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Description: Was Komplexität ist, weiß niemand so richtig. In vielen Wissenschaftsgebieten wird der Begriff Komplexität verwendet, überall mit etwas anderer Bedeutung. Mathematik und Informatik hab en eine eigene Theorie hierzu entwickelt: die Komplexitätstheorie. Sie stellt zwar grundlegende Begriffe bereit, aber leider sind die meisten wichtigen Fragestellungen noch ungelöst. Diese kurze Einführung konzentriert sich auf einen speziellen, aber bedeutenden Aspekt der Theorie: Lösbarkeit von Problemen in deterministischer und nichtdeterministischer polynomialer Zeit. Hinter der für Uneingeweihte etwas kryptischen Frage "P = NP?" verbirgt sich das derzeit wichtigste Problem der Komplexitätstheorie. Anhand dieser Fragestellung werden einige Aspekte der Theorie erläutert und formell erklärt, was "P = NP?" bedeutet. Es geht nicht nur um komplizierte algorithmische Mathematik und Informatik, sondern um grundsätzliche Fragen unserer Lebensumwelt. Kann man vielleicht beweisen, dass es für viele Probleme unseres Alltags keine effizienten Lösungsmethoden gibt?

Description: Die Functional Requirements for Bibliographic Records, kurz FRBR, sind eine Empfehlung der International Federation of Library Associations and Institutions (IFLA) von 1998 zur Neustrukturierung von Bibliothekskatalogen. Mit den FRBR wird ein logisches Denkmodell für bibliografische Beschreibungen vorgelegt. Die Diskussion über dieses Modell befindet sich im deutschsprachigen Raum - anders als im angloamerikanischen - noch in den Anfängen. Dem möchte dieser Aufsatz entgegen wirken, indem die Frage gestellt wird, inwieweit sich die logisch gedachten FRBR-Einheiten in den existierenden Daten wieder finden lassen. Dazu werden die Entitäten mit den dazugehörigen Attributen dem in der Bibliothekswelt Deutschlands und Österreichs üblichen MAB-Format (Maschinelles Austauschformat für Bibliotheken) gegenübergestellt und auf ihre Kompatibilität hin untersucht. Die Autoren sind Mitglieder der überregionalen {\glqq}Expertengruppe Datenformate{\grqq}, in der Formatfragen, die das Bibliothekswesen betreffen, diskutiert werden, insbesondere aber das MAB-Format gepflegt wird.

Description: Zahlreiche lokale, nationale und internationale Informationsportale existieren mit zum Teil gleichen Angeboten und Dienstleistungen nebeneinander. Da der Aufbau und Betrieb von Portalen kostspielig ist, sollten die einzelnen Dienstleistungen abgestimmt und sinnvoll untereinander vernetzt werden. Für eine solch anzustrebende Kooperation unter Portalen ist es notwendig, ein jeweils eigenes Portalprofil zu definieren, um bei einer Gegenüberstellung der Profile die Abgrenzungen und Verknüpfungspunkte deutlich werden zu lassen. Die KOBV-Zentrale möchte mit der Profilbeschreibung des KOBV-Portals beginnen und so die eigenen Angebote des regionalen Portals mit denen anderer auf sinnvolle Weise verknüpfen. Für diese Positionsbestimmung werden die Dienstleistungen, die Zielgruppe, die Kriterien für die Ressourcenauswahl sowie die Abgrenzung zu anderen Portalen dargelegt.

Description: Im Rahmen des klassischen Information Retrieval wurden verschiedene Verfahren für das Ranking sowie die Suche in einer homogenen strukturlosen Dokumentenmenge entwickelt. Die Erfolge der Suchmas chine Google haben gezeigt, dass die Suche in einer zwar inhomogenen aber zusammenhängenden Dokumentenmenge wie dem Internet unter Berücksichtigung der Dokumentenverbindungen (Links) sehr ef fektiv sein kann. Unter den von der Suchmaschine Google realisierten Konzepten ist ein Verfahren zum Ranking von Suchergebnissen (PageRank), das in diesem Artikel kurz erklärt wird. % Darüber hinaus wird auf die Konzepte eines Systems namens CiteSeer eingegangen, welches automatisch bibliographische Angaben indexiert (engl. \glqq Autonomous Citation Indexing\grqq, ACI). Letzteres erzeugt aus einer Menge von nicht-vernetzten wissenschaftlichen Dokumenten eine zusammenhängende Dokumentenmenge und ermöglicht den Einsatz von Ranking-Verfahren, die auf den von Google genutzten Verfahren basieren.

Description: Die Autoren schreiben dieses Papier aus der eingeschränkten Sicht der Mathematik und der Informationstechnik. Um den speziellen Beitrag dieser Disziplinen überhaupt diskutieren zu können, sehen wir uns jedoch gezwungen, einen Rahmen abzustecken, den wir für das Jahr 2020 vorhersehen -- nach Wahrscheinlichkeit und aus unserem engeren fachlichen Blickwinkel. Vorab bitten wir schon einmal bei den medizinischen Fachleuten um Nachsicht, wenn wir uns in ihrem Revier allzu dillettantisch bewegen. Vielleicht fördert aber auch unser eingeschränkter Blickwinkel ansonsten unbedachte Aspekte zutage -- das hoffen wir zumindest.

Description: Seit einigen Jahren lizenzieren Bibliotheken mit erheblichem finanziellen Aufwand elektronische Zeitschriften. Anders als bei einer Papierausgabe ist der dauerhafte Zugriff auf die bezahlten Dokumente allerdings nicht garantiert: Die e-Zeitschriften liegen auf dem Verlagsserver, und der Verlag schaltet den Zugriff (meist IP-Range des Campus) auf seinem Server frei. Wird der Zugriff von Verlagsseite abgeschaltet, erlöschen sämtliche Zugriffsrechte, auch auf die in der Vergangenheit lizenzierten und bezahlten Zeitschriften. Auf die neuen Abonnementbedingungen hat das Friedrich-Althoff-Konsortium (FAK) reagiert und in seinen Vertr"agen den Erwerb der Archivdaten beim Auslaufen eines Vertrages festgeschrieben. Im Rahmen eines Projektes baut die KOBV-Zentrale einen Zeitschriftenserver auf, um den Zugriff auf die lizenzierten elektronischen Zeitschriften auch nach Ablauf der Lizenzverträge zu gewährleisten. Den Grundstock bilden die vom FAK in den Jahren 1997-2003 lizenzierten elektronischen Zeitschriften der Verlage Kluwer Academic Press, Springer und Elsevier - ein Volumen von rund 1.600 Zeitschriftentiteln mit knapp 1.400.000 Artikeln. Beim Aufbau des Zeitschriftenservers kommt der vertraglich-organisatorischen Komponente eine ebenso wichtige Rolle zu wie der technischen Realisierung. Hier hat die KOBV-Zentrale ein transparentes Verfahren konzipiert und umgesetzt, um für die Verlage die notwendige Vertrauensbasis zu schaffen und gleichzeitig den Einrichtungen ihren berechtigten Zugriff auf die Zeitschriften-Volltexte zu sichern. Die Zeitschriftenartikel werden sowohl im Rahmen des KOBV-Volltextservers, einem neuen Internet-Dienst der KOBV-Zentrale, zugänglich gemacht - volltext-indiziert mit der Suchmaschine Swish-e - als auch integriert in die Metadatensuche und den Open-Linking-Dienst des KOBV-Portals. Während die Metadatenrecherche und die Sicht auf die Abstracts für alle offen sind, ist der Zugriff auf die Artikel-Volltexte auf die an den Verträgen beteiligten Einrichtungen beschränkt. Dazu wurde ein Authentifizierungsverfahren auf der Basis von IP-Ranges eingerichtet. Der vorliegende Text ist die schriftliche Fassung eines gleichnamigen Vortrages auf der ASpB-Tagung 2005 \glqq Spezialbibliotheken zwischen Auftrag und Ressourcen{\grqq} der Arbeitsgemeinschaft der Spezialbibliotheken, die vom 06.-09. September 2005 in der Technischen Universität München stattfand.

Description: In dieser Diplomarbeit werden grundlegende Probleme der kostenoptimalen Dimensionierung von Telekommunikationsnetzwerken untersucht. Diese werden als lineare gemischt ganzzahlige Programme formuliert, wobei sich in der Modellierung auf die Konzepte Routing und Kapazitätszuweisung beschränkt wird. Es werden parallel drei übliche, aus der Praxis motivierte Möglichkeiten behandelt, die auf gerichteten oder ungerichteten Kanten eines Netzwerkes installierte Kapazität zu nutzen. Diese unterscheiden wir als DIrected, BIdirected und UNdirected. Die studierten Probleme treten als Relaxierungen vieler realistischer Fragestellungen der Netzwerkoptimierung auf. Sie enthalten elementare Strukturen, deren Studium ausschlaggebend ist für das Verständnis komplexerer Modelle. Letztere können zusätzliche Erfordernisse berücksichtigen, wie zum Beispiel die Ausfallsicherheit von Netzwerken. Zur Lösung solcher NP-schweren Optimierungsprobleme werden erfolgreich Branch & Bound und Schnittebenenverfahren kombiniert (Branch & Cut). Für die Wirksamkeit dieser Algorithmen ist es sehr nützlich, möglichst genaue Kenntnisse der Struktur der Seitenflächen der zugrundeliegenden Polyeder zu haben, welche die konvexe Hülle der Lösungsmenge beschreiben. Es sind starke gültige Ungleichungen zu finden, welche hochdimensionale Seitenflächen oder sogar Facetten definieren. Diese sollten zudem schnell separiert werden können und die numerische Stabilität der Algorithmen möglichst nicht beeinflussen. Diese Arbeit beschäftigt sich im Wesentlichen mit der sehr allgemeinen Rundungstechnik Mixed- Integer Rounding (MIR) zur Verstärkung gültiger Ungleichungen unter Verwendung der Ganzzahligkeitsnebenbedingungen. Es wird eine MIR-Prozedur motiviert, bestehend aus den Schritten Aggregieren, Substituieren, Komplementieren und Skalieren, welche durch Ausnutzung der Struktur der gegebenen Parameter zu einer gültigen Basisungleichung führt, die dann durch MIR eine starke und oft facetten-induzierende Ungleichung gibt. Es werden verschieden Klassen solcher Ungleichungen untersucht und auf ihre Praxistauglichkeit beim Einsatz in Branch & Cut-Verfahren getestet. Nach einer kurzen Einführung werden in Kapitel 2 die für uns in dieser Diplomarbeit relevanten Probleme definiert. Kapitel 3 gibt eine ausführliche Übersicht über die Technik MIR.Wir beschäftigen uns vor allen Dingen mit den Begriffen Superadditivität und Lifting und behandeln Aspekte wie Numerik und beschränkte Variablen. Kapitel 4 und Kapitel 5 umfassen Untersuchungen zu so genannten cut sets. Diese Polyeder werden durch Schnitte in Netzwerken definiert und relaxieren die von uns behandelten Probleme. Hauptsächlich durch MIR entwickeln wir sowohl neue als auch bekannte Klassen von facetten-definierenden Ungleichungen für cut sets, wobei strukturelle Unterschiede herausgearbeitet werden, die durch die drei verschiedenen Typen der Kapzitätsbereitstellung und durch beschränkte Variablen entstehen. Als ein zentrales Resultat wird bewiesen unter welchen Bedingungen facetten-induzierende Ungleichungen für cut sets auch Facetten der zugehörigen relaxierten Polyeder sind. Im Kapitel 6 geben wir weitere Typen von MIR-Ungleichungen an, die auf anderen Netzwerkstrukturen basieren und weisen ferner auf offene Fragen sowie interessante Ideen hin. Das Kapitel 7 widmet sich schließlich der Entwicklung und Implementation von Separationsalgorithmen. Wir testen einige der entwickelten Ungleichungsklassen mit Hinblick auf Ihre Wirksamkeit zur Lösung von realistischen Problemen der Netzwerkdimensionierung aus der Telekommunikation und diskutieren die Ergebnisse.

Description: Diese Arbeit dokumentiert den Entwurf und die Implementierung einer NFS-Schnittstelle zum ZIBDMS. Das ZIBDMS, welches derzeit am Zuse-Institut Berlin entwickelt wird, ist ein Managementsystem für verteilte Daten in heterogenen Umgebungen [10]. Es soll die einfache Benutzung von Mechanismen zur Replikation sowie neue Möglichkeiten des Zugriffs und der Verwaltung von Metadaten und Datenobjekten ermöglichen. Dem Nutzer bietet das System verschiedene Sichten: Neben der klassischen, hierarchischen Sicht mit Verzeichnissen und Dateien wird auch eine attributbasierte Zugriffsmethode angeboten, in der Datenobjekte ausschließlich über Attribut/Wert-Paare referenziert werden. Für den Benutzer transparent, soll sich das System im Hinblick auf die Verfügbarkeit von Daten und Metadaten selbsttätig optimieren. Um Skalierbarkeit gew¨ahrleisten zu können, werden intern Peer-to-Peer- Techniken entwickelt und benutzt. Die NFS-Schnittstelle erhöht die Nutzbarkeit des Systems, da Client- Implementierungen für nahezu alle Betriebssysteme zur Verfügung stehen. Der Benutzer kann so über das gewohnte Dateisystem Daten und Metadaten pflegen, ohne spezifisches Vorwissen zu benötigen. In dieser Arbeit wird untersucht, inwiefern sich die Semantik des ZIBDMS auf jene des NFS-Protokolls übertragen läßt. Weiterhin wird das Konzept von Pseudodateien beschrieben und diskutiert, inwiefern es eine brauchbare Lösung darstellt, den im Vergleich zur NFS-Semantik wesentlich größeren Funktionsumfang des ZIBDMS für den Anwender nutzbar zu machen. Pseudodateien sind nicht-persistente Objekte, welche für den Benutzer als reguläre Datei sichtbar werden und die erweiterte Funktionalitäten wie die Bearbeitung von Metadaten oder die Platzierung von Replikaten über die Dateisystem-Sicht des NFS zur Verfügung stellen sollen. Schließlich werden Leistungsmessungen an den benutzten Komponenten des ZIBDMS vorgenommen und vergleichbaren Systemen gegen übergestellt. Die Aufmerksamkeit liegt hier auf der zugrundeliegenden Katalog-Technologie sowie dem durch das NFS-Protokoll verursachten Overhead.

Description: In diesem Bericht wurden Erfahrungen mit der Suchmaschine FAST im Rahmen des Projektes Verteilter Contentspeicher sowie die Suchmaschine FAST beschrieben. Das Ziel des Projektes Verteilter Contentspeicher war die Speicherung, Erschließung und das Angebot der digitalen Bestände der Journale und Dokumente der KOBV-Bibliotheken zu ermöglichen. Die Eignung der Suchmaschine FAST für das Projektvorhaben wurde systematisch und gründlich getestet, indem verschiedene Dokumentmengen mit FAST indexiert wurden.

Description: Der Artikel beschreibt ein mathematisches Optimierungssystem zur Betriebsplanung in großen Wassernetzen, das bei den Berliner Wasserbetrieben eingesetzt wird. Für das Berliner Versorgungsnetz werden Optimierungsergebnisse vorgestellt.

Description: \\ Zusammenfassung: Der Kooperative Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg (KOBV) betreibt für das KOBV-Portal einen Austausch von Beschreibungen zu elektronischen Ressourcen (Metadaten), der zwisc zwischen verschiedenen Informationsportalen in der Region durchgeführt wird. Die unterschiedlichen Informationsportale verwenden verschiedene Metadaten-Schemata und Austausch-Formate für ihre Ressourcebeschreibungen. Um die Heterogenität der Metadaten zu überwinden, wurde der KOBV-Metadaten-Austausch-Parser (KMA-Parser) entwickelt. Andere Metadaten-Schemata werden auf das KOBV-Metadaten-Schema abgebildet. Der KMA-Parser führt gegebenenfalls eine Format-Transformation durch, konvertiert die Inhalte einzelner Elemente über Konkordanzen und erzeugt neue Metadaten-Elemente aus vorhandenen Feldern. Er validiert den Inhalt auf Vollständigkeit und steuert den Austausch der Metadaten zwischen den Portalen. Der Umwandlungsprozess funktioniert jedoch nicht nur in die Richtung des KOBV-Portals, sondern auch in die entgegengesetzte Richtung. Der Artikel beschreibt die einzelnen Vorgänge im KMA-Parser und schildert die Erfahrungen im Umgang mit der Heterogenität von Metadaten. Die gewonnenen Erfahrungen verweisen auf grundlegende Perspektiven in der universellen Zusammenarbeit von Informationsanbietern und -providern.The Kooperativer Bibliotheksverbund Berlin-Brandenburg (KOBV) has built a framework for a bi-directional exchange workflow of electronic resourcesÆ descriptions (metadata) between the KOBV Portal and other Information Portals in the region. The Information Portals use different exchange formats, metadata schemata and controlled vocabularies for their descriptions of resources. In order to overcome this metadata heterogeneity, an application, the KOBV Metadata Exchange Parser (KMA-Parser), has been developed. The KMA-Parser maps the local portalsÆ metadata schemata into the metadata schema of the KOBV Portal. If necessary, it transforms the exchange format, converts contents of individual elements by means roduces new metadata elements on the basis of existent elements. It checks elementsÆ contents on completeness and controls the metadata exchange between the portals. However, the transformation process takes place not only towards the KOBV Portal, but al so vice versa. The article describes the individual processes in the KMA Parser and depicts the experiences in handling the metadataÆs heterogeneity. The experiences gathered give an idea of the prospects for a universal cooperation between information suppliers and providers.

Description: Das Travelling-Salesman-Problem (TSP) ist das am intensivsten untersuchte kombinatorische Optimierungsproblem. In diesem Abschnitt wird eine Einführung in das TSP gegeben. Es werden Problemstellungen erläutert, Anwendungen skizziert und einige Schwierigkeiten bei der korrekten Modellierung der Zielfunktion dargelegt. Es ist gar nicht so klar, was in einem konkreten Problem die wirkliche Entfernung ist. Exakte und approximative Lösungsverfahren werden an Beispielen skizziert, und es wird angedeutet, dass man, obwohl TSPs zu den theoretisch schweren Problemen zählen, in der Praxis TSPs von atemberaubender Größe lösen kann.

Description: Mit der Installation des neuen Hochleistungsrechners für die norddeutschen Länder (HLRN) steht den Wissenschaftlern ein außergewöhnlich leistungsfähiges System zur Verfügung. Durch die Verteilung der Rechenelemente auf zwei verschiedene Standorte in Berlin (ZIB) und Hannover (RRZN) entstehen jedoch auch neue Herausforderungen für den Betrieb und die effiziente Nutzung des Rechners. Inhalt dieses Projektes ist die Erforschung und Lösung der durch die Verteilung des Systems hervorgerufenen Probleme (z.B. Scheduling, Kommunikation, I/O). Es werden effiziente Lösungen zur Bereitstellung eines virtuellen, hoch-performanten und transparenten Systems entwickelt, die auf vergleichbare Installationen übertragbar sind.

Description: In diesem Artikel werden die Optimierungsmodelle und -verfahren beschrieben, die bei der Planung des Kernnetzes und der Zugangsinfrastruktur des X-WiN verwendet wurden.

Description: Die Anwendung mathematischer Methoden und Verfahren wird immer mehr zur Voraussetzung innovativer Produkte und Dienstleistungen. Um neue Produkte und Dienstleistungen zu entwickeln, müssen die Produktions- und technologischen Prozesse mathematisch modelliert, beschrieben und optimiert werden. Diesen Umstand Rechnung tragend, hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 1993 begonnen, den Einsatz mathematischer Verfahren und Methoden in der Mathematik über ein spezielles Mathematikprogramm zu fördern. Inzwischen hat die vierte Förderperiode des Mathematikprogramms begonnen. \par Das Medium Internet und insbesondere das WWW sind für die Sichtbarkeit und Transparenz wissenschaftlicher Resultate in den letzten zehn Jahren immer wichtiger geworden. Wer nicht im Web "'sichtbar"' ist, läuft Gefahr, nicht wahrgenommen zu werden. Intention und Ziel des durchgeführten Projekts war es, ein Konzept für eine qualitativ hochwertige und umfassende Darstellung des BMBF Mathematikprogramms, insbesondere der in den Projekten erzielten Ergebnisse, zu entwickeln und zu realisieren und damit den Stellenwert und die Akzeptanz mathematischer Forschung in der Gesellschaft zu festigen und den Wissenstransfer zwischen mathematischer Forschung sowie Forschung und Entwicklung in der Wirtschaft und dem Dienstleistungsbereich zu fördern.

Description: Die KOBV-Zentrale betreibt mit dem KOBV-Portal neben der Metasuche in freien Online-Katalogen und Datenbanken ein Nachweisinstrument für elektronische Ressourcen, die von den Bibliotheken Berlin-Brandenburgs lizenziert sind und darüber hinaus diejenigen, die frei zugänglich sowie wissenschaftlich relevant sind. Die Erschließung der freien Ressourcen übernimmt eine kooperative Fachredaktion, die sich aus FachreferentInnen und -lektorInnen aus der Region rekrutiert. Dabei übernimmt jede beteiligte Person die Betreuung einer oder mehrerer Fachgruppen der Dewey Decimal-Classification (DDC) eigenverantwortlich. Die Aufgabe aller FachredakteurInnen besteht in der inhaltlichen Beschreibung, der Klassifizierung, der Vergabe von Schlagworten und der regelmäßigen Reevaluation der einzelnen Ressourcen. Die KOBV-Zentrale hat hierfür einen Kriterienkatalog entwickelt, der als Grundlage für die Beurteilung von elektronischen Ressourcen dient. Erschlossen werden die Ressourcen schließlich über ein webbasierte Eingabe-Tool, dem Metadata-Tool der KOBV-Zentrale. Über eine Mailingliste wird der Abstimmungsbedarf untereinander gedeckt und Diskussionen geführt, die das Projekt weiterführen sollen. Der Artikel beschreibt das Konzept der kooperativen Fachredaktion für freie Ressourcen, die Vorgänge und die Arbeiten, die für die Initiierung notwendig waren.

Description: \documentclass[12pt]{article} \usepackage{german} \parindent=0pt \begin{document} Im KOBV wird für die Online-Fernleihe der Zentrale-Fernleihserver (ZFL-Server) der Firma Sisis eingesetzt. Die Software ist in der KOBV-Zentrale installiert. Der ZFL-Server dient im KOBV sowohl für die Bestellung von Monographien als auch für die Bestellung von Aufsatzkopien aus Zeitschriften. Prinzipiell gibt es zwei Verfahren, mit denen sich Bibliotheken an der Online-Fernleihe beteiligen können: das E-Mail-Verfahren und das SLNP-Verfahren. Auf beide wird im Handbuch eingegangen. Die Online-Fernleihe wurde im KOBV eingeführt, um die Fernleihe für die Benutzer zu beschleunigen, das Verfahren für die Bibliotheksmitarbeiter zu vereinfachen und den Arbeitsaufwand zu reduzieren. Sie basiert darauf, dass eine Bestellung anhand eines gefundenen Treffers ausgelöst wird - d.h. die bibliographischen Daten sind bereits verifiziert und in einem Katalog nachgewiesen. Anschlie\"send werden die Fernleihbestellungen über den ZFL-Server automatisch ausgeführt und verwaltet - sowohl in der regionalen KOBV-Fernleihe als auch in der verbundübergreifenden Fernleihe mit den deutschen Bibliotheksverbünden. Der ZFL-Server besteht aus verschiedenen technischen Komponenten. Eine dieser Komponenten ist das Bibliothekskonto, eine Internetanwendung, in der die Bestellverwaltung des ZFL-Servers im Internet für die Bibliotheksbediensteten transparent gemacht wird. Sowohl für die aktive als auch für die passive Fernleihe ist im Bibliothekskonto der Status der Bearbeitung zu jedem Zeitpunkt ersichtlich, z.B. in welcher Bibliothek sich die Bestellung gerade befindet, wann sie dort eingegangen ist und wann sie weggeschickt wurde, ob mit positivem oder negativem Ergebnis. Das Bibliothekskonto ist damit für die Bibliothek ein komfortables Instrument zum Überwachen der Fernleihbestellungen, in dem sie zudem - falls notwendig - in den Bestellvorgang eingreifen kann. Dazu hat jede Bibliothek im Bibliothekskonto eine eigene, Passwort-geschützte Dienstoberfläche. Das vorliegende Handbuch beschreibt die Vorgänge der Bestellverwaltung im Bibliothekskonto. Es richtet sich an Bibliotheksmitarbeiter, die sich mit den einzelnen Arbeitsschritten der Online-Fernleihe vertraut machen wollen. Darüber hinaus ist es zum Nachschlagen gedacht, wenn sich in der täglichen Arbeit Unklarheiten ergeben. \end{document}

Description: Inhalt dieser Diplomarbeit ist ein Beleuchtungs- und Visualisierungsmodell für Pflanzen im interaktiven Landschaftsrendering. Ziel ist die qualitativ hochwertige Darstellung von einzelnen Individuen nahe des Betrachters, der seine Position in einer ansonsten statischen Szene frei wählen kann. Um dies zu erreichen wird zunächst vorgestellt, wie ausgehend von einfachen 3D-Modellen und Materialien ein physikalisch basiertes Reflexionsmodell parametrisiert werden kann. Grund hierfür ist der oftmals vorhandene umfangreiche Datenbestand, der auf die OpenGL-Materialien oder ähnliche Shader optimiert ist. Anschließend wird gezeigt, wie die Echtzeit-Renderingtechniken Shadow Mapping und Precomputed Radiance Transfer kombiniert werden können, um sowohl exakte hochfrequente direkte Beleuchtung als auch niederfrequentes indirektes Streulicht zu berücksichtigen. Diese Kombination wird an Hand der Pfad-Notation des Monte-Carlo-Path-Tracing eingeführt und begründet.

Description: In der Arbeit wird die computergestützte Planung von chirurgisch gesetzten Knochenfrakturen bzw. Knochenschnitten (sogenannten Osteotomien) an dreidimensionalen, computergrafischen Schädelmodellen, sowie die Umpositionierung separierter knöcherner Segmente im Kontext der rekonstruktiven MKG-Chirurgie behandelt. Durch die 3D Modellierung und Visualisierung anatomischer Strukturen, sowie der 3D Osteotomie- und Umstellungsplanung unter Einbeziehung der resultierenden Weichgewebedeformation wird den Chirurgen ein Werkzeug an die Hand gegeben, mit dem eine Therapieplanung am Computer durchgeführt und diese in Hinblick auf Funktion und Ästhetik bewertet werden kann. Unterschiedliche Strategien können dabei erprobt und in ihrer Auswirkung erfasst werden. Dazu wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der zum einen die chirurgische Planung im Vergleich zu existierenden Ansätzen deutlich verbessert und zum anderen eine robuste Weichgewebeprognose, durch den Einsatz geeigneter Planungsmodelle und eines physikalisch basierten Weichgewebemodells unter Nutzung numerischer Lösungsverfahren in die Planung integriert. Die Visualisierung der Planungsergebnisse erlaubt sowohl eine anschauliche und überzeugende, präoperative Patientenaufklärung, als auch die Demonstration möglicher Vorgehensweisen und deren Auswirkungen für die chirurgische Ausbildung. Ferner ergänzen die Planungsdaten die Falldokumentation und liefern einen Beitrag zur Qualitätssicherung. Die Arbeit ist in sieben Kapitel gegliedert und wie folgt strukturiert: Zuerst wird die medizinische Aufgabenstellung bei der chirurgischen Rekonstruktion von Knochenfehlbildungen und -fehlstellungen in der kraniofazialen Chirurgie sowie die daraus resultierenden Anforderungen an die Therapieplanung beschrieben. Anschließend folgt ein umfassender Überblick über entsprechende Vorarbeiten zur computergestützten Planung knochenverlagernder Operationen und eine kritische Bestandsaufnahme der noch vorhandenen Defizite. Nach der Vorstellung des eigenen Planungsansatzes wird die Generierung individueller, qualitativ hochwertiger 3D Planungsmodelle aus tomografischen Bilddaten beschrieben, die den Anforderungen an eine intuitive, 3D Planung von Umstellungsosteotomien entsprechen und eine Simulation der daraus resultierenden Weichgewebedeformation mittels der Finite-Elemente Methode (FEM) ermöglichen. Die Methoden der 3D Schnittplanung an computergrafischen Modellen werden analysiert und eine 3D Osteotomieplanung an polygonalen Schädelmodellen entwickelt, die es ermöglicht, intuitiv durch Definition von Schnittlinien am 3D Knochenmodell, eine den chirurgischen Anforderungen entsprechende Schnittplanung unter Berücksichtigung von Risikostrukturen durchzuführen. Separierte Knochensegmente lassen sich im Anschluss interaktiv umpositionieren und die resultierende Gesamtanordnung hinsichtlich einer funktionellen Rehabilitation bewerten. Aufgrund des in dieser Arbeit gewählten, physikalisch basierten Modellierungsansatzes kann unter Berücksichtigung des gesamten Weichgewebevolumens aus der Knochenverlagerung direkt die resultierende Gesichtsform berechnet werden. Dies wird anhand von 13 exemplarischen Fallstudien anschaulich demonstriert, wobei die Prognosequalität mittels postoperativer Fotografien und postoperativer CT-Daten überprüft und belegt wird. Die Arbeit wird mit einem Ausblick auf erweiterte Modellierungsansätze und einem Konzept für eine integrierte, klinisch einsetzbare Planungsumgebung abgeschlossen.

Description: In cranio-maxillofacial surgery, physicians are often faced with skeletal malformations that require complex bone relocations. Especially in severe cases of congenital dysgnathia (misalignment of upper and lower jaw) or hemifacial microsomia (asymmetric bone and tissue development), where multiple bone segments are to be mobilized and relocated simultaneously and in relation to each other, careful preoperative planning is mandatory. At present in clinical routine not all possible strategies can be planned and assessed with regard to functional rehabilitation. Moreover, the aesthetic outcome, i.e. the postoperative facial appearance, can only be estimated by a surgeon's experience and hardly communicated to the patient. On this account, a preoperative planning of complex osteotomies with bone relocations on a computerized model of a patient's head, including a reliable three-dimensional prediction and visualization of the post-surgical facial appearance is a highly appreciated possibility cranio-maxillofacial surgeons are longing for. This work, being performed at Zuse Institute Berlin (ZIB), addresses such a computer based 3D~surgery planning. A processing pipeline has been established and a simulation environment has been developed on basis of the software Amira, enabling a surgeon to perform bone cuts and bone rearrangements in an intuitive manner on virtual patient models. In addition, a prediction of the patients' postoperative appearance according to the relocated bone can be simulated and visualized realistically. For a meaningful planning of surgical procedures, anatomically correct patient models providing all relevant details are reconstructed from tomographic data with high fidelity. These patient models reliably represent bony structures as well as the facial soft tissue. Unstructured volumetric grids of the soft tissue are generated for a fast and efficient numerical solution of partial differential equations, describing tissue deformation on the foundation of 3D elastomechanics. The planning of osteotomies (bone cuts) for the mobilization and relocation of bone segments is performed in accordance to the planning on basis of life size replicas of a patient's skull, i.e. stereolitographic models. Osteotomy lines can be drawn on top of the polygonal planning models using suitable input devices. After evaluation of the consequence of a planned cut with regard to vulnerable inner structures (nerves, teeth etc.) the model is separated accordingly. A relocation of bone segments can be performed unrestrictedly in 3D or restricted to a translation or rotation within arbitrarily chosen planes under consideration of cephalometric guidelines. Bone and tooth collisions can be evaluated for functional analysis or orthodontic treatment planning with possible integration of digitized dental plaster casts. As a result of the preoperative planning, a single transformation matrix, encoding translation and rotation, or a sequence of such matrices are provided for each bone segment. Both the osteotomy paths and the transformation parameters can finally be used for intra-operative navigation. In the course of the planning, the relocated positions of bone segments serve as an input for the simulation of the resulting soft tissue deformation. Since bone and surrounding soft tissue share common boundaries that are either fixed or translocated, the resulting configuration of the entire tissue volume can be computed from the given boundary displacements by numerical minimization of the internal strain energy on basis of a biomechanical model, using a finite-element approach. In collaboration with different surgeons and hospitals more than 25 treatments have been accompanied by preoperative planning so far ranging from mandibular and midfacial hypoplasia to complex hemifacial microsomia. 13 of these cases are presented within this work. Simulation results were validated on the basis of photographs as well as of postoperative CT data, showing a good correlation between simulation and postoperative outcome. Further aspects of improving the modeling approach are discussed. It has been demonstrated that 3D~osteotomy planning on virtual patient models can be performed intuitively, and that 3D~tissue deformation for cranio-maxillofacial osteotomy planning can be predicted numerically without using heuristic ratios. It can be stated that by using 3D~planning software, a surgeon gains a better spatial understanding of complex dysplasia, and the 3D~soft tissue prediction gives an additional criterion for the assessment of the planned strategy. It turned out that, especially in complex cases such as hemifacial microsomia or for decisions bet­ween mono- and bimaxillary advancements, a 3D~planning aid is extremely helpful. The conclusion is, that images and animations created within the planning phase provide a valuable planning criterion for maxillofacial surgeons as well as a demonstrative information for patients and their relatives, thus greatly enhancing patient information, as well as surgical education. All data that result from the planning are also important for documentation and quality assurance. 3D osteotomy planning, including soft tissue prediction, likely will become a new paradigm of plastic and reconstructive surgery planning in the future. An assortment of results can be found under: http://www.zib.de/visual/medical/projects

Description: Die hierarchische Organisation von Dateien beherrscht Computersysteme seit vielen Jahren und wird sich vermutlich auch in Zukunft weiterhin durchsetzen. Dennoch stößt diese Verwaltungsmethode in einem klassischen hierarchischen Dateisystem bei dem jährlichen rasanten Zuwachs an neuen Daten an ihre Grenzen, auch wenn Nutzer eine ausgefeilte Verzeichnisstruktur mit einer disziplinierten Namensgebung konsequent auf- und ausbauen. Um den Überblick über die Dateien zu behalten, werden in dieser Arbeit neue Verwaltungsmethoden vorgestellt und in die hierarchische Dateisystemsicht eingebettet. Auf der Basis des hierarchischen Dateisystems bietet ein metadatenbasiertes Dateisystem neben dem hierarchischen Zugriff noch einen flexiblen, assoziativen Zugriff auf Dateien über virtuelle Objekte, indem Suchmethoden in Form einer Anfrage auf in einer Datenbank gespeicherte Index- und Metadaten angewendet werden. Das Ergebnis dieser Abfrage wird mit Hilfe von virtuellen Verzeichnissen und virtuellen Dateien in einer übersichtlichen Form dargestellt, so dass eine Nutzung der hierarchischen Sicht weiterhin intuitiv fortgesetzt wird. Das Datenmanagementsystem ZIBDMS, welches einen verteilten Metadatenkatalog und einen Dateireplikationskatalog beinhaltet, ermöglicht es, die oben genannten Verwaltungsmethoden für die NFS-Schnittstelle, CORBA-Middleware und Web Services transparent zu implementieren. Zudem stellt ZIBDMS weitere neue Dateiverwaltungsmethoden zur Verfügung, die sich in die hierarchische Dateisystemsicht integrieren lassen. Metadaten in Form von Attribut-Wert-Paaren lassen sich als virtuelle Datei darstellen und editieren. Eine Collection bietet die Möglichkeit, Dateien in einem logischen virtuellen Ordner zu organisieren. Mit einem Dependency-Graph lassen sich Dateien zueinander in Relation stellen, so dass eine Linkstruktur zwischen Dateien ausgedrückt werden kann. Das Verweiskonzept eines klassischen hierarchischen Dateisystems wird im ZIBDMS um eine neue Verweisart Weak-Link erweitert, um einen aktualisierbaren, konsistenten und zyklenfreien symbolischen Link anzubieten. In einer hierarchischen Sicht lässt sich durch Verweise ein Baum bilden, in dem eine Navigation und Verweisauflistung möglich sind, was außer ZIBDMS noch kein anderes System bietet.

Description: The hierarchical organization of files has dominated computer systems for many years and this will probably not change in the near future. However, with the rapid annual growth of new data this classical hierarchical file system management method reaches its limitations, even when the user consistently sets up and continually expands an elaborated directory structure with well-disciplined naming. This paper introduces new management methods to maintain an overview of all files which can be embedded in the hierarchical file system. A metadata-based file system, which is based on the hierarchical file system, offers, in addition to hierarchical access, a more flexible and associative access to files via virtual objects by providing query capabilities of index- and metadata which are stored in a database. The query results are presented in a clearly-arranged form of virtual directories and virtual files so that the intuitive hierarchical view continues to be maintained. The data management system ZIBDMS, which contains a distributed metadata catalog and a file replication catalog, permits a transparent implementation of these management methods for the NFS interface, CORBA-middleware or web services. Furthermore, ZIBDMS provides other new file management methods that can be integrated into the hierarchical file system view. Metadata in form of attribute-value-pairs can be presented and edited with a virtual file. A Collection makes it possible to organize files in logical virtual folders. Using a Dependency graph, files can be related to each other and expressed through a link structure between these files. In the ZIBDMS the reference concept of a classical hierarchal file system is extended with a new kind of reference called Weak Link in order to provide up-to-date, consistent and cycle-free symbolic links. With the references a tree can be established in a hierarchical view in which navigation and listing of references are possible; this capability is only possible in the ZIBDMS system.

Description: Die hierarchische Organisation von Dateien beherrscht Computersysteme seit vielen Jahren und wird sich vermutlich auch in Zukunft weiterhin durchsetzen. Dennoch stößt diese Verwaltungsmethode in einem klassischen hierarchischen Dateisystem bei dem jährlichen rasanten Zuwachs an neuen Daten an ihre Grenzen, auch wenn Nutzer eine ausgefeilte Verzeichnisstruktur mit einer disziplinierten Namensgebung konsequent auf- und ausbauen. Um den Überblick über die Dateien zu behalten, werden in dieser Arbeit neue Verwaltungsmethoden vorgestellt und in die hierarchische Dateisystemsicht eingebettet. Auf der Basis des hierarchischen Dateisystems bietet ein metadatenbasiertes Dateisystem neben dem hierarchischen Zugriff noch einen flexiblen, assoziativen Zugriff auf Dateien über virtuelle Objekte, indem Suchmethoden in Form einer Anfrage auf in einer Datenbank gespeicherte Index- und Metadaten angewendet werden. Das Ergebnis dieser Abfrage wird mit Hilfe von virtuellen Verzeichnissen und virtuellen Dateien in einer übersichtlichen Form dargestellt, so dass eine Nutzung der hierarchischen Sicht weiterhin intuitiv fortgesetzt wird. Das Datenmanagementsystem ZIBDMS, welches einen verteilten Metadatenkatalog und einen Dateireplikationskatalog beinhaltet, ermöglicht es, die oben genannten Verwaltungsmethoden für die NFS-Schnittstelle, CORBA-Middleware und Web Services transparent zu implementieren. Zudem stellt ZIBDMS weitere neue Dateiverwaltungsmethoden zur Verfügung, die sich in die hierarchische Dateisystemsicht integrieren lassen. Metadaten in Form von Attribut-Wert-Paaren lassen sich als virtuelle Datei darstellen und editieren. Eine Collection bietet die Möglichkeit, Dateien in einem logischen virtuellen Ordner zu organisieren. Mit einem Dependency-Graph lassen sich Dateien zueinander in Relation stellen, so dass eine Linkstruktur zwischen Dateien ausgedrückt werden kann. Das Verweiskonzept eines klassischen hierarchischen Dateisystems wird im ZIBDMS um eine neue Verweisart Weak-Link erweitert, um einen aktualisierbaren, konsistenten und zyklenfreien symbolischen Link anzubieten. In einer hierarchischen Sicht lässt sich durch Verweise ein Baum bilden, in dem eine Navigation und Verweisauflistung möglich sind, was außer ZIBDMS noch kein anderes System bietet.

Description: The hierarchical organization of files has dominated computer systems for many years and this will probably not change in the near future. However, with the rapid annual growth of new data this classical hierarchical file system management method reaches its limitations, even when the user consistently sets up and continually expands an elaborated directory structure with well-disciplined naming. This paper introduces new management methods to maintain an overview of all files which can be embedded in the hierarchical file system. A metadata-based file system, which is based on the hierarchical file system, offers, in addition to hierarchical access, a more flexible and associative access to files via virtual objects by providing query capabilities of index- and metadata which are stored in a database. The query results are presented in a clearly-arranged form of virtual directories and virtual files so that the intuitive hierarchical view continues to be maintained. The data management system ZIBDMS, which contains a distributed metadata catalog and a file replication catalog, permits a transparent implementation of these management methods for the NFS interface, CORBA-middleware or web services. Furthermore, ZIBDMS provides other new file management methods that can be integrated into the hierarchical file system view. Metadata in form of attribute-value-pairs can be presented and edited with a virtual file. A Collection makes it possible to organize files in logical virtual folders. Using a Dependency graph, files can be related to each other and expressed through a link structure between these files. In the ZIBDMS the reference concept of a classical hierarchal file system is extended with a new kind of reference called Weak Link in order to provide up-to-date, consistent and cycle-free symbolic links. With the references a tree can be established in a hierarchical view in which navigation and listing of references are possible; this capability is only possible in the ZIBDMS system.