Archiv: frühere Bachelor Projekt Systementwicklung

1. Im letzten Wintersemester wurden im Projekt Data Science auf Radioastronomiedaten Kohonenmaps trainiert, auch Selforganizing Maps (SOM) genannt. Wir konnten ausgehend von Radioastronomiedaten (LoTSS Data Release 1) Galaxien automatisch nach ihrer Erscheinung (die sogenannte Morphologie) sortieren und 'interessante' Erscheinungen von 'langweiligen' punktförmigen Galaxien trennen, siehe das Bild oben. Aufbauend auf die dort entwickelten Skripte wollen wir unsere Analysen mit weiteren Daten verfeinern und die verwendete Analysesoftware PINK erweitern: Mittlerweile sind weitere Daten verfügbar (LoTSS Data Release 2), aus denen wir weitere spannende Galaxien entdecken wollen. PINK ist ein in C++ und CUDA geschreibenes Programm, das die SOMs aus ausgeschnittenen Bilddaten generiert. Dabei wird in einem Training von neuronalen Netzen versucht, ähnliche Bilder zu sogenannten Knoten zusammenzufassen, die durch ein Bild repräsentiert sind. Das Training ist unüberwacht, das heißt, wir müssen die Bilder nicht erst aufwändig labeln, sondern die SOM wird nur anhand der Ähnlichkeit der Bilder erstellt. PINK kann dabei die Bilder der Galaxien drehen, um eine möglichst gute Übereinstimmung zu finden. Allerdings ist bei Bildern, die mehrere Intensitätsmaxima haben, der Abstand nicht normiert. Wir wollen im Projekt PINK so erweitern, dass nicht nur die Rotation sondern auch die Skalierung in bestimmten Grenzen angepasst wird, um bessere Cluster mit spannenderen Morphologien zu erzielen. Je nach Interesse besteht dabei die Möglichkeit, in die CUDA-Programmierung auf Nvidia-Grafikkarten einzusteigen oder auch beim bekannten C++ zu verbleiben.

2. Überprüfung eines 'Citizen Science' Projekts mit SOM. In einem Citizen Science Projekt (Freiwillige normale Bürger helfen bei der Analyse von wissenschaftlichen Daten mit) sollen Radioastronomiedaten bearbeitet werden. Eine Mitarbeiterin der Landessternwarte ist in dieses Projekt involviert. Wir wollen mit Hilfe der SOM die Ergebnisse der Laien überprüfen, indem wir die Ergebnisse clustern. Auf diese Art und Weise kann eine Qualitätskontrolle aufgebaut werden, bei der ungewöhnliche und möglicherweise falsche Analysen durch die Laien automatisiert aussortiert werden um gegebenenfalls von Experten angeschaut werden zu können. Wir sind hier also in aktuelle Forschungsarbeiten eingebunden. Als Werkzeug wollen wir ebenfalls PINK verwenden, wobei hier mehr die reine Anwendung von PINK im Vordergrund steht, und nicht die Erweiterung. Es ist zu erwarten, dass wir dafür mehr für die Konvertierung und Aufbereitung der Daten programmieren müssen, da wir hier noch keine fertigen Konvertierungsskripte haben.

3. Erstellung von Bildern mit eigener Ausrüstung. Bei diesem Projekt wollen wir ganz praktisch werden. Das Bild oben ist die Aufnahme der Andromedagalaxie mit seiner Begleitgalaxie Messier 32, von Reiner Wichert aus 22 selbst aufgenommenen Bildern zusammengesetzt. Dazu braucht man eine Kamera mit Teleobjektiv und eine motorisch angetriebene Nachführung, die den Bewegungen der Sterne folgt und somit lange Belichtungszeiten ermöglicht. Wir wollen so eine Nachführung im Projekt bauen, dazu müssen wir die Mechanik mit dem 3D-Drucker erstellen, Schrittmotoren mit Arduino, ESP-32 oder Raspberry Pi ansteuern und dann eigene Aufnahmen machen und die (verrauschten) Einzelbilder per Software überlagern und dadurch zu entrauschen. Alternativ können wir eine digitale (schwere) Spiegelreflexkamera oder den (viel leichteren) 12,3 Megapixel Sensor für den Raspberry Pi einsetzen. Gegebenenfalls werden wir eine Exkursion unternehmen, um der Lichtverschmutzung um Darmstadt herum zu entkommen und einen höheren Standpunkt mit weniger atmosphärischen Störungen zu bekommen. Als Fallback steht uns das Equipment von Prof. Wichert zur Verfügung.

Im Sommersemester wollen wir auf die Ergebnisse des letzten Semesters aufbauen, bei dem die Tisch-Hardware zum größten Teil aufgebaut wurde und eine initiale Fassung der Softwarekomponenten erstellt wurde.

Mögliche Aktivitäten sind:

• Neue Visualisierungen auf der Projektionsfläche
• Berechnung der Abprall- und Kollisionswinkel, Vorschlag von einfachen Spielzügen
• Verdrahtung der LED in den Diamanten
• Integration der Kugelpositionserkennung im Tisch (statt mittels Kamera von der Decke)
• Automatische Höhenanpassung und Nivellierung des Tisches
• Konvertierung in einen Meetingtisch (Abdeckung und automatische Höhenangleichung)
• Gesamtsystemstart
• Allgemeine Verbesserungen aller Komponenten
• Veröffentlichung als Open-Source-Projekt
• Vorbereitung als Ausstellungsobjekt auf der Hobit im Januar 2020

Die genauen Arbeitsinhalte werden wir zu Beginn des Semesters gemeinsam festlegen. Auch die Teilnehmer dürfen gerne eigene Ideen beisteuern!

Ein Besuch der Abschlussveranstaltung des Teams vom Wintersemester am 28.03.2019 um 15:00 in D15/1.07 ist dringend erforderlich.

Ziel des Projektes ist die Konstruktion und Programmierung eines interaktiven Billardtischs. Ein ähnliches Projekt kann hier angesehen werden. Das Projekt wird von Björn Frömmer, Stefan Rapp und Elke Hergenröther betreut.

Bei unserem Billardtisch wollen wir Rückprojektion einsetzen, das heißt von unten auf das Billardtuch projizieren. Anstatt der Schieferplatte wollen wir eine Plexiglasplatte einsetzen. Der Tisch soll multifunktional nutzbar sein, da wir keinen Raum dauerhaft damit belegen können. Erste Überlegungen zum Hochklappen und dann zur Seite schieben wurden als zu komplex/zu gefährlich verworfen, stattdessen folgen wir vom Mindset dem "fusion table" aus Belgien (https://www.fusiontables.com). Bei diesem Tisch ist der Billardtisch normalerweise nicht zu sehen und sieht wie ein Esstisch aus. Auf uns übertragen wollen wir einen Meetingraumtisch zum Billardtisch konvertieren - Tischplatte abheben und auf Billardhöhe anheben (lassen).

Vom Content her fangen wir vielleicht einfach an, z.B. unterschiedliche Farbe dafür, wer an der Reihe ist, Bling Bling und (Sound-)Effekte. Dann Unterstützung beim Bandenspiel, Unterstützung bei Effet, Stopball. Zum Schluss dann Artistic Pool, bei dem von unten die Aufgaben projiziert werden (und gegebenenfalls überwacht), siehe http://www.artisticpoolplayers.com/shot_programs/ArtisticPool2012.pdf. Wir werden in diesem Semester sicherlich nicht alle Ideen umsetzen können.

Als Implementierung ist ein verteiltes Systen aus einzelnen Komponenten angedacht, die sich über MQTT austauschen. MQTT ist vergleichsweise einfach zu implementieren und man kann noch nicht fertige Teile leicht simulieren. Die entwickelte Software von unterschiedlichen Teilteams ist nur lose gekoppelt.

Die Visualisierungen auf dem Spielfeld werden am PC erzeugt. Welche Visualisierungen, Spielideen etc. das im Einzelnen sind, wird gemeinsam erarbeitet. Beispiele: Aura um Bälle (Flammen, Wirbel, Particles), unterstützende/irritierende Muster (Handicap), Vorhersagen, was passieren wird, Telebillard (courtesy Steffen Czerwinski), bei dem der entfernte Spieler die Bälle dem Projektorbild des anderen Spielers nachlegen muss und dann seinen Stoß durchführt.

Vorraussetzung zur Teilnahme: Erfahrungen und Interesse an Computergraphik (idealerweise Vorlesung Computergraphik schon gehört), Embedded-Systeme, Linux für Raspberry Pi, Softwareentwicklung in C/C++, physikalische Grundkenntnisse (Impuls).

Unser Tisch wird im Semester aufgebaut und besteht aus einem Aluminumgestell und ahorngefassten Banden. An den Nuten der Aluprofile wird unsere Hardware (Projektor, Kameras,...) befestigt.

In jeder Tasche soll ein kleiner Raspberry Pi Zero W mit Kamera stecken, also insgesamt 6 Stück, unter oder auf Plattenniveau. Diese schauen, welche Kugel da eben in die Tasche fiel. Raspi-Kamerabilder können direkt ohne extra Speichertransfer im OpenGL-Shader verarbeitet werden, ein HSV-Converter und Kugelfarbenklassifikator sollte vollparallel in der Graphikhardware realisierbar sein. Beispielsoftware für die Verarbeitung von Kamerabildern im Shader gibt es (raspistill).

Die Diamanten am Rand wollen wir mit RGB-LEDs realisieren, auch von einem der Raspberry Zero gesteuert, und lauschen auf MQTT-Messages. Zur weiteren Aufbereitung der Anzeigemöglichkeiten werden LED-Streifen mit einzeln digital addressierbaren LEDs unter das Tuch eingelassen, das die Bande abdeckt. Damit kann z.B. dem Nutzer eine Position an der Bande feiner visualisiert werden als mit den Diamanten.

Zur Höhenansteuerung (Umstellen von Meetingtisch auf Billardtisch) wird ein weiteres Embedded-System geplant, das außerdem das Ausnivellieren des Tisches übernimmt. In den Beinen integrierte Getriebemotoren drehen die Drehtellerfüße heraus und sorgen so für die Anhebung auf Spielhöhe in endlicher Zeit und das Ausnivellieren mit Hilfe von MEMS-Accelerometern. Während des Hochfahrens darf nichts kippeln, was bei vier Beinen nicht trivial ist.