Objektorientierte Daten- und Zeitmodelle für die Echtzeit ...

Kurzfassung In der vorliegenden Arbeit werden neuartige Konzepte <strong>für</strong> <strong>die</strong> Modellierung <strong>und</strong> Repräsentation von Bild- <strong>und</strong> anderen Sensordatenfolgen sowie von Funktionen, <strong>die</strong> <strong>die</strong>se <strong>Daten</strong>folgen verarbeiten, vorgestellt <strong>und</strong> mit objektorientierten Methoden realisiert. Es werden Mechanismen entwickelt, mit denen sich Funktionen <strong>und</strong> <strong>Daten</strong>folgen zu Sensordatenmodulen zusammenfassen lassen, <strong>die</strong> flexibel ansteuerbar sind <strong>und</strong> als logische Sensoren transparent in komplexe <strong>Echtzeit</strong>programmsysteme eingeb<strong>und</strong>en werden können. Das Ziel ist <strong>die</strong> Bereitstellung eines Softwaresystems, das <strong>die</strong> Entwicklung <strong>und</strong> Implementierung von effizienten <strong>und</strong> frei skalierbaren Programmkomponenten <strong>und</strong> Applikationen <strong>für</strong> <strong>die</strong> <strong>Echtzeit</strong>-Bildfolgenanalyse <strong>und</strong> verteilte Sensordatenauswertung auf Standardsystemen unterstützt. Eine wesentliche Gr<strong>und</strong>lage <strong>die</strong>ser Arbeit ist <strong>die</strong> konsequente explizite Modellierung von zeitlichen Zusammenhängen, sowohl bei der sensorbasierten <strong>Daten</strong>erfassung <strong>und</strong> der Modellierung des äußeren Prozesses, als auch bei der Beschreibung der <strong>Daten</strong>verarbeitungsprozesse. Ersteres erlaubt <strong>die</strong> Einordnung der <strong>Daten</strong> in das Geschehen der realen Welt <strong>und</strong> <strong>die</strong> Modellierung der Szenendynamik, letzteres gestattet <strong>die</strong> Analyse von Ressourcenverbrauch <strong>und</strong> Performanz der <strong>Daten</strong>verarbeitungsprozesse. <strong>Daten</strong>folgen werden als eigenständige Sequenzobjekte modelliert, welche <strong>die</strong> kontinuierlich über <strong>die</strong> Zeit anfallenden Werte einer bestimmten Größe — Bilder, aber auch beliebige andere Sensordaten oder <strong>die</strong> daraus abgeleiteten Merkmale — zusammenfassen <strong>und</strong> gemeinsam mit dem jeweiligen Verarbeitungskontext verwalten. Darüber hinaus modelliert <strong>die</strong> Sequenzklasse allgemeine, vom konkreten <strong>Daten</strong>typ unabhängige Eigenschaften <strong>und</strong> Methoden von <strong>Daten</strong>folgen, wie <strong>die</strong> <strong>Daten</strong>initialisierung, den Zugriff auf aktuelle <strong>und</strong> alte Sequenzwerte, Mechanismen <strong>für</strong> <strong>die</strong> <strong>Daten</strong>aktualisierung <strong>und</strong> <strong>die</strong> Verwaltung von temporalen Merkmalen der <strong>Daten</strong>. Die Einbindung der aus Entwurfssicht relevanten Funktionalitäten <strong>für</strong> <strong>die</strong> kontinuierliche Bereitstellung, Verarbeitung oder Auswertung dynamischer <strong>Daten</strong>folgen erfolgt mit Hilfe von Funktoren. Diese kapseln konkrete Operatoren oder Sensoren einschließlich deren Parameter. Darüber hinaus modellieren sie allgemeine, verfahrensunabhängige Funktionsmerkmale, wie <strong>die</strong> Beziehungen zu den Ein- <strong>und</strong> Ausgangsdaten, Methoden <strong>für</strong> eine Analyse des Zeitverhaltens <strong>und</strong> Mechanismen <strong>für</strong> eine zyklische Operatorsteuerung. Dies erleichtert den Austausch von Verfahren einschließlich ihres gesamten Kontexts. Die <strong>Daten</strong>flußbeschreibung eines Sensordatenmoduls kann mit Hilfe von <strong>Daten</strong>sequenzen <strong>und</strong> Funktoren direkt in ein Softwaresystem übertragen werden, ohne daß der Kontrollfluß vom Entwickler explizit sequentialisiert werden muß. Die Steuerung erfolgt daten- oder anfragegetrieben <strong>und</strong> kann durch Softwareagenten überwacht werden. Die in <strong>die</strong>ser Arbeit entwickelten Spezifikationsmechanismen erlauben es, Programmsteuerung <strong>und</strong> Parallelisierungsgrad sowohl bei der Programmentwicklung als auch im laufenden System flexibel an unterschiedliche Randbedingungen anzupassen. Die vorgestellten Konzepte wurden prototypisch als C++-Klassenbibliothek umgesetzt. In ihr werden <strong>die</strong> zentralen Klassen <strong>für</strong> <strong>die</strong> Repräsentation von <strong>Daten</strong>sequenzen, Funktoren <strong>und</strong> Agenten sowie von Zeit zur Verfügung gestellt. Basierend auf <strong>die</strong>se Bibliothek wurde <strong>die</strong> Software <strong>für</strong> ein verteiltes, fußballspielendes Robotersystem — <strong>die</strong> AGILO-RoboCuppers — entwickelt <strong>und</strong> implementiert. Es wurde im RoboCup-Projekt getestet <strong>und</strong> bei verschiedenen internationalen Wettbewerben mit Erfolg eingesetzt.