Poster zu den Projekten des Lehrstuhls

Lehrstuhl für Praktische Informatik /
Grafische Systeme
Brandenburgische
Technische Universität
Cottbus
Winfried Kurth, Erwin Roth, Thomas Mangoldt, Ole Kniemeyer, Gerhard Buck-Sorlin
Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Fakultät für Naturwissenschaften, Mathematik und Informatik, Institut für
Informatik • Ewald-Haase-Str. 12/13, Cottbus • http://www-gs.informatik.tu-cottbus.de/~wwwgs • [email protected]
Forschungsschwerpunkte
Lehre
1. Graph-Grammatiken als Werkzeuge zur Modellspezifikation in der Biologie
Vorlesungen:
 DFG-Projekt: Techniken der Informatik für Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen (3 Jahre)
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Kooperation mit Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK), Gatersleben, und Universität Halle-Wittenberg,
Institut für Acker- und Pflanzenbau
Ausgangspunkt: unterschiedliche, z.T. inkonsistente Modellkonzepte für verschiedene Gegenstände / auf unterschiedlichen Skalenebenen
• Die systembiologische Herangehensweise verlangt nach Integration der Skalenebenen / der Modelle
• gebraucht werden intuitiv anwendbare, auf biologische Fragestellungen zugeschnittene Modellspezifikationssprachen
• Berücksichtigung dreidimensionaler Strukturen von Pflanzen und Pflanzenbeständen (u.a. auch zum Zweck der Visualisierung)
Graph-Grammatiken:
• verbinden Universalität mit Problem-Angemessenheit für einen großen Kreis biologischer Fragestellungen
• verallgemeinern die aus der Pflanzenvisualisierung bekannten Lindenmayer-Systeme
• im Projekt entwickelte Variante von Graph-Grammatiken mit edge labels und node labels: "Relationale Wachstumsgrammatiken" (RGG)
Formalismus
Sprache
XL
Relationale Wachstumsgrammatiken (RGG)
Software
GroIMP
Modell
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j k, l m ==> j m, l k;
Computergrafik
Grundzüge der Computergrafik
Bildanalyse und Bildverstehen
Algorithmische Geometrie
Interaktive Grafik
Grundlagen der digitalen
Druckvorstufe und Drucktechnik
Artificial Life
Grundlagen des Data Mining
Algorithmieren und Programmieren
(Informatik I für Ingenieurstudiengänge)
Computer Science for Environmental
and Resource Management
Seminare und Praktika:
Beispielanwendung
BarleyBreeder: Modellierung und Simulation von
• Auswertung von 3D-Daten
• Mustererkennung in Bildern und
3D-Daten
• Artificial Life und Multiagentensysteme
• Datenanalyse und Visualisierung
in der Bioinformatik
• Softwarepraktika (virtuelle Ökologie,
Bildanalyse-Tool, Sugarscape...)
• Ethische Aspekte der Informationsverarbeitung
Detail:
Pflanzenzüchtung in einem Genotyp-Phänotyp-Modell der
Gerste:
• Crossing-over als Funktion des Rekombinationsabstandes zweier Gene
• Mutation
• interaktive Selektion der Eltern (sexuelle und
asexuelle Reproduktion)
• Wachstum und dreidimensionale Pflanzenarchitektur
Kontrolle der Internodienstreckung durch ein
regulatorisches Netzwerk,
welches – im selben
Formalismus – einen
Teilaspekt der
GibberellinsäureBiosynthese abbildet.
virtuelle Gerste
3. Automatische Interpretation
grafischer Informationen (im
Kontext von textuellen
Informationen) aus dem Web
siehe auch http://www.grogra.de
2. Aufnahme von 3D-Daten für virtuelle Szenen,
Flächenrekonstruktion, Mustererkennung
Kooperation mit DLR (Institut für Weltraumsensorik und
Planetenerkundung, Berlin-Adlershof)
und Universität Halle-Wittenberg
Geplante Entwicklungen:
• Modellierung des Kohlenstoff- und StickstoffMetabolismus in Gerste mittels relationaler
Wachstumsgrammatiken
• Ausbau der Sprache zwecks Modellierung von
Zellverbänden und Gewebe
• Erweiterung um Formalismen zur Einbettung
und impliziten Lösung von Differentialgleichungssystemen
• Erweiterung um selbstreferenzielle Elemente
• weitere Visualisierungsmöglichkeiten
Publikationen (Auswahl):
Arbeiten gerade erst begonnen
Hintergrund: Informationsfülle im Web;
intelligente Web-Mining-Techniken
als Werkzeuge für Information Retrieval
und wissenschaftliches Arbeiten
(Sozial-, Kulturwissenschaften,
Marktforschung, Trendforschung,
Medien-Inhaltsanalyse, Monitoring
öffentlicher Stimmungen, Friedensforschung...)
Ziele:
Aufbau eines 3D-Aufnahmesystems mit strukturiertem Licht • kostengünstiges Verfahren
• keine gesonderte
Kalibrierungsprozedur
• Robustheit gegen kleine
Bewegungen der Objekte
• speichereffiziente StrukturRepräsentation
• Erkennung problemspezifischer (Sub-)Objekte
(z.B. Pflanzenorgane)
Flächenrückführung aus Punktwolken (gewonnen mit Aufnahmeverfahren mit
strukturiertem Licht – DigiScan® (Koop. Univ. Halle) sowie Eigenentwicklung)
Probleme:
• sehr große Zahl von Punkten (bis zu 400 000)
• Inkonsistenzen durch Blattbewegungen während der Aufnahme
• Okklusionen
Lösungsansatz (Masterarbeit A. Bucksch):
Ergebnis für Blattspreite:
Punktreduktion in 3 Schritten
(1) Zusammenführen der Punktwolke
(2) Auffinden von Quadriken zur Punktapproximation
(3) Adaptive Reduktion / Reduktion der Ebenen (Voronoi-Diagramm)
Beispiel einer studentischen Arbeit
im Zusammenhang mit Schwerpunkt 3:
"Cartoon-Extrahierer" aus Webseiten
(Meyer, Kamdem, Qian, Wu)
 23327 Punkte
409 Vertices 
Programmiersprachen und Modellspezifikation
Winfried Kurth, Relational growth grammars – a graph rewriting approach to dynamical systems with a dynamical structure. To appear in: Workshop "Unconventional Programming Paradigms 2004" (UPP 2004), September 15-17, 2004, Mont Saint-Michel (France), Lecture
Notes in Computer Science.
Winfried Kurth, Spatial structure, sensitivity and communication in rule-based models. In: Franz Hölker (ed.), Scales, Hierarchies and Emergent Properties in Ecological Models. Reihe "Theorie in der Ökologie", Bd. 6. Peter Lang, Frankfurt a. M. 2002, 29-46.
Ole Kniemeyer, Rule-based modelling with the XL/GroIMP software. In: Harald Schaub, Frank Detje, Ulrike Brüggemann (eds.), The Logic of Artificial Life. Proceedings of 6th GWAL, Bamberg 14.-16. 4. 2004, AKA Akademische Verlagsges. Berlin 2004, 56-65.
Artificial Life
Ole Kniemeyer, Gerhard Buck-Sorlin, Winfried Kurth, A graph grammar approach to Artificial Life. Artificial Life, 10(4): 413-431 (2004)
Ole Kniemeyer, Gerhard Buck-Sorlin, Winfried Kurth, Representation of genotype and phenotype in a coherent framework based on extended L-systems. In: Wolfgang Banzhaf, Thomas Christaller, Peter Dittrich, Jan T. Kim, Jens Ziegler (eds.), Advances in Artificial Life.
Proceedings of ECAL 2003, Dortmund 14.-17. 9. 2003, Lecture Notes in Artificial Intelligence 2801, Springer, Berlin 2003, 625-634.
Modelle der pflanzlichen Morphogenese und Genetik
Gerhard Buck-Sorlin, Ole Kniemeyer, Winfried Kurth, Integrated grammar representation of genes, metabolites and morphology: The example of hordeomorphs. Proceedings of the 4th International Workshop on Functional-Structural Plant Models (FSPM04), 7-11 June, 2004,
Montpellier (France), pp. 386-389.
Gerhard Buck-Sorlin, Ole Kniemeyer, Winfried Kurth, An approach towards virtual barley. New Phytologist (in press).
3D-Datenanalyse
Thomas Mangoldt, Winfried Kurth, Alexander Bucksch, Peter Wernecke, A system for recording 3D information with applications in the measurement of plant structure. Proceedings of the 4th International Workshop on Functional-Structural Plant Models (FSPM04), 7-11
June, 2004, Montpellier (France).