifizierte Programme sind spezielle Logik-Programme auf der Grundlage einer linearen, temporalen Aussagenlogik, mit denen zustandsendliche reaktive Systeme spezifiziert werden können. Dabei wird die Umgebung eines zu implementierenden Steuerungsprogrammes durch eine Menge von PROLOG-ähnlichen Programmklauseln beschrieben; zusätzlich wird eine Sicherheitsbedingung angegeben, die in dem System gelten soll. Die Sprache ist so gestaltet, daß sie für resolutionsbasierte Verfahren zur Verifikation und Synthese von Steuerungsprogrammen geeignet ist. Wir zeigen, daß temporal stratifizierte Programme in ihrer Ausdrucksmächtigkeit endlichen Automaten gleichkommen.
258
Die dreidimensionale Darstellung hybrider Datensätze hat sich in den letzten Jahren als
ein wichtiger Teilbereich der wissenschaftlichen Visualisierung etabliert. Hybride Datensätze enthalten sowohl diskrete Volumendaten als auch durch geometrische Primitive
definierte Objekte. Bei der visuellen Verarbeitung einer gegebenen Szene spielen Schatteninformationen eine wichtige Rolle, indem sie die Beziehungen von Objekten untereinander verständlich machen. Wir beschreiben ein einfaches Verfahren zur Berechnung von Schatteninformation, das in ein bestehendes System zur Visualisierung hybrider Datensätze integriert wurde. An einem Beispiel aus der klinischen Anwendung werden die Ergebnisse illustriert.
256
Software-Projekte bestehen aus einer Vielzahl von Teilaufgaben, die durch komplexe Wechselbeziehungen miteinander verknüpft sind. Systematische Unterstützung bei der Durchführung von Software-Projekten erfordert deshalb nicht nur die isolierte Unterstützung einzelner Teilaufgaben, sondern insbesondere der Wechselbeziehungen. Außerdem müssen Aktivitäten des Messens und Bewertens durchgeführt werden, um quantitative Aussagen über Produkte und Prozesse ableiten zu können. Ziel des MVP-Projekts (Multi-View Process modeling) ist es, derartige integrierte Unterstützung auf der Basis meßbarer Projektpläne zur Verfügung zu stellen. Projektpläne setzen sich dabei unter anderem aus Prozeß-, Produkt-, Ressourcen- und Qualitätsmodellen zusammen. Meßansätze werden nicht nur zur systematischen Unterstützung von Projekten, sondern auch zur Verbesserung existierender Prozeß-, Produkt-, Ressource- und Qualitätsmodelle aufgrund 'gemessener' Erfahrungswerte verwendet. Die Benutzer des MVP-Entwicklungssystems (MVP-S) werden durch ihre Rollen im Rahmen eines Projekts charakterisiert werden können. Es wird beschrieben, wie Rollen das MVP-System nutzen können. Dies geschieht entweder durch direkte Repräsentation ihrer Aufgaben als Prozesse oder indem die im Projektplan repräsentierte Information ausgewertet und präsentiert wird; entsprechend bezeichnen wir eine Rolle als "zustandsverändernd" oder als "zustandserfragend". Um diese Rollen zu unterstützen, existieren unterschiedliche Möglichkeiten abhängig vom Grad der Automatisierung. Es werden beispielhaft drei Stufen aufgezeigt. Anschließend wird die Realisierung einer prototypischen, qualitätsorientierten, prozeßsensitiven Software-Entwicklungsumgebung diskutiert. Zum Abschluß wird auf gegenwärtige und zukünftige Forschungsfragen im Rahmen des MVP-Projekts eingegangen.
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Skelettbasierte implizite Flächen haben aufgrund ihrer Fähigkeit, durch automatisches Verschmelzen aus wenigen, einfachen Primitiven komplexe Strukturen zu formen, für Modellierung, Visualisierung und Animation zunehmend an Bedeutung gewonnen. Eine wesentliche Schwierigkeit beim Einsatz impliziter Flächen ist nach wie vor eine effiziente Visualisierung der resultierenden Objekte. In der vorliegenden
Arbeit werden die grundlegenden Ideen einer Methode zur partikelgestützten Triangulierung skelettbasierter impliziter Flächen beschrieben, die die Vorteile einer partikelgestützten Abtastung
impliziter Flächen mit der polygonalen Darstellung durch Dreiecke kombiniert. Der Algorithmus ist in der Lage, effizient auf dynamische Veränderungen der Gestalt sowie das Auseinanderreißen nicht allzu
komplexer implizit gegebener Objekte zu reagieren. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Triangulierung krümmungsadaptiv zu gestalten, um bei gleichbleibender Darstellungsqualität eine Reduktion der Dreiecksanzahl zu erreichen.
236
In den Modellierungssystemen des CAD/CAM werden oft unterschiedliche Methoden zur mathematischen Beschreibung von Freiformkurven und -flächen eingesetzt. Als Basisfunktionen können sowohl Monome, Bernstein-Polynome, B-Spline-Basisfunktionen als auch nicht lineare Funktionen auftreten. In den einzelnen CAD-Systemen kann der maximal zulässige Grad dieser Basisfunktionen variieren. Müssen nun Daten zwischen verschiedenen CAD-Systemen ausgetauscht werden, so muß u. U. eine Basistransformation
und/oder eine Gradanpassung durchgeführt werden. Diese Transformationen sind i.a. nicht exakt möglich. Hier sind geeignete, möglichst optimale Approximationen nötig. Bisher wurden verschiedene Verfahren entwickelt. Das älteste geht zurück auf Forrest [Forr72]. Farin [FAR90] invertiert den Prozeß der Graderhöhung. Watkins und Worsey [Wat88] sowie Lachance [Lach88] reduzieren den Polynomgrad in der Tschebyscheff-Basis. Hoschek et al. [Hos89] sowie Plass und Stone [Plas83] approximieren die Kurve bzw. Fläche punktweise. Dadurch lassen sich alle Kurven- und Flächenrepräsentationen durch eine Bézier-Darstellung approximieren. Ein Approximationsfehler kann jedoch auch nur punktweise garantiert werden. Durch einen anschließenden Parameteriterationsprozeß läßt sich eine weitere Approximationsverbesserung erzielen. Eine solche Parameterkorrektur ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn die Parametrisierung der Approximationskurve bzw. -fläche frei gewählt werden kann. In Fällen, in denen die Funktionswerte dei; zu approximierenden Flächen bzgl. ihrer Parameterwerte mit anderen Flächen korrespondieren, darf keine Parameteränderung durchgeführt werden, wie z.B. bei der Approximation sogenannter Eigenschaftsflächen, die eine bestimmte Eigenschaft einer anderen Fläche, wie etwa die Gausskrümmung oder die Normalenrichtung darstellen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur optimalen Gradreduktion von Bézierkurven und -flächen vorgestellt. Damit eine \(C^0\)-stetige Approximation innerhalb einer vom Benutzer vorgegebenen Fehlertoleranz durchgeführt werden kann, muß die Approximation mindestens eine Berührordnung ersten Grades mit der Originalkurve bzw. -fläche aufweisen. Mit Hilfe arithmetischer Operationen auf Bézierdarstellungen [Faro88], [Schr92] werden lineare Gleichungssysteme für eine optimale Belegung der freien Parameter aufgestellt, sowie eine Fehlerkurve bzw. -fläche in Bézierform berechnet, um die Einhaltung einer Fehlertoleranz zu gewährleisten.