Lehrstuhl für Praktische Informatik / Grafische Systeme

1. 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 • wk@informatik.tu-cottbus.de Forschungsschwerpunkte 1. Graph-Grammatiken als Werkzeuge zur Modellspezifikation in der Biologie  DFG-Projekt: Techniken der Informatik für Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen (3 Jahre) • Lehre • Vorlesungen: • 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: • 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 Informations- • verarbeitung Kooperation mit Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzen-forschung (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 Relationale Wachstums- grammatiken (RGG) Sprache XL Modell Software GroIMP j k, l m ==> j m, l k; • Beispielanwendung • BarleyBreeder:Modellierung und Simulation von Pflanzenzüchtung in einem Genotyp-Phänotyp-Modell der Gerste: • Crossing-over als Funktion des Rekombinations- • abstandes zweier Gene • Mutation • interaktive Selektion der Eltern (sexuelle und • asexuelle Reproduktion) • Wachstum und dreidimensionale Pflanzenarchitektur Detail: Kontrolle der Internodien-streckung durch ein regulatorisches Netzwerk, welches – im selben Formalismus – einen Teilaspekt der Gibberellinsäure-Biosynthese abbildet. virtuelle Gerste 3. Automatische Interpretation grafischer Informationen (im Kontext von textuellen Informationen) aus dem Web 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, Friedens- forschung...) 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 • Ziele: • kostengünstiges Verfahren • keine gesonderte • Kalibrierungsprozedur • Robustheit gegen kleine • Bewegungen der Objekte • speichereffiziente Struktur- • Repräsentation • Erkennung problem- • spezifischer (Sub-)Objekte • (z.B. Pflanzenorgane) Aufbau eines 3D-Aufnahmesystems mit strukturiertem Licht • Geplante Entwicklungen: • Modellierung des Kohlenstoff- und Stickstoff-Metabolismus in Gerste mittels relationaler Wachstumsgrammatiken • Ausbau der Sprache zwecks Modellierung von Zellverbänden und Gewebe • Erweiterung um Formalismen zur Einbettung und impliziten Lösung von Differentialgleichungs-systemen • Erweiterung um selbstreferenzielle Elemente • weitere Visualisierungsmöglichkeiten Beispiel einer studentischen Arbeit im Zusammenhang mit Schwerpunkt 3: "Cartoon-Extrahierer" aus Webseiten (Meyer, Kamdem, Qian, Wu) 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  23327 Punkte Lösungsansatz (Masterarbeit A. Bucksch): Punktreduktion in 3 Schritten (1) Zusammenführen der Punktwolke (2) Auffinden von Quadriken zur Punktapproximation (3) Adaptive Reduktion / Reduktion der Ebenen (Voronoi-Diagramm) Ergebnis für Blattspreite: 409 Vertices Publikationen (Auswahl): 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), LectureNotes 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 Intelligence2801, 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).