Informatik
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Der Masterstudiengang Human-Centered Computing der Hochschule Reutlingen ist geprägt durch die Zusammenarbeit von Mensch und Computer. Eine wichtige Rolle an der Schnittstelle spielt die Sensorik, die der diesjährigen Konferenz Informatics Inside das Motto „perceive(it)“ verleiht. Dabei hebt das Wortspiel „it“ für die Informationstechnologie und die englische Übersetzung des Personalpronomens „es“ die Dualität der Wahrnehmung der Informationstechnologie durch den Menschen und der Realität durch den Computer hervor. Das Spannungsfeld zwischen künstlichen Sinneserweiterungen und der intelligenten Verarbeitung von Sensordaten ermöglicht unzählige Anwendungen für digitale Medien, virtuelle Welten, realitätsnahe Simulationen, computergestützte Arbeitsprozesse sowie intelligente Assistenzsysteme in der Produktion, im Haushalt, in der Medizin und in der Mobilität. Meine Aufmerksamkeit gilt hierbei der praxisnahen Forschung als Motor für diesen technischen Fortschritt.
Unternehmen wenden insbesondere bei IT-nahen Projekten seit einigen Jahren auch im Controlling verstärkt ein agiles Vorgehen an. Erfahrungen zeigen jedoch, dass dies nicht bei allen Projekten in jedem Unternehmen funktioniert. Hybride Ansätze, die agile mit klassischen Projekt-Management-Methoden verbinden, bieten eine Lösung.
Seit über 12 Jahren findet nun die Informatics Inside als Informatikkonferenz an der Hochschule Reutlingen statt, in diesem Jahr zum zweiten Mal in einem halbjährigen Rhythmus, d.h. auch im Herbst. Diese Wissenschaftliche Konferenz des Masterstudiengangs Human-Centered Computing wird von den Studierenden selbst organisiert und durchgeführt. Sie erhalten während ihres Masterstudiums die Gelegenheit sich in einem selbstgewählten Fachthema zu vertiefen. Dies kann an der Hochschule, in einem Unternehmen, einem Forschungsinstitut oder im Ausland durchgeführt werden. Gerade diese flexible Ausgestaltung des Moduls „Wissenschaftliche Vertiefung“ führt zu einem sehr breiten Themenspektrum, das von den Studierenden bearbeitet wird. Neben der eigentlichen fachlichen Vertiefung spielt auch die Präsentation und Verteidigung von wissenschaftlichen Ergebnissen eine wichtige Rolle und dies weit über das Studium hinaus. Ein gewähltes Fachgebiet so allgemeinverständlich aufzubereiten und zu vermitteln, dass es auch für Nicht-Spezialisten verständlich wird, stellt immer wieder eine besondere Herausforderung dar. Dieser Herausforderung stellen sich die Studierenden im Rahmen der Herbstkonferenz zur Wissenschaftlichen Vertiefung am 24. November 2021. Bereits zum vierten Mal wird die Veranstaltung in einem online-Modus stattfinden, einschließlich eines virtuellen Begleitprogramms.
Das Themenspektrum der diesjährigen Herbstkonferenz ist wieder sehr vielfältig und breit gefächert. So erwarten Sie u.a. Beiträge aus dem Gesundheitssektor, dem Maschinellen Lernen, der KI und VR sowie dem Marketing und E-Learning. Allen gemein ist ein sehr starker Bezug zu innovativen Informatikansätzen, was sich auch in dem Wortspiel und Motto „RockIT Science“ der Konferenz widerspiegelt. Die Informatik durchdringt fast alle beruflichen und privaten Anwendungsbereiche und hat zunehmend größeren Einfluss auf unser tägliches Leben. Dies kann einerseits Besorgnis und andererseits Begeisterung auslösen. Gerade letzteres wollen die Studierenden mit Ihren Beiträgen erreichen und es auch mal im Informatiksektor „rocken“ lassen.
Das Buch führt in die Grundlagen der Softwaretechnik ein. Dabei liegt sein Fokus auf der systematischen und modellbasierten Software- und Systementwicklung aber auch auf dem Einsatz agiler Methoden. Die Autoren legen besonderen Wert auf die gleichwertige Behandlung praktischer Aspekte und zugrundeliegender Theorien, was das Buch als Fach- und Lehrbuch gleichermaßen geeignet macht. Die Softwaretechnik wird im Rahmen eines systematischen Frameworks umfassend beschrieben. Ausgewählte und aufeinander abgestimmte Konzepte und Methoden werden durchgängig und integriert dargestellt.
Motto der Herbstkonferenz Informatics Inside 2020 ist KInside. Wieder einmal blicken Studierende inside und schauen sich Methoden, Anwendungen und Zusammenhänge genauer an. Die Beiträge sind vielfältig und entsprechend dem Studiengang human-centered. Es ist der Anspruch, dass sich die Themen um die Bedürfnisse der Menschen drehen und eingesetzte Methoden kein Selbstzweck sind, sondern am Nutzen für den Menschen gemessen werden.
Die rasante Entwicklung der Sensortechnik im Endverbraucherbereich lässt einen klinischen Nutzen der verfügbaren dezentral erhobenen Daten aus dem Patientenalltag zur Überwachung des individuellen Gesundheitszustands vermuten. Zur Überprüfung dieser Vermutung ist die Bereitstellung einer entsprechenden Plattform in den klinischen Alltag erforderlich. Hierzu wird die bwHealthApp entwickelt, mit der sowohl die aktuelle Bandbreite als auch die Evolution der Sensortechnik auf die klinische Anwendung abbildbar ist. Mit dem flexiblen Entwurf lässt sich der klinische Nutzen für die personalisierte Medizin evaluieren. Außerdem bietet die bwHealthApp einen an Machbarkeit orientierten Diskussionsbeitrag zu offenen rechtlichen, regulatorischen und ethischen Fragestellungen der Digitalisierung in der Medizin in Deutschland.
In diesem Beitrag wird ein neuer Ansatz vorgestellt, welcher eine schwerkraftreduzierte Navigation innerhalb einer VR-Umgebung erlaubt, wie beispielsweise ein simulierter Mondspaziergang. Zur Navigation in der VR-Umgebung wird der Cyberith Virtualizer ein-gesetzt. Die Schwerkraftsimulation erfolgt mittels eines einstellbaren Gurtsystems, das anelastischen Seilen aufgehängt wird und abgestufte Schwerkraftkompensationen erlaubt. Als Umgebung wurde ein Raumschiffszenario sowie eine Mondoberfläche generiert. Hier sind in der aktuellen Anwendung einfache Interaktionen möglich. In Anlehnung an existierende Gravity Offload Systeme wird die Lösung ViRGOS bezeichnet. ViRGOS wurde bereits bei verschiedenen Besuchsterminen und Hochschulevents eingesetzt, so dass erste Rückmeldungen von Nutzern eingeholt werden konnten.
JumpAR kombiniert die Welt der Augmented Reality (AR) mit dem weltbekannten Jump ’n’ Run Genre in einem Mobile Game. Der Spieler kreiert einen individuellen Spielparcours in seiner realen Umgebung und navigiert seine Spielfigur auf virtuellen Plattformen durch diesen. Der mit Unity entwickelte JumpAR Prototyp wurde nach Umsetzungen der Grundfunktionen und Mechaniken im Rahmen eines Nutzertests analysiert. Die Integration von echten Gegenständen aus dem Umfeld des Spielers führt im Spielfluss zu einer starken Verknüpfung der virtuellen und realen Welt, was eine neue AR-Interaktionsform für Handyspiele darstellt.
Systemische Betrachtung des therapeutischen Roboters Paro im Vergleich zu dem Haustierroboter AIBO
(2020)
Roboter sind in der heutigen Zeit nicht nur in der Industrie zu finden, sondern werden immer häufiger in privaten Lebensbereichen eingesetzt. Ein Beispiel hierfür ist der soziale Therapie-Roboter Paro. Dieser ist dem Verhalten und Aussehen einer jungen Robbe nachempfunden, drückt Gefühle aus und wird besonders in Pflegeheimen eingesetzt. Dabei zeigt er positive Auswirkungen auf das Wohlbefinden pflegebedürftiger Menschen. Diese Arbeit stellt den Roboter Paro in einer systemischen Analyse dar: hierbei werden Systemkontext, Anwendungsfälle, Anforderungen und Struktur betrachtet. Anschließend erfolgt eine Analyse des Haustierroboters AIBO, welcher einem Welpen ähnelt und verstärkt der Unterhaltung von Privatpersonen dient. Es werden Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den Systemen herausgearbeitet. Dabei wird ersichtlich, dass beide Systeme dem Nutzer vorrangig Gesellschaft leisten, jedoch verschiedene Anforderungen besitzen und in unterschiedlichen Anwendungsdomänen eingesetzt werden. Zudem besitzt AIBO vielfältigere Fähigkeiten und einen höheren Bewegungsgrad als Paro. Dies spiegelt sich in einer komplexeren Struktur der Hardware wider.
Unter dem Begriff Innovation Enabling wird im Folgenden ein Konzept für die ganzheitliche Unterstützung interdisziplinärer Teams beim kreativen und innovativen Problemlösen vor-gestellt. Dieses Konzept unterstützt Moderatoren und Teilnehmergleichermaßen und ein damit realisiertes System bleibt durch die implizite Interaktion für den Nutzer im Hintergrund. Eine zentrale Rolle spielt das Konzept der Awareness Pipeline zur Implementation einer impliziten Interaktion auf Basis eines Sensor-Aktor-Systems, welches in diesem Artikel vorgestellt wird. Die Unterstützung der begleitenden Moderations- und Administrationsaufgaben, wie beispielsweise der automatisierten Dokumentation der Sitzung, sollen in Zukunft einen deutlichen Mehrwert gegenüber einer klassischen Brainstorming-Sitzung bieten.
Anhaltend erlebt die Künstliche Intelligenz (KI) eine Renaissance in vielen Branchen. Der Trend, komplexe Zusammenhänge in Daten zu erfassen und zu nutzen, hält an. Hierbei ist jedoch der Grundgedanke des Maschinellen Lernens basierend auf empirischen Daten nicht neu. Es bleibt nach wie vor die Herausforderung, erst ein oft auch interdisziplinäres Verständnis von komplexen Zusammenhängen für verschiedenste Anwendungs-Domänen zu gewinnen, um zum Beispiel KI sinnvoll zum Einsatz zu bringen. Als Besucher der Konferenz erwarten Sie Beiträge aus den unterschiedlichsten Bereichen. Hierzu gehören zum Beispiel Müdigkeitserkennungssysteme im Automobil, ein Tastsinn auch für Roboter, aber auch neue Ansätze zur Erzeugung und Nutzung von Virtuellen Realitäten für die Erprobung des autonomen Fahrens bis hin zur Simulation von Außenboardeinsätzen in der Raumfahrt.
Ein nicht unerheblicher Anteil der Autounfälle ist auf Müdigkeit am Steuer zurückzuführen. Um Unfälle aufgrund von Müdigkeit zu vermeiden, existieren schon einige Ansätze wie beispielsweise die Erkennung der Fahrweise. Im Rahmen des IOT-Labors des Masterstudiengangs Human Centered Computing der Hochschule Reutlingen sollen verschiedene Fahrassistenzsysteme entwickelt und getestet werden, um Unfälle aufgrund von Müdigkeit zu verhindern. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Müdigkeitserkennung über Computer Vision (CV) und das Elektrokardiogramm (EKG). Im Rahmen dieses Papers wird die Müdigkeitserkennung über CV am Steuer mittels den Open Source Bibliotheken OpenCV und Dlib und dem Embedded PC Nvidia Jetson Nano verwirklicht. Die Müdigkeit über EKG wird über den Herzschlag und die Herzfrequenzvariabilität erkannt. Ebenfalls wurde in dieser Arbeit eine Schnittstelle aus CV und EKG entwickelt, um aus den Python-Skripten der Müdigkeitserkennung über Computer Vision und der Müdigkeitserkennung über EKG die zur Erkennung wichtigen Daten zusammenzufassen. Diese werden anschließend zu einem gesamten Ergebnis ausgewertet.
Vergleichende Analyse des YouTube-Auftritts von privat- und öffentlich-rechtlichen Sendegruppen
(2020)
Lange wurde das Internet als Antagonismus zum Fernsehen gesehen. Es wurde dementsprechend zur Zuschauerrück- bzw. -gewinnung genutzt, was sich allerdings als ineffizient erwies. Inzwischen haben die einzelnen Sendegruppen das Internet jedoch als mediale Erweiterung erkannt und genutzt. Durch diese späte Akzeptanz zeigen sich starke Unterschiede im Umfang und der Vorgehensweise hinsichtlich der Nutzung des Internets als zusätzliches Medium. Am besten lässt sich dies in einem Vergleich in Bezug auf die wichtigste videotechnische Social Media Plattform YouTube darstellen.
In diesem Vergleich sollen die einzelnen Sendegruppen hinsichtlich ihrer wahrgenommenen Vorteile, Nachteile und Attraktivität bezogen auf das Nutzerverhalten und die Nutzermeinung bewertet werden. Die zielgruppenorientierte Optimierung des YouTube-Auftrittes ist von außerordentlich hoher Bedeutung für die zukünftige Marktdurchdringung.
Medizinprodukte sind Gegenstände, Stoffe oder Software mit medizinischer Zweckbestimmung für die Anwendung am Menschen. Diese werden von Medizinprodukteherstellern entwickelt und auf den Markt eingeführt. Da die falsche Anwendung von Medizinprodukten bei Menschen zu Verletzbarkeit des menschlichen Körpers führen kann, ist eine angemessene Qualität der Medizinprodukte zu gewährtleisten. Um die Sicherstellung der Qualität einzuhalten, sind Medizinproduktehersteller verpflichtet, sich an die Medizinprodukteverordnung (MDR) zu halten. Für risikoreiche Produkte ist ergänzend die Nutzung eines Qualitätsmanagementsystems (QMS) verpflichtend. Dieses steuert die Struktur, Verantwortlichkeiten, Verfahren und Prozesse des Unternehmens, die für die Medizinprodukteentwicklung notwendig sind. In Zeiten der Digitalisierung werden Softwarelösungen eingesetzt, um die zeitaufwendigen Dokumentations- und Administrationstätigkeiten im QMS zu reduzieren und die Prozesse zu optimieren. Mit der Einführung einer Software wird ein QMS in der Praxis auch als elektronisches QMS (eQMS) bezeichnet. Weiterhin muss das gesamte QMS mit den Regularien konform sein. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit, mithilfe der regulatorischen Anforderungen herauszuarbeiten, welche Vorgaben bei der Einführung eines eQMS zu beachten sind und wie diese erfüllt werden können. Diese Arbeit bezieht sich auf die regulatorsichen Vorgaben aus der MDR und der ISO 13485. Die Norm beinhaltet Anforderungen an ein QMS von Medizinprodukten.
Requirements Engineering (RE) umfasst sämtliche systematische Schritte zur Entwicklung eines Systems, um die Bedürfnisse der Nutzer und Vorgaben, die an dieses gestellt werden, zu erfüllen. Das RE eines ausgewählten Herstellers für klinische Informationssysteme (KIS) wurde untersucht und es stellt sich als intransparent als auch teilweise unzureichend dar. Das Ausmaß des Einsatzes von systematischen Vorgehensweisen und Methoden zum RE wurden beim ausgewählten KIS-Hersteller analysiert. Die Analyse zeigt, dass RE weit verbreitet ist, aber differenziert betrieben wird.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Stand der Technik des RE für die KIS Entwicklung zu ermitteln. Es werden wichtige Faktoren des RE für die Entwicklung von KIS beschrieben. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden als erster Schritt für die Optimierung des RE des ausgewählten KIS-Herstellers dienen.
Die Entwicklung eines Medizinproduktes benötigt in der Regel mehrere Jahre. Gesetzliche Vorgaben, wie zum Beispiel das Medizinprodukte Durchführungsgesetz, bestimmen, welche Schritte während der Entwicklung durchgeführt werden müssen. Deren Einhaltung muss in der technischen Dokumentation nachgewiesen werden. Die darin enthaltenen technischen Dokumente entstehen im Verlauf der Entwicklung. Diese bauen aufeinander auf und verweisen sich gegenseitig. Dadurch entstehen heterogene und unübersichtliche Strukturen. Eine Lösung für dieses Problem bietet Traceability. Traceability sorgt dafür, dass die Anforderungen an das Medizinprodukt mit Dokumenten, wie dem Anforderungskatalog, Lastenheft oder der Spezifikation verknüpft werden können. Somit ist jederzeit nachvollziehbar, welche Anforderungen mit welchem Test, welchen Änderungen oder welchen Ergebnissen zusammenhängen. Ein wichtiger Prozess bei der Entwicklung von Medizinprodukten ist zudem das Usability Engineering, wodurch die Sicherheit eines Medizinprodukts sichergestellt und Risiken bei der Anwendung minimiert werden sollen. In diesem Prozess entstehen viele Artefakte, wie zum Beispiel Usability-Berichte. Um den Überblick über alle Usability-Daten behalten zu können, können diese mithilfe von Traceability verknüpft werden. In diesem Artikel wird herausgestellt, welche Voraussetzungen für das Usability Engineering in der Medizintechnik an Traceability gestellt
werden.
In dieser Ausarbeitung wird auf Visualisierungsmöglichkeiten von neuronalen Netzen eingegangen. Ein neuronales Netz scheint zuerst nicht von außen einsehbar und ist somit für viele eine Blackbox. Häufig genutzte Python-Bibliotheken, zum Beispiel TensorFlow, werden vorgestellt und deren Stärken wie auch Schwächen präsentiert. Anhand dieser werden bereits bestehende Visualisierungen gezeigt und ihr derzeitiger Einsatz wird erläutert. Durch einen Vergleich soll ersichtlich werden, welche Bibliothek am meisten Daten während des Trainings liefert, damit diese Informationen weiter verarbeitet werden. Diese Daten sollen so visualisiert werden, dass sie bei der Entwicklung eines neuronalen Netzes unterstützend sind. Ziel ist es, auf die Möglichkeiten einzugehen, welche geboten werden können. Durch eine Vereinfachung des Debuggings neuronaler Netze sollen weiterführende Entwicklungen in diese Richtung unterstützt werden.
In dieser Arbeit werden drei verschiedene Testumgebungen vorgestellt, welche in ein iteratives Vorgehen einfließen, um die Entwicklung von Augmented-Reality-Anwendungen zur Darstellung von autonomen Fahrfunktionen zu unterstützen.
Gestaltungsentwürfe und Softwareentwicklungen können in den Testumgebungen für unterschiedliche Zielsetzungen von Personenbefragungen vorgestellt und bewertet werden. Das entwicklungsbegleitende Testen ermöglicht eine frühzeitige Identifizierung von Änderungshinweisen, welche für einen gültigen Lösungsentwurf eingearbeitet werden können. Die entwickelten Testumgebungen sind ein verkleinertes Modell, ein Fahrsimulator und ein reales Fahrzeug. Eigenschaften, Funktionen und Aufbauten resultieren aus Erkenntnissen der Literatur und Erfahrungen aus ersten Entwicklungen. Diese und die Einsatzmöglichkeiten werden mit dieser Arbeit aufgezeigt.
In der Kryochirurgie wird Kälte verwendet, um tumoröses Gewebe abzutöten. Dazu werden Kryosonden in den Tumor gestochen und stark abgekühlt. Hierbei gibt es verschiedene Herausforderungen, welchen computergestützt begegnet werden kann. Diese Arbeit gibt die Ergebnisse einer Literaturrecherche zu den Herausforderungen wieder. Die vorgestellten Arbeiten beschäftigten sich mit der Simulation des im Tumor entstehenden Eisballs, dem korrekten Positionieren der Kryosonden im Tumor, dem Überwachen des Eingriffs sowie dem Entwickeln von Simulationen für Trainingszwecke. Dabei zeigt sich, dass der Einsatz von computergestützten Lösungen die Kryochirurgie für Operateur und Patient verbessern kann.
Haptisches Feedback ist nach zahlreichen Studien ein wichtiger Bestandteil in der medizinischen Robotik. Die meisten Systeme befinden sich jedoch noch im Forschungsstatus und verfolgen unterschiedliche Ansätze. In der Teleoperation wird mit sensorlosen und Sensor-Systemen geforscht. Sensoren bieten, im Gegensatz zu den Encodern in sensorlosen Systemen, genaue Messungen, sind allerdings teuer in der Anschaffung, schwer zu desinfizieren und müssen in OP-Besteck integriert werden. In Hands-On Systemen fühlt der Operateur im Gegensatz zu Teleoperationssystemen direkt die auftretenden Kräfte bei der Benutzung. Der Roboter bietet in diesen Systemen nur die benötigte Stabilität und Genauigkeit, gesteuert werden sie direkt durch den Menschen. Dagegen werden in Teleoperationssystemen gezielte Controller eingesetzt. Hier hat sich der für den OP entwickelte sigma.7 durchgesetzt. Gegenüber der für die Allgemeinheit entwickelten Konkurrenz bietet er haptisches Feedback in allen nötigen Freiheitsgraden und eine entsprechende Kraftrückkoppelung.