Die Psychologie und andere empirische Wissenschaften befinden sich in einer Krise, da vielen Forschenden bewusst geworden ist, dass viele Erkenntnisse nicht so stark empirisch gestützt sind, wie sie einst glaubten. Es wurden mehrere Ursachen dieser Krise vorgeschlagen: Missbrauch statistischer Methoden, soziologische Verzerrungen und schwache Theorien. In dieser Dissertation gehe ich davon aus, dass ungenaue Theorien unvermeidlich sind, diese aber mithilfe von Induktion einer empirischen Prüfung unterzogen werden können. Anhand von Daten können Theorien ergänzt werden, sodass präzise Vorhersagen möglich sind, die sich mit der Realität vergleichen lassen. Eine solche Strategie ist jedoch mit Kosten verbunden. Induktion ist daher zwar notwendig, aber führt zu einem übermäßigen Vertrauen in empirische Befunde. Um empirische Ergebnisse adäquat zu bewerten, muss diese Verzerrung berücksichtigt werden. Das Ausmaß der Verzerrung hängt von den Eigenschaften des induktiven Prozesses ab. Einige induktive Prozesse können vollständig transparent gemacht werden, sodass ihre Verzerrung angemessen berücksichtigt werden kann. Ich zeige, dass dies bei Induktion der Fall ist, die beliebig mit anderen Daten wiederholt werden kann, was die Bedeutung von computergestützter Reproduzierbarkeit unterstreicht. Induktion, die die Forschenden und ihr kognitives Modell einbezieht, kann nicht beliebig wiederholt werden; daher kann die Verzerrung durch Induktion nur mit Unsicherheit beurteilt werden. Ich schlage vor, dass die Verringerung dieser Unsicherheit das Ziel von Präregistrierung sein sollte. Nachdem ich die Ziele von Reproduzierbarkeit und Präregistrierung unter dem Gesichtspunkt der Transparenz über Induktion präzisiert habe, gebe ich in den wissenschaftlichen Artikeln, die als Teil der Dissertation veröffentlicht wurden, Empfehlungen für die praktische Umsetzung beider Verfahren. / Psychology and other empirical sciences are in the middle of a crisis, as many researchers have become aware that many findings do not have as much empirical support as they once believed. Several causes of this crisis have been suggested: misuse of statistical methods, sociological biases, and weak theories. This dissertation proposes the following rationale: to some extent, imprecise theories are unavoidable, but they still can be subjected to an empirical test by employing induction. Data may be used to amend theories, allowing precise predictions that can be compared to reality. However, such a strategy comes at a cost. While induction is necessary, it causes overconfidence in empirical findings. When assessing findings, this overconfidence must be taken into account. The extent of the overconfidence depends on the properties of the inductive process. Some inductive processes can be made fully transparent, so their bias can be accounted for appropriately. I show that this is the case for induction that can be repeated at will on other data, highlighting the importance of computational reproducibility. Induction involving the researcher and their cognitive model can not be repeated; hence, the extent of overconfidence must be judged with uncertainty. I propose that reducing this uncertainty should be the objective of preregistration. Having explicated the goals of computational reproducibility and preregistration from a perspective of transparency about induction in the synopsis, I put forward recommendations for the practice of both in the articles published as part of this dissertation.

Einzelzell-Omics-Daten stehen derzeit im Fokus der Entwicklung computergestützter Methoden in der Molekularbiologie und Genetik. Einzelzellexperimenten lieferen dünnbesetzte, hochdimensionale Daten über zehntausende Gene oder hunderttausende regulatorische Regionen in zehntausenden Zellen. Diese Daten bieten den Forschenden die Möglichkeit, Gene und regulatorische Regionen zu identifizieren, welche die Bestimmung und Aufrechterhaltung der Zellidentität koordinieren. Die gängigste Strategie zur Identifizierung von Zellidentitätsmarkern besteht darin, die Zellen zu clustern und dann Merkmale zu finden, welche die Cluster unterscheiden, wobei davon ausgegangen wird, dass die Zellen innerhalb eines Clusters die gleiche Identität haben. Diese Annahme ist jedoch nicht immer zutreffend, insbesondere nicht für Entwicklungsdaten bei denen sich die Zellen in einem Kontinuum befinden und die Definition von Clustergrenzen biologisch gesehen potenziell willkürlich ist. Daher befasst sich diese Dissertation mit Clustering-unabhängigen Strategien zur Identifizierung von Markern aus Einzelzell-Omics-Daten. Der wichtigste Beitrag dieser Dissertation ist SEMITONES, eine auf linearer Regression basierende Methode zur Identifizierung von Markern. SEMITONES identifiziert (Gruppen von) Markern aus verschiedenen Arten von Einzelzell-Omics-Daten, identifiziert neue Marker und übertrifft bestehende Marker-Identifizierungsansätze. Außerdem ermöglicht die Identifizierung von regulatorischen Markerregionen durch SEMITONES neue Hypothesen über die Regulierung der Genexpression während dem Erwerb der Zellidentität. Schließlich beschreibt die Dissertation einen Ansatz zur Identifizierung neuer Markergene für sehr ähnliche, dennoch underschiedliche neurale Vorlauferzellen im zentralen Nervensystem von Drosphila melanogaster. Ingesamt zeigt die Dissertation, wie Cluster-unabhängige Ansätze zur Aufklärung bisher uncharakterisierter biologischer Phänome aus Einzelzell-Omics-Daten beitragen. / Single-cell omics approaches are the current frontier of computational method development in molecular biology and genetics. A single single-cell experiment provides sparse, high-dimensional data on tens of thousands of genes or hundreds of thousands of regulatory regions (i.e. features) in tens of thousands of cells (i.e. samples). This data provides researchers with an unprecedented opportunity to identify those genes and regulatory regions that determine and coordinate cell identity acquisition and maintenance. The most common strategy for identifying cell identity markers consists of clustering the cells and then identifying differential features between these clusters, assuming that cells within a cluster share the same identity. This assumption is, however, not guaranteed to hold, particularly for developmental data where cells lie along a continuum and inferring cluster boundaries becomes non-trivial and potentially biologically arbitrary. In response, this thesis presents clustering-independent strategies for marker feature identification from single-cell omics data. The primary contribution of this thesis is a linear regression-based method for marker feature identification from single-cell omics data called SEMITONES. SEMITONES can identify markers or marker sets from diverse single-cell omics data types, identifies novel markers, outperforms existing marker identification approaches. The thesis also describes how the identification of marker regulatory regions by SEMITONES enables the generation of novel hypotheses regarding gene regulation during cell identity acquisition. Lastly, the thesis describes the clustering-independent identification of novel marker genes for highly similar yet distinct neural progenitor cells in the Drosophila melanogaster central nervous system. Altogether, the thesis demonstrates how clustering-independent approaches aid the elucidation of yet uncharacterised biological patterns from single cell-omics data.

Der technologische Fortschritt im Bereich multimedialer Sensorik und zugehörigen Methoden zur Datenaufzeichnung, Datenhaltung und -verarbeitung führt im Big Data-Umfeld zu immensen Datenbeständen in Mediatheken und Wissensmanagementsystemen. Zugrundliegende State of the Art-Verarbeitungsalgorithmen werden oftmals problemorientiert entwickelt. Aufgrund der enormen Datenmengen lassen sich nur bedingt zuverlässig Rückschlüsse auf Güte und Anwendbarkeit ziehen. So gestaltet sich auch die intellektuelle Erschließung von großen Korpora schwierig, da die Datenmenge für valide Aussagen nahezu vollumfänglich semi-intellektuell zu prüfen wäre, was spezifisches Fachwissen aus der zugrundeliegenden Datendomäne ebenso voraussetzt wie zugehöriges Verständnis für Datenhandling und Klassifikationsprozesse. Ferner gehen damit gesonderte Anforderungen an Hard- und Software einher, welche in der Regel suboptimal skalieren, da diese zumeist auf Multi-Kern-Rechnern entwickelt und ausgeführt werden, ohne dabei eine notwendige Verteilung vorzusehen. Folglich fehlen Mechanismen, um die Übertragbarkeit der Verfahren auf andere Anwendungsdomänen zu gewährleisten. Die vorliegende Arbeit nimmt sich diesen Herausforderungen an und fokussiert auf die Konzeptionierung und Entwicklung einer verteilten holistischen Infrastruktur, die die automatisierte Verarbeitung multimedialer Daten im Sinne der Merkmalsextraktion, Datenfusion und Metadatensuche innerhalb eines homogenen Systems ermöglicht. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt in der Konzeptionierung und Entwicklung einer verteilten holistischen Infrastruktur, die die automatisierte Verarbeitung multimedialer Daten im Sinne der Merkmalsextraktion, Datenfusion und Metadatensuche innerhalb eines homogenen aber zugleich verteilten Systems ermöglicht. Dabei sind Ansätze aus den Domänen des Maschinellen Lernens, der Verteilten Systeme, des Datenmanagements und der Virtualisierung zielführend miteinander zu verknüpfen, um auf große Datenmengen angewendet, evaluiert und optimiert werden zu können. Diesbezüglich sind insbesondere aktuelle Technologien und Frameworks zur Detektion von Mustern zu analysieren und einer Leistungsbewertung zu unterziehen, so dass ein Kriterienkatalog ableitbar ist. Die so ermittelten Kriterien bilden die Grundlage für eine Anforderungsanalyse und die Konzeptionierung der notwendigen Infrastruktur. Diese Architektur bildet die Grundlage für Experimente im Big Data-Umfeld in kontextspezifischen Anwendungsfällen aus wissenschaftlichen Evaluationskampagnen, wie beispielsweise TRECVid. Hierzu wird die generische Applizierbarkeit in den beiden Aufgabenfeldern Instance Search und Activity in Extended Videos eruiert.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Motivation 2 Methoden und Strategien 3 Systemarchitektur 4 Instance Search 5 Activities in Extended Video 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis / Technological advances in the field of multimedia sensing and related methods for data acquisition, storage, and processing are leading to immense amounts of data in media libraries and knowledge management systems in the Big Data environment. The underlying modern processing algorithms are often developed in a problem-oriented manner. Due to the enormous amounts of data, reliable statements about quality and applicability can only be made to a limited extent. Thus, the intellectual exploitation of large corpora is also difficult, as the data volume would have to be analyzed for valid statements, which requires specific expertise from the underlying data domain as well as a corresponding understanding of data handling and classification processes. In addition, there are separate requirements for hardware and software, which usually scale in a suboptimal manner while being developed and executed on multicore computers without provision for the required distribution. Consequently, there is a lack of mechanisms to ensure the transferability of the methods to other application domains. The focus of this work is the design and development of a distributed holistic infrastructure that enables the automated processing of multimedia data in terms of feature extraction, data fusion, and metadata search within a homogeneous and simultaneously distributed system. In this context, approaches from the areas of machine learning, distributed systems, data management, and virtualization are combined in order to be applicable on to large data sets followed by evaluation and optimization procedures. In particular, current technologies and frameworks for pattern recognition are to be analyzed and subjected to a performance evaluation so that a catalog of criteria can be derived. The criteria identified in this way form the basis for a requirements analysis and the conceptual design of the infrastructure required. This architecture builds the base for experiments in the Big Data environment in context-specific use cases from scientific evaluation campaigns, such as TRECVid. For this purpose, the generic applicability in the two task areas Instance Search and Activity in Extended Videos is elicited.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Motivation 2 Methoden und Strategien 3 Systemarchitektur 4 Instance Search 5 Activities in Extended Video 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis

The Professorship of Digital Signal Processing and Circuit Technology of Chemnitz University of Technology conducts research in the field of three-dimensional space measurement with optical sensors. In recent years this field has made major progress. For example innovative, active techniques such as the “structured light“-principle are able to measure even homogeneous surfaces and find its way into the consumer electronic market in terms of Microsoft’s Kinect® at the present time. Furthermore, high-resolution optical sensors establish powerful, passive stereo vision systems in the field of indoor surveillance. Thereby they induce new application domains such as security and assistance systems for domestic environments. However, the constraint field of view can be still considered as an essential characteristic of all these technologies. For instance, in order to measure a volume in size of a living space, two to three deployed 3D sensors have to be applied nowadays. This is due to the fact that the commonly utilized perspective projection principle constrains the visible area to a field of view of approximately 120°. On the contrary, novel fish-eye lenses allow the realization of omnidirectional projection models. Therewith, the visible field of view can be enlarged up to more than 180°. In combination with a 3D measurement approach, thus, the number of required sensors for entire room coverage can be reduced considerably. Motivated by the requirements of the field of indoor surveillance, the present work focuses on the combination of the established stereo vision principle and omnidirectional projection methods. The entire 3D measurement of a living space by means of one single sensor can be considered as major objective. As a starting point for this thesis chapter 1 discusses the underlying requirement, referring to various relevant fields of application. Based on this, the distinct purpose for the present work is stated. The necessary mathematical foundations of computer vision are reflected in Chapter 2 subsequently. Based on the geometry of the optical imaging process, the projection characteristics of relevant principles are discussed and a generic method for modeling fish-eye cameras is selected. Chapter 3 deals with the extraction of depth information using classical (perceptively imaging) binocular stereo vision configurations. In addition to a complete recap of the processing chain, especially occurring measurement uncertainties are investigated. In the following, Chapter 4 addresses special methods to convert different projection models. The example of mapping an omnidirectional to a perspective projection is employed, in order to develop a method for accelerating this process and, hereby, for reducing the computational load associated therewith. Any errors that occur, as well as the necessary adjustment of image resolution, are an integral part of the investigation. As a practical example, an application for person tracking is utilized in order to demonstrate to which extend the usage of “virtual views“ can increase the recognition rate for people detectors in the context of omnidirectional monitoring. Subsequently, an extensive search with respect to omnidirectional imaging stereo vision techniques is conducted in chapter 5. It turns out that the complete 3D capture of a room is achievable by the generation of a hemispherical depth map. Therefore, three cameras have to be combined in order to form a trinocular stereo vision system. As a basis for further research, a known trinocular stereo vision method is selected. Furthermore, it is hypothesized that, applying a modified geometric constellation of cameras, more precisely in the form of an equilateral triangle, and using an alternative method to determine the depth map, the performance can be increased considerably. A novel method is presented, which shall require fewer operations to calculate the distance information and which is to avoid a computational costly step for depth map fusion as necessary in the comparative method. In order to evaluate the presented approach as well as the hypotheses, a hemispherical depth map is generated in Chapter 6 by means of the new method. Simulation results, based on artificially generated 3D space information and realistic system parameters, are presented and subjected to a subsequent error estimate. A demonstrator for generating real measurement information is introduced in Chapter 7. In addition, the methods that are applied for calibrating the system intrinsically as well as extrinsically are explained. It turns out that the calibration procedure utilized cannot estimate the extrinsic parameters sufficiently. Initial measurements present a hemispherical depth map and thus con.rm the operativeness of the concept, but also identify the drawbacks of the calibration used. The current implementation of the algorithm shows almost real-time behaviour. Finally, Chapter 8 summarizes the results obtained along the studies and discusses them in the context of comparable binocular and trinocular stereo vision approaches. For example the results of the simulations carried out produced a saving of up to 30% in terms of stereo correspondence operations in comparison with a referred trinocular method. Furthermore, the concept introduced allows the avoidance of a weighted averaging step for depth map fusion based on precision values that have to be calculated costly. The achievable accuracy is still comparable for both trinocular approaches. In summary, it can be stated that, in the context of the present thesis, a measurement system has been developed, which has great potential for future application fields in industry, security in public spaces as well as home environments.:Abstract 7 Zusammenfassung 11 Acronyms 27 Symbols 29 Acknowledgement 33 1 Introduction 35 1.1 Visual Surveillance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.2 Challenges in Visual Surveillance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.3 Outline of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2 Fundamentals of Computer Vision Geometry 43 2.1 Projective Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1.1 Euclidean Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1.2 Projective Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2 Camera Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.1 Geometrical Imaging Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.1.1 Projection Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.1.2 Intrinsic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.2.1.3 Extrinsic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.2.1.4 Distortion Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2.2 Pinhole Camera Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2.2.1 Complete Forward Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.2.2.2 Back Projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.2.3 Equiangular Camera Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.2.4 Generic Camera Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.2.4.1 Complete Forward Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2.4.2 Back Projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.3 Camera Calibration Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.3.1 Perspective Camera Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.3.2 Omnidirectional Camera Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.4 Two-View Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.4.1 Epipolar Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.4.2 The Fundamental Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.4.3 Epipolar Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3 Fundamentals of Stereo Vision 67 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.1.1 The Concept Stereo Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.1.2 Overview of a Stereo Vision Processing Chain . . . . . . . . . . . . 68 3.2 Stereo Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.2.1 Extrinsic Stereo Calibration With Respect to the Projective Error 70 3.3 Stereo Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.3.1 A Compact Algorithm for Rectification of Stereo Pairs . . . . . . . 73 3.4 Stereo Correspondence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4.1 Disparity Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4.2 The Correspondence Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.5 Triangulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.5.1 Depth Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.5.2 Range Field of Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.5.3 Measurement Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.5.4 Measurement Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.4.1 Quantization Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.5.4.2 Statistical Distribution of Quantization Errors . . . . . . 83 4 Virtual Cameras 87 4.1 Introduction and Related Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2 Omni to Perspective Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.2.1 Forward Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.2.2 Backward Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.2.3 Fast Backward Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.3 Error Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.4 Accuracy Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.4.1 Intrinsics of the Source Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.4.2 Intrinsics of the Target Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.4.3 Marginal Virtual Pixel Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.5 Performance Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.6 Virtual Perspective Views for Real-Time People Detection . . . . . . . . . 110 5 Omnidirectional Stereo Vision 113 5.1 Introduction and Related Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.1.1 Geometrical Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.1.1.1 H-Binocular Omni-Stereo with Panoramic Views . . . . . 117 5.1.1.2 V-Binocular Omnistereo with Panoramic Views . . . . . 119 5.1.1.3 Binocular Omnistereo with Hemispherical Views . . . . . 120 5.1.1.4 Trinocular Omnistereo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.1.1.5 Miscellaneous Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.2 Epipolar Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.2.1 Cylindrical Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.2.2 Epipolar Equi-Distance Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.2.3 Epipolar Stereographic Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.2.4 Comparison of Rectification Methods . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.3 A Novel Spherical Stereo Vision Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.3.1 Physical Omnidirectional Camera Configuration . . . . . . . . . . 131 5.3.2 Virtual Rectified Cameras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 6 A Novel Spherical Stereo Vision Algorithm 135 6.1 Matlab Simulation Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6.2 Extrinsic Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 6.3 Physical Camera Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 6.4 Virtual Camera Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 6.4.1 The Focal Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 6.4.2 Prediscussion of the Field of View . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 6.4.3 Marginal Virtual Pixel Sizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.4.4 Calculation of the Field of View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.4.5 Calculation of the Virtual Pixel Size Ratios . . . . . . . . . . . . . 143 6.4.6 Results of the Virtual Camera Parameters . . . . . . . . . . . . . . 144 6.5 Spherical Depth Map Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 6.5.1 Omnidirectional Imaging Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6.5.2 Rectification Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6.5.3 Rectified Depth Map Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.5.4 Spherical Depth Map Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 6.5.5 3D Reprojection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.6 Error Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 7 Stereo Vision Demonstrator 163 7.1 Physical System Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 7.2 System Calibration Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 7.2.1 Intrinsic Calibration of the Physical Cameras . . . . . . . . . . . . 165 7.2.2 Extrinsic Calibration of the Physical and the Virtual Cameras . . 166 7.2.2.1 Extrinsic Initialization of the Physical Cameras . . . . . 167 7.2.2.2 Extrinsic Initialization of the Virtual Cameras . . . . . . 167 7.2.2.3 Two-View Stereo Calibration and Rectification . . . . . . 167 7.2.2.4 Three-View Stereo Rectification . . . . . . . . . . . . . . 168 7.2.2.5 Extrinsic Calibration Results . . . . . . . . . . . . . . . . 169 7.3 Virtual Camera Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 7.4 Software Realization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 7.5 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 7.5.1 Qualitative Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 7.5.2 Performance Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 8 Discussion and Outlook 177 8.1 Discussion of the Current Results and Further Need for Research . . . . . 177 8.1.1 Assessment of the Geometrical Camera Configuration . . . . . . . 178 8.1.2 Assessment of the Depth Map Computation . . . . . . . . . . . . . 179 8.1.3 Assessment of the Depth Measurement Error . . . . . . . . . . . . 182 8.1.4 Assessment of the Spherical Stereo Vision Demonstrator . . . . . . 183 8.2 Review of the Different Approaches for Hemispherical Depth Map Generation184 8.2.1 Comparison of the Equilateral and the Right-Angled Three-View Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 8.2.2 Review of the Three-View Approach in Comparison with the Two- View Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 8.3 A Sample Algorithm for Human Behaviour Analysis . . . . . . . . . . . . 187 8.4 Closing Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 A Relevant Mathematics 191 A.1 Cross Product by Skew Symmetric Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 A.2 Derivation of the Quantization Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 A.3 Derivation of the Statistical Distribution of Quantization Errors . . . . . . 192 A.4 Approximation of the Quantization Error for Equiangular Geometry . . . 194 B Further Relevant Publications 197 B.1 H-Binocular Omnidirectional Stereo Vision with Panoramic Views . . . . 197 B.2 V-Binocular Omnidirectional Stereo Vision with Panoramic Views . . . . 198 B.3 Binocular Omnidirectional Stereo Vision with Hemispherical Views . . . . 200 B.4 Trinocular Omnidirectional Stereo Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 B.5 Miscellaneous Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Bibliography 209 List of Figures 223 List of Tables 229 Affidavit 231 Theses 233 Thesen 235 Curriculum Vitae 237

Web Systems are widely used and accepted due to their advantages over traditional desktop applications. Modernization of existing non-Web software towards the Web, however, is a complex and challenging task due to Legacy System characteristics. Independent Software Vendors are struggling to commence Web Migration because of the involved effort and risk. Through systematic field research and problem analysis, this situation is further analyzed, deriving a set of requirements that represent the effort and risk concerns and are used to assess the state of the art in the field. Existing Web Migration research exhibits gaps concerning dedicated approaches for the initial phase and feasibility of the proposed strategies with limited resources and expertise. This thesis proposes a solution to address the shortcomings above and support Independent Software Vendors to commence Web Migration, focusing on effort and risk. The main idea is to provide a set of dedicated solutions to close the identified gaps in the form of a methodology and a supporting toolsuite that transfer paradigms successfully solving similar problems in other areas of computer science into the Web Migration domain. These solutions constitute the proposed approach called Agile Web Migration for SMEs (AWSM), consisting of methods, tools, principles, and formalisms for reverse engineering, risk management, customer impact control, and migration strategy selection. The thesis describes the research on the devised ideas in the context of a collaboration project with an Independent Software Vendor. Applicability and feasibility of the concepts are demonstrated in several evaluation experiments, integrating empirical user studies and objective measurements. The thesis concludes with an evaluation based on requirements assessment and application of the solutions in the application scenario, and it provides an outlook towards future work.:1 Introduction 2 Requirements Analysis 3 State of the Art 4 Addressing Effort and Risk Concerns in Web Migration 5 AWSM Reverse Engineering Method 6 AWSM Risk Management Method 7 AWSM Customer Impact Control Method 8 Evaluation 9 Conclusion and Outlook / Web-basierte Software-Systeme werden weithin verwendet und akzeptiert aufgrund ihrer Vorteile gegenüber traditionellen Desktopanwendungen. Die Modernisierung von Nicht-Web-Software zu Web-Software stellt jedoch wegen der Charakteristika von Legacy-Systemen eine komplexe und herausfordernde Aufgabe dar. Unabhängigen Softwareproduzenten (Independent Software Vendors) fällt es schwer, Web Migration zu initiieren aufgrund des damit einhergehenden Aufwands und Risikos. Durch systematische Primärerhebungen und Problemanalyse wird diese Situation weitergehend untersucht und eine Reihe von Anforderungen abgeleitet, welche die Aufwands- und Riskobedenken repräsentieren und verwendet werden, um den Stand der Technik in diesem Gebiet zu bewerten. Existierende Web Migration Forschung weist Mängel hinsichtlich von dedizierten Ansätzen für die initiale Phase und der Machbarkeit der vorgeschlagenen Strategien mit begrenzten Ressourcen und begrenzter Expertise auf. Diese Dissertation schlägt eine Lösung für die oben ausgeführten Mängel vor, um unabhängige Softwareproduzenten bei der Initiierung einer Web Migration zu unterstützen, welche sich auf ihre Bedenken bezüglich des Aufwands und Risikos fokussiert. Die Grundidee ist es eine Sammlung von dedizierten Lösungen für die identifizierten Mängel in Form einer Methodologie und einer Reihe von unterstützenden Werkzeugen anzubieten, welche Paradigmen, die erfolgreich ähnliche Probleme in anderen Gebieten der Informatik lösen konnten, in die Web Migration Domäne transferieren. Diese Lösungen ergeben den vorgeschlagenen Ansatz, Agile Web Migration for SMEs (AWSM), welcher aus Methoden, Werkzeugen, Prinzipien und Formalismen für Reverse Engineering, Riskomanagement, Customer Impact Control und Migrationsstrategieauswahl bestehen. Die Dissertation beschreibt die Forschung an den im Rahmen einer Industriekooperation mit einem unabhängigen Softwareproduzenten entwickelten Ideen. Anwendbarkeit und Machbarkeit der Konzepte werden in mehreren Evaluationsexperimenten, welche empirische Nutzerstudien mit objektiven Messungen verbinden, demonstriert. Die Dissertation schließt mit einer bewertenden Evaluation basierend auf den Anforderungen und auf dem Einsatz der Lösungen im Anwendungsszenario, sowie einem Ausblick auf weiterführende Arbeiten.:1 Introduction 2 Requirements Analysis 3 State of the Art 4 Addressing Effort and Risk Concerns in Web Migration 5 AWSM Reverse Engineering Method 6 AWSM Risk Management Method 7 AWSM Customer Impact Control Method 8 Evaluation 9 Conclusion and Outlook

Das Thema Information Retrieval hat insbesondere in Form von Internetsuchmaschinen eine große Bedeutung erlangt. Retrievalsysteme werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Rechercheszenarien eingesetzt, unter anderem für firmeninterne Supportdatenbanken, aber auch für die Organisation persönlicher E-Mails. Eine aktuelle Herausforderung besteht in der Bestimmung und Vorhersage der Leistungsfähigkeit einzelner Komponenten dieser Retrievalsysteme, insbesondere der komplexen Wechselwirkungen zwischen ihnen. Für die Implementierung und Konfiguration der Retrievalsysteme und der Retrievalkomponenten werden Fachleute benötigt. Mithilfe der webbasierten Lernanwendung Xtrieval Web Lab können Studierende praktisches Wissen über den Information Retrieval Prozess erwerben, indem sie Retrievalkomponenten zu einem Retrievalsystem zusammenstellen und evaluieren, ohne dafür eine Programmiersprache einsetzen zu müssen. Spielemechaniken leiten die Studierenden bei ihrem Entdeckungsprozess an, motivieren sie und verhindern eine Informationsüberladung durch eine Aufteilung der Lerninhalte. / Information retrieval has achieved great significance in form of search engines for the Internet. Retrieval systems are used in a variety of research scenarios, including corporate support databases, but also for the organization of personal emails. A current challenge is to determine and predict the performance of individual components of these retrieval systems, in particular the complex interactions between them. For the implementation and configuration of retrieval systems and retrieval components professionals are needed. By using the web-based learning application Xtrieval Web Lab students can gain practical knowledge about the information retrieval process by arranging retrieval components in a retrieval system and their evaluation without using a programming language. Game mechanics guide the students in their discovery process, motivate them and prevent information overload by a partition of the learning content.

Die Recurrence Quantification Analysis (RQA) ist eine Methode aus der nicht-linearen Zeitreihenanalyse. Im Mittelpunkt dieser Methode steht die Auswertung des Inhalts sogenannter Rekurrenzmatrizen. Bestehende Berechnungsansätze zur Durchführung der RQA können entweder nur Zeitreihen bis zu einer bestimmten Länge verarbeiten oder benötigen viel Zeit zur Analyse von sehr langen Zeitreihen. Diese Dissertation stellt die sogenannte skalierbare Rekurrenzanalyse (SRA) vor. Sie ist ein neuartiger Berechnungsansatz, der eine gegebene Rekurrenzmatrix in mehrere Submatrizen unterteilt. Jede Submatrix wird von einem Berechnungsgerät in massiv-paralleler Art und Weise untersucht. Dieser Ansatz wird unter Verwendung der OpenCL-Schnittstelle umgesetzt. Anhand mehrerer Experimente wird demonstriert, dass SRA massive Leistungssteigerungen im Vergleich zu existierenden Berechnungsansätzen insbesondere durch den Einsatz von Grafikkarten ermöglicht. Die Dissertation enthält eine ausführliche Evaluation, die den Einfluss der Anwendung mehrerer Datenbankkonzepte, wie z.B. die Repräsentation der Eingangsdaten, auf die RQA-Verarbeitungskette analysiert. Es wird untersucht, inwiefern unterschiedliche Ausprägungen dieser Konzepte Einfluss auf die Effizienz der Analyse auf verschiedenen Berechnungsgeräten haben. Abschließend wird ein automatischer Optimierungsansatz vorgestellt, der performante RQA-Implementierungen für ein gegebenes Analyseszenario in Kombination mit einer Hardware-Plattform dynamisch bestimmt. Neben anderen Aspekten werden drastische Effizienzgewinne durch den Einsatz des Optimierungsansatzes aufgezeigt. / Recurrence quantification analysis (RQA) is a method from nonlinear time series analysis. It relies on the identification of line structures within so-called recurrence matrices and comprises a set of scalar measures. Existing computing approaches to RQA are either not capable of processing recurrence matrices exceeding a certain size or suffer from long runtimes considering time series that contain hundreds of thousands of data points. This thesis introduces scalable recurrence analysis (SRA), which is an alternative computing approach that subdivides a recurrence matrix into multiple sub matrices. Each sub matrix is processed individually in a massively parallel manner by a single compute device. This is implemented exemplarily using the OpenCL framework. It is shown that this approach delivers considerable performance improvements in comparison to state-of-the-art RQA software by exploiting the computing capabilities of many-core hardware architectures, in particular graphics cards. The usage of OpenCL allows to execute identical SRA implementations on a variety of hardware platforms having different architectural properties. An extensive evaluation analyses the impact of applying concepts from database technology, such memory storage layouts, to the RQA processing pipeline. It is investigated how different realisations of these concepts affect the performance of the computations on different types of compute devices. Finally, an approach based on automatic performance tuning is introduced that automatically selects well-performing RQA implementations for a given analytical scenario on specific computing hardware. Among others, it is demonstrated that the customised auto-tuning approach allows to considerably increase the efficiency of the processing by adapting the implementation selection.

Mit dem Wandel des Internets zu einer universellen Softwareplattform sind die Möglichkeiten und Fähigkeiten von Webanwendungen zwar rasant gestiegen. Gleichzeitig gestaltet sich ihre Entwicklung jedoch zunehmend aufwändig und komplex, was dem Wunsch nach immer kürzeren Entwicklungszyklen für möglichst situative, bedarfsgerechte Lösungen entgegensteht. Bestehende Ansätze aus Forschung und Technik, insbesondere im Umfeld der serviceorientierten Architekturen und Mashups, werden diesen Problemen bislang nicht ausreichend gerecht. Deshalb werden in dieser Dissertation neue Konzepte für die modellgetriebene Entwicklung und Bereitstellung von Webanwendungen vorgestellt. Die zugrunde liegende Idee besteht darin, das Paradigma der Serviceorientierung auf die Präsentationsebene zu erweitern. So sollen erstmals – neben Daten- und Geschäftslogik – auch Teile der Anwendungsoberfläche in Form wiederverwendbarer Komponenten über Dienste bereitgestellt werden. Anwendungen sollen somit über alle Anwendungsebenen hinweg nach einheitlichen Prinzipien „komponiert“ werden können. Den ersten Schwerpunkt der Arbeit bilden die entsprechenden universellen Modellierungskonzepte für Komponenten und Kompositionen. Sie erlauben u. a. die plattformunabhängige Beschreibung von Anwendungen als Komposition der o. g. Komponenten. Durch die Abstraktion und entsprechende Autorenwerkzeuge wird die Entwicklung so auch für Domänenexperten bzw. Nicht-Programmierer möglich. Der zweite Schwerpunkt liegt auf dem kontextadaptiven Integrationsprozess von Komponenten und der zugehörigen, serviceorientierten Referenzarchitektur. Sie ermöglichen die dynamische Suche, Bindung und Konfiguration von Komponenten, d. h. auf Basis der o. g. Abstraktionen können genau die Anwendungskomponenten geladen und ausgeführt werden, die für den vorliegenden Nutzer-, Nutzungs- und Endgerätekontext am geeignetsten sind. Der dritte Schwerpunkt adressiert die Kontextadaptivität der kompositen Anwendungen in Form von Konzepten zur aspektorientierten Definition von adaptivem Verhalten im Modell und dessen Umsetzung zur Laufzeit. In Abhängigkeit von Kontextänderungen können so Rekonfigurationen von Komponenten, ihr Austausch oder Veränderungen an der Komposition, z.B. am Layout oder dem Datenfluss, automatisch durchgesetzt werden. Alle vorgestellten Konzepte wurden durch prototypische Implementierungen praktisch untermauert. Anhand diverser Anwendungsbeispiele konnten ihre Validität und Praktikabilität – von der Modellierung im Autorenwerkzeug bis zur Ausführung und dynamischen Anpassung – nachgewiesen werden. Die vorliegende Dissertation liefert folglich eine Antwort auf die Frage, wie zukünftige Web- bzw. Mashup-Anwendungen zeit- und kostengünstig entwickelt sowie zuverlässig und performant ausgeführt werden können. Die geschaffenen Konzepte bilden gleichermaßen die Grundlage für eine Vielzahl an Folgearbeiten.

The Professorship of Digital Signal Processing and Circuit Technology of Chemnitz University of Technology conducts research in the field of three-dimensional space measurement with optical sensors. In recent years this field has made major progress. For example innovative, active techniques such as the “structured light“-principle are able to measure even homogeneous surfaces and find its way into the consumer electronic market in terms of Microsoft’s Kinect® at the present time. Furthermore, high-resolution optical sensors establish powerful, passive stereo vision systems in the field of indoor surveillance. Thereby they induce new application domains such as security and assistance systems for domestic environments. However, the constraint field of view can be still considered as an essential characteristic of all these technologies. For instance, in order to measure a volume in size of a living space, two to three deployed 3D sensors have to be applied nowadays. This is due to the fact that the commonly utilized perspective projection principle constrains the visible area to a field of view of approximately 120°. On the contrary, novel fish-eye lenses allow the realization of omnidirectional projection models. Therewith, the visible field of view can be enlarged up to more than 180°. In combination with a 3D measurement approach, thus, the number of required sensors for entire room coverage can be reduced considerably. Motivated by the requirements of the field of indoor surveillance, the present work focuses on the combination of the established stereo vision principle and omnidirectional projection methods. The entire 3D measurement of a living space by means of one single sensor can be considered as major objective. As a starting point for this thesis chapter 1 discusses the underlying requirement, referring to various relevant fields of application. Based on this, the distinct purpose for the present work is stated. The necessary mathematical foundations of computer vision are reflected in Chapter 2 subsequently. Based on the geometry of the optical imaging process, the projection characteristics of relevant principles are discussed and a generic method for modeling fish-eye cameras is selected. Chapter 3 deals with the extraction of depth information using classical (perceptively imaging) binocular stereo vision configurations. In addition to a complete recap of the processing chain, especially occurring measurement uncertainties are investigated. In the following, Chapter 4 addresses special methods to convert different projection models. The example of mapping an omnidirectional to a perspective projection is employed, in order to develop a method for accelerating this process and, hereby, for reducing the computational load associated therewith. Any errors that occur, as well as the necessary adjustment of image resolution, are an integral part of the investigation. As a practical example, an application for person tracking is utilized in order to demonstrate to which extend the usage of “virtual views“ can increase the recognition rate for people detectors in the context of omnidirectional monitoring. Subsequently, an extensive search with respect to omnidirectional imaging stereo vision techniques is conducted in chapter 5. It turns out that the complete 3D capture of a room is achievable by the generation of a hemispherical depth map. Therefore, three cameras have to be combined in order to form a trinocular stereo vision system. As a basis for further research, a known trinocular stereo vision method is selected. Furthermore, it is hypothesized that, applying a modified geometric constellation of cameras, more precisely in the form of an equilateral triangle, and using an alternative method to determine the depth map, the performance can be increased considerably. A novel method is presented, which shall require fewer operations to calculate the distance information and which is to avoid a computational costly step for depth map fusion as necessary in the comparative method. In order to evaluate the presented approach as well as the hypotheses, a hemispherical depth map is generated in Chapter 6 by means of the new method. Simulation results, based on artificially generated 3D space information and realistic system parameters, are presented and subjected to a subsequent error estimate. A demonstrator for generating real measurement information is introduced in Chapter 7. In addition, the methods that are applied for calibrating the system intrinsically as well as extrinsically are explained. It turns out that the calibration procedure utilized cannot estimate the extrinsic parameters sufficiently. Initial measurements present a hemispherical depth map and thus con.rm the operativeness of the concept, but also identify the drawbacks of the calibration used. The current implementation of the algorithm shows almost real-time behaviour. Finally, Chapter 8 summarizes the results obtained along the studies and discusses them in the context of comparable binocular and trinocular stereo vision approaches. For example the results of the simulations carried out produced a saving of up to 30% in terms of stereo correspondence operations in comparison with a referred trinocular method. Furthermore, the concept introduced allows the avoidance of a weighted averaging step for depth map fusion based on precision values that have to be calculated costly. The achievable accuracy is still comparable for both trinocular approaches. In summary, it can be stated that, in the context of the present thesis, a measurement system has been developed, which has great potential for future application fields in industry, security in public spaces as well as home environments.

The benefits of Model-Driven Software Development (MDSD) and Domain-Specific Languages (DSLs) wrt. efficiency and quality in software engineering increase the demand for custom languages and the need for efficient methods for language engineering. This motivated the introduction of language families that aim at further reducing the development costs and the maintenance effort for custom languages. The basic idea is to exploit the commonalities and provide means to enable systematic variation among a set of related languages. Current techniques and methodologies for language engineering are not prepared to deal with the particular challenges of language families. First, language engineering processes lack means for a systematic analysis, specification and management of variability as found in language families. Second, technical approaches for a modular specification and realisation of languages suffer from insufficient modularity properties. They lack means for information hiding, for explicit module interfaces, for loose coupling, and for flexible module integration. Our first contribution, Feature-Oriented Language Family Engineering (LFE), adapts methods from Software Product Line Engineering to the domain of language engineering. It extends Feature-Oriented Software Development to support metamodelling approaches used for language engineering and replaces state-of-the-art processes by a variability- and reuse-oriented LFE process. Feature-oriented techniques are used as means for systematic variability analysis, variability management, language variant specification, and the automatic derivation of custom language variants. Our second contribution, Integrative Role-Based Language Composition, extends existing metamodelling approaches with roles. Role models introduce enhanced modularity for object-oriented specifications like abstract syntax metamodels. We introduce a role-based language for the specification of language components, a role-based composition language, and an extensible composition system to evaluate role-based language composition programs. The composition system introduces integrative, grey-box composition techniques for language syntax and semantics that realise the statics and dynamics of role composition, respectively. To evaluate the introduced approaches and to show their applicability, we apply them in three major case studies. First, we use feature-oriented LFE to implement a language family for the ontology language OWL. Second, we employ role-based language composition to realise a component-based version of the language OCL. Third, we apply both approaches in combination for the development of SumUp, a family of languages for mathematical equations.