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With the growing importance of the World Wide Web, the major challenges our society faces are also increasingly affecting the digital areas of our lives. Some of the associated problems can be addressed by computer science, and some of these specifically by data-driven research. To do so, however, requires to solve open issues related to archive quality and the large volume and variety of the data contained.
This dissertation contributes data, algorithms, and concepts towards leveraging the big data and temporal provenance capabilities of web archives to tackle societal challenges. We selected three such challenges that highlight the central issues of archive quality, data volume, and data variety, respectively:
(1) For the preservation of digital culture, this thesis investigates and improves the automatic quality assurance of the web page archiving process, as well as the further processing of the resulting archive data for automatic analysis.
(2) For the critical assessment of information, this thesis examines large datasets of Wikipedia and news articles and presents new methods for automatically determining quality and bias.
(3) For digital security and privacy, this thesis exploits the variety of content on the web to quantify the security of mnemonic passwords and analyzes the privacy-aware re-finding of the various seen content through private web archives.
Diese Dissertation untersucht Handlungsressourcen von zivilgesellschaftlichen Akteuren in Planungsprozessen um innerstädtische Planungsverfahren. Den theoretischen Rahmen bilden die Kapitalarten von Pierre Bourdieu, die zusammen mit dem Matrixraum von Dieter Läpple zu einem neuen Feldbegriff des ‚Raumfeldes‘ zusammengeführt und operationalisiert wurden. Es handelt sich um eine qualitative Arbeit, die zwischen Stadtsoziologie und Urbanistik zu verorten ist. Als Fallbeispiele wurde die Erweiterung des Berliner Mauerparks sowie das Baugebiet „So! Berlin“ in Berlin gewählt.
Multi-user virtual reality systems enable collocated as well as distributed users to perform collaborative activities in immersive virtual environments. A common activity in this context is to move from one location to the next as a group to explore the environment together. The simplest solution to realize these multi-user navigation processes is to provide each participant with a technique for individual navigation. However, this approach entails some potentially undesirable consequences such as the execution of a similar navigation sequence by each participant, a regular need for coordination within the group, and, related to this, the risk of losing each other during the navigation process.
To overcome these issues, this thesis performs research on group navigation techniques that move group members together through a virtual environment. The presented work was guided by four overarching research questions that address the quality requirements for group navigation techniques, the differences between collocated and distributed settings, the scalability of group navigation, and the suitability of individual and group navigation for various scenarios. This thesis approaches these questions by introducing a general conceptual framework as well as the specification of central requirements for the design of group navigation techniques. The design, implementation, and evaluation of corresponding group navigation techniques demonstrate the applicability of the proposed framework.
As a first step, this thesis presents ideas for the extension of the short-range teleportation metaphor, also termed jumping, for multiple users. It derives general quality requirements for the comprehensibility of the group jumping process and introduces a corresponding technique for two collocated users. The results of two user studies indicate that sickness symptoms are not affected by user roles during group jumping and confirm improved planning accuracy for the navigator, increased spatial awareness for the passenger, and reduced cognitive load for both user roles.
Next, this thesis explores the design space of group navigation techniques in distributed virtual environments. It presents a conceptual framework to systematize the design decisions for group navigation techniques based on Tuckman's model of small-group development and introduces the idea of virtual formation adjustments as part of the navigation process. A quantitative user study demonstrates that the corresponding extension of Multi-Ray Jumping for distributed dyads leads to more efficient travel sequences and reduced workload. The results of a qualitative expert review confirm these findings and provide further insights regarding the complementarity of individual and group navigation in distributed virtual environments.
Then, this thesis investigates the navigation of larger groups of distributed users in the context of guided museum tours and establishes three central requirements for (scalable) group navigation techniques. These should foster the awareness of ongoing navigation activities as well as facilitate the predictability of their consequences for all group members (Comprehensibility), assist the group with avoiding collisions in the virtual environment (Obstacle Avoidance), and support placing the group in a meaningful spatial formation for the joint observation and discussion of objects (View Optimization). The work suggests a new technique to address these requirements and reports on its evaluation in an initial usability study with groups of five to ten (partially simulated) users. The results indicate easy learnability for navigators and high comprehensibility for passengers. Moreover, they also provide valuable insights for the development of group navigation techniques for even larger groups.
Finally, this thesis embeds the previous contributions in a comprehensive literature overview and emphasizes the need to study larger, more heterogeneous, and more diverse group compositions including the related social factors that affect group dynamics.
In summary, the four major research contributions of this thesis are as follows:
- the framing of group navigation as a specific instance of Tuckman's model of small-group development
- the derivation of central requirements for effective group navigation techniques beyond common quality factors known from single-user navigation
- the introduction of virtual formation adjustments during group navigation and their integration into concrete group navigation techniques
- evidence that appropriate pre-travel information and virtual formation adjustments lead to more efficient travel sequences for groups and lower workloads for both navigators and passengers
Overall, the research of this thesis confirms that group navigation techniques are a valuable addition to the portfolio of interaction techniques in multi-user virtual reality systems. The conceptual framework, the derived quality requirements, and the development of novel group navigation techniques provide effective guidance for application developers and inform future research in this area.
The importance of modern simulation methods in the mechanical analysis of heterogeneous solids is presented in detail. Thereby the problem is noted that even for small bodies the required high-resolution analysis reaches the limits of today's computational power, in terms of memory demand as well as acceptable computational effort. A further problem is that frequently the accuracy of geometrical modelling of heterogeneous bodies is inadequate. The present work introduces a systematic combination and adaption of grid-based methods for achieving an essentially higher resolution in the numerical analysis of heterogeneous solids. Grid-based methods are as well primely suited for developing efficient and numerically stable algorithms for flexible geometrical modeling. A key aspect is the uniform data management for a grid, which can be utilized to reduce the effort and complexity of almost all concerned methods. A new finite element program, called Mulgrido, was just developed to realize this concept consistently and to test the proposed methods. Several disadvantages which generally result from grid discretizations are selectively corrected by modified methods. The present work is structured into a geometrical model, a mechanical model and a numerical model. The geometrical model includes digital image-based modeling and in particular several methods for the theory-based generation of inclusion-matrix models. Essential contributions refer to variable shape, size distribution, separation checks and placement procedures of inclusions. The mechanical model prepares the fundamentals of continuum mechanics, homogenization and damage modeling for the following numerical methods. The first topic of the numerical model introduces to a special version of B-spline finite elements. These finite elements are entirely variable in the order k of B-splines. For homogeneous bodies this means that the approximation quality can arbitrarily be scaled. In addition, the multiphase finite element concept in combination with transition zones along material interfaces yields a valuable solution for heterogeneous bodies. As the formulation is element-based, the storage of a global stiffness matrix is superseded such that the memory demand can essentially be reduced. This is possible in combination with iterative solver methods which represent the second topic of the numerical model. Here, the focus lies on multigrid methods where the number of required operations to solve a linear equation system only increases linearly with problem size. Moreover, for badly conditioned problems quite an essential improvement is achieved by preconditioning. The third part of the numerical model discusses certain aspects of damage simulation which are closely related to the proposed grid discretization. The strong efficiency of the linear analysis can be maintained for damage simulation. This is achieved by a damage-controlled sequentially linear iteration scheme. Finally a study on the effective material behavior of heterogeneous bodies is presented. Especially the influence of inclusion shapes is examined. By means of altogether more than one hundred thousand random geometrical arrangements, the effective material behavior is statistically analyzed and assessed.
In recent years, substantial attention has been devoted to thermoelastic multifield problems and their numerical analysis. Thermoelasticity is one of the important categories of multifield problems which deals with the effect of mechanical and thermal disturbances on an elastic body. In other words, thermoelasticity encompasses the phenomena that describe the elastic and thermal behavior of solids and their interactions under thermo-mechanical loadings. Since providing an analytical solution for general coupled thermoelasticity problems is mathematically complicated, the development of alternative numerical solution techniques seems essential.
Due to the nature of numerical analysis methods, presence of error in results is inevitable, therefore in any numerical simulation, the main concern is the accuracy of the approximation. There are different error estimation (EE) methods to assess the overall quality of numerical approximation. In many real-life numerical simulations, not only the overall error, but also the local error or error in a particular quantity of interest is of main interest. The error estimation techniques which are developed to evaluate the error in the quantity of interest are known as “goal-oriented” error estimation (GOEE) methods.
This project, for the first time, investigates the classical a posteriori error estimation and goal-oriented a posteriori error estimation in 2D/3D thermoelasticity problems. Generally, the a posteriori error estimation techniques can be categorized into two major branches of recovery-based and residual-based error estimators. In this research, application of both recovery- and residual-based error estimators in thermoelasticity are studied. Moreover, in order to reduce the error in the quantity of interest efficiently and optimally in 2D and 3D thermoelastic problems, goal-oriented adaptive mesh refinement is performed.
As the first application category, the error estimation in classical Thermoelasticity (CTE) is investigated. In the first step, a rh-adaptive thermo-mechanical formulation based on goal-oriented error estimation is proposed.The developed goal-oriented error estimation relies on different stress recovery techniques, i.e., the superconvergent patch recovery (SPR), L2-projection patch recovery (L2-PR), and weighted superconvergent patch recovery (WSPR). Moreover, a new adaptive refinement strategy (ARS) is presented that minimizes the error in a quantity of interest and refines the discretization such that the error is equally distributed in the refined mesh. The method is validated by numerous numerical examples where an analytical solution or reference solution is available.
After investigating error estimation in classical thermoelasticity and evaluating the quality of presented error estimators, we extended the application of the developed goal-oriented error estimation and the associated adaptive refinement technique to the classical fully coupled dynamic thermoelasticity. In this part, we present an adaptive method for coupled dynamic thermoelasticity problems based on goal-oriented error estimation. We use dimensionless variables in the finite element formulation and for the time integration we employ the acceleration-based Newmark-_ method. In this part, the SPR, L2-PR, and WSPR recovery methods are exploited to estimate the error in the quantity of interest (QoI). By using
adaptive refinement in space, the error in the quantity of interest is minimized. Therefore, the discretization is refined such that the error is equally distributed in the refined mesh. We demonstrate the efficiency of this method by numerous numerical examples.
After studying the recovery-based error estimators, we investigated the residual-based error estimation in thermoelasticity. In the last part of this research, we present a 3D adaptive method for thermoelastic problems based on goal-oriented error estimation where the error is measured with respect to a pointwise quantity of interest. We developed a method for a posteriori error estimation and mesh adaptation based on dual weighted residual (DWR) method relying on the duality principles and consisting of an adjoint problem solution. Here, we consider the application of the derived estimator and mesh refinement to two-/three-dimensional (2D/3D) thermo-mechanical multifield problems. In this study, the goal is considered to be given by singular pointwise functions, such as the point value or point value derivative at a specific point of interest (PoI). An adaptive algorithm has been adopted to refine the mesh to minimize the goal in the quantity of interest.
The mesh adaptivity procedure based on the DWR method is performed by adaptive local h-refinement/coarsening with allowed hanging nodes. According to the proposed DWR method, the error contribution of each element is evaluated. In the refinement process, the contribution of each element to the goal error is considered as the mesh refinement criterion.
In this study, we substantiate the accuracy and performance of this method by several numerical examples with available analytical solutions. Here, 2D and 3D problems under thermo-mechanical loadings are considered as benchmark problems. To show how accurately the derived estimator captures the exact error in the evaluation of the pointwise quantity of interest, in all examples, considering the analytical solutions, the goal error effectivity index as a standard measure of the quality of an estimator is calculated. Moreover, in order to demonstrate the efficiency of the proposed method and show the optimal behavior of the employed refinement method, the results of different conventional error estimators and refinement techniques (e.g., global uniform refinement, Kelly, and weighted Kelly techniques) are used for comparison.
In einer systematischen Interpretation von Vilém Flussers Werk schlägt die Arbeit vor, Flussers Ansatz als einen medienphilosophischen zu verstehen, insofern er das „wie“ der medienphilosophischen Fragestellung in den Mittelpunkt rückt. Medien werden nicht erst dann zu einem wesentlichen Bestandteil von Flussers Philosophie, wenn er sie explizit zum Gegenstand seiner Untersuchungen der gegenwärtigen Kultur und Gesellschaft oder historischer Rückblicke macht; Denken vollzieht sich immer in Medien oder medialen Praktiken, es wird nicht nur von ihnen (mit) geprägt – ohne Medien gäbe es kein Denken und umgekehrt verändert sich Philosophie mit den (jeweils) neuen Medien. Ausgehend von Begriffen oder eher Denkfiguren, die neben dem „was“ des jeweils verhandelten Themas auch das „wie“ der Reflexion selbst adressieren, wird der „Umbruch in der Struktur des Denkens“ zugleich als Beschreibung von Medienumbrüchen verstanden – mit dem Fluchtpunkt des Sprungs in das Universum der Komputation – und als Vollzug der gegenwärtigen Veränderung der „Methode des Denkens“. Flussers (Ver)Suche einer Reflexion, die nicht mehr durch das Medium Schrift strukturiert ist, sondern sowohl alten Medien wie dem Bild – bzw. Praktiken des Abbildens, Darstellens, Einbildens usw. – als auch neuen Medien – dem Komputieren – Geltung verschafft, laufen auf eine widersprüchliche Diagnose des neuen Universums der Komputation (anders: der technischen Bilder) hinaus : eine kybermetisch inspirierte Vision der frei modellierbaren Wirklichkeit(en) einerseits und die Dystopie einer Welt, in der Apparaten Denken, Wahrnehmen und Handeln beherrschen andererseits. Die Arbeit zeigt auf, wie Flusser zu dieser Aporie der Medienreflexion – die weit über Flussers Werk hinaus virulent bleibt – gelangt und wie sie, ausgehend von seiner Figur der Geste, im Sinne einer performativen Medienreflexion gelöst werden könnte.
Im Rahmen der Arbeit wird untersucht, welche Awarenessinformationen in kooperativen Situation benötigt werden. Herangezogen wird dazu das Denver Modell von Salvador et al., das fünf Dimensionen bereit stellt, anhand derer jedwede kooperative Situation klassifiziert werden kann: Abhängigkeit, Zeit, Gruppengröße, Ort und Timing. Bei der untersuchten Situation handelt es sich um eine eng gekoppelte, synchrone, örtlich verteilte geplante Kooperationen in einer Kleingruppe. Als konkrete Ausprägung der so bezeichneten Modellinstanz wird das Chat-basierte Rollenspiel betrachtet. In der Arbeit wird untersucht, welche Awarenessinformationen in einer so charakterisierten Situation benötigt werden und wie diese Awarenessinformationen benutzerfreundlich dargestellt werden können, so dass sie den Benutzer dabei unterstützen, sein kooperatives Ziel bzw. seine Teilziele zu erreichen. Dazu wurde eine Analyse des situativen Bedarfs durchgeführt und tragende Awarenessinformationssäulen identifiziert. Um zu Richtlinien zur Darstellung dieser benötigten Awarenessinformationen zu gelangen, wurden Annahmen aufgestellt, zur Überprüfung eine Studie konzipiert und mit drei Designvarianten durchgeführt. Aus der Datenanalyse wurden Schlussfolgerungen gezogen. Für den erstellten Katalog mit Gestaltungsrichtlinien wurden neben diesen Schlussfolgerungen auch Normen und andere Empirie (Vorerfahrung, Literatur) berücksichtigt. Die eingesetzte Evaluationsform hat sich in der Studie bewährt und sie kann für zukünftige Studien verwendet werden. Auch die Anpassung klassischer Usability-Kriterien für die Präsentation von Awarenessinformationen hat sich bewährt. Durch die Analyse des spezifischen Bedarfs in einer kooperativen Situation wird gewährleistet, dass die Benutzer die Unterstützung erhalten, die erforderlich ist, um die Aufgabe effektiv und effizient bearbeiten zu können, ohne dabei mit unnötigen Informationen überlastet zu werden. Durch Bereitstellung empirisch belegter und theoretisch fundierter Gestaltungsrichtlinien schafft diese Arbeit eine Basis für die zukünftige Entwicklung von Groupwareanwendungen, insbesondere solcher, die Werkzeuge für die Computer-vermittelte, synchrone, eng gekoppelte, geplante Kooperationen in Kleingruppen bereitstellen. Die Arbeit liefert wichtige Erkenntnisse, wie Awarenessinformationen dargestellt werden sollen, d.h. in welcher Platzierung bzw. Gruppierung und in welcher Form, so dass der Benutzer alle wesentlichen Awarenessinformationen schnell entdecken und interpretieren kann, ohne dabei überfordert oder von der Primäraufgabe abgelenkt zu werden.
Ausgehend von der These, dass es keine völlig neuen Medien gibt, Medien vielmehr aus Veränderungen und Hybridisierungen anderer Medien entstehen, stellt die Arbeit die Untersuchung der Narrativität von Videospielen in einen intermedialen Zusammenhang. Dabei werden die medienspezifischen Differenzen der Erzählung und des Erzählens in Film, Fernsehen und Videospielen fokussiert. Neben der Strukturanalyse wird die visuelle Darstellungsebene sowie der Einbezug des Spielers in den Prozess der Narration betrachtet. Dies mündet in einer Theorie der Beobachtungsperspektive und der Handlungsposition des Spielers (Point-of-View und analog "Point-of-Action"), die wichtige Bestandteile des komplexen Erzählersystems der Videospiele bilden. Damit stellt die Arbeit ein, auf Kriterien der Narrativität basierendes, systematisches Beschreibungsinstrumentarium für Videospiele bereit.
In der Dissertation werden die Unsicherheiten von Baugrundkenngrößen für die Erstellung von geologischen Halbraummodellen auf der Grundlage geostatistischer Methoden entgegen dem bislang üblichen Herangehen mit einbezogen. Infolge der unsicheren Kenngrößen ist das abgeleitete Halbraummodell aus unsicheren geologischen Homogenbereichen zusammengesetzt. In einem probabilistischen Sicherheitsnachweis werden die unsicheren Parameter der Grenzzustandsgleichung und das unsichere geologische Modell gemeinsam betrachtet. Die geostatistischen Methoden sind unterteilt in die experimentelle und theoretische Variographie sowie das Kriging. Die Berücksichtigung von unsicheren Eingangskenngrößen für die geologische Modellbildung führt zu Variogrammfunktionen mit unsicheren Parametern. Bis zum experimentellen Variogramm sind die Variogrammparameter und deren Unsicherheit analytisch nachvollziehbar beziehungsweise abschätzbar. In den weiteren Teilschritten der geostatistischen Modellbildung ist der Einfluss unsicherer Kenngrößen auf Teilergebnisse nur numerisch nachzuvollziehen. Für die umfangreichen Simulationen stand keine Software zur Verfügung. Als Teilleistung dieser Arbeit wurde hierfür die eigenständige Anwendung „GeoStat“ erstellt. Sie ermöglicht die Berechnung und Auswertung der Fortpflanzung von Unsicherheiten auf numerischem Weg in beliebigen Teilschritten bis hin zur geologischen Modellbildung. Mit dem Übergang vom experimentellen zum theoretischen Variogramm sind wesentliche Zusammenhänge zwischen der Unsicherheit der Kenngrößen und der Unsicherheiten der Parameter für das sphärische, das exponentielle und das Gauß’sche Modell mit den Ergebnissen aus GeoStat ableitbar. Der Schwellenwert dieser Funktionen ist proportional zur relativen Kenngrößenunsicherheit. Eine Abschätzung der oberen Schranke des Schwellenwertes und dessen Unsicherheit wird angegeben. Die Reichweite ist ein charakteristischer Kennwert des Untersuchungsgebietes. Die Parameterunsicherheiten der Variogrammfunktionen wirken sich in Relation zur Kenngrößenunsicherheit nur gering auf den Prognosewert am unbeprobten Ort infolge des Kriging aus. Die Varianz des Prognosewertes ist geringer als die Kenngrößenvarianzen, aber nicht vernachlässigbar klein. Es ist grundsätzlich zu unterscheiden, ob die Kenngrößenvarianzen ausschließlich durch unsichere Parameter der theoretischen Variogrammfunktion repräsentiert oder deren Eigenvarianzen zusätzlich im Kriging berücksichtigt werden. Mit der alleinigen Berücksichtigung der unsicheren theoretischen Variogrammparameter wird die Standardabweichung der Krigingprognose unterschätzt. Sie haben maßgeblichen Einfluss auf die Krigingvarianz als Modellvarianz und deren Standardabweichung. Mit der Einbeziehung der Kenngrößenunsicherheiten kann die Standardabweichung der Prognose realistischer simuliert werden. Sie hat keinen direkten Einfluss auf die Krigingvarianz. Der abgeleitete Unsicherheitsplot, ein Resultat dieser Arbeit, kombiniert die Modellunsicherheit des Krigings und die Varianz des Prognosewertes im unbeprobten Untersuchungsgebiet auf der Grundlage des Varianzenfortpflanzungsgesetzes. Für geotechnische Sicherheitsnachweise ist neben der Informationsdichte auch die Optimierung des geologischen Modells wesentlich. Dieses ist vom auszuwertenden Grenzzustand auf der Grundlage eines Sicherheitsnachweises abhängig, so dass vor der geostatistischen Baugrundmodellierung die Sensitivität der in den Grenzzustand eingehenden Kenngrößen zu untersuchen ist. Es hat sich gezeigt, dass die Erhöhung der Datengesamtheit für die geologische Modellbildung nur dann sinnvoll ist, wenn parallel die Unsicherheit der relevanten Kenngrößen im Sicherheitsnachweis innerhalb der unsicheren Homogenbereiche reduziert wird. Für den Referenzstandort führen äquivalent zur Berücksichtigung der unsicheren Steifemoduln die unsicheren Halbraummodelle zur erheblichen Zunahme der erforderlichen Fundamentabmessungen. Die Unsicherheit der Steifemoduln war maßgebender als die Unsicherheiten des Halbraummodells, obwohl die Datenbasis für die geostatistische Modellierung gering war. Bisher werden in probabilistischen Sicherheitsnachweisen zwar unsichere Kenngrößen, jedoch deterministische geologische Modelle betrachtet. Die unsicheren Kenngrößen innerhalb der Homogenbereiche eines geologischen Modells haben im aufgezeigten Sicherheitsnachweis zwar den maßgebenden Einfluss, doch sind die Unsicherheiten im geologischen Modell nicht zu vernachlässigen. Wege und Grenzen der Berücksichtigung dieses kombinierten Einflusses werden mit dieser Arbeit untersucht und aufgezeigt. Das Anwendungsbeispiel zeigt, dass die optimale geologische Modellbildung spezifisch für den Sicherheitsnachweis vorzunehmen ist. Werden die Unsicherheiten der Kenngrößen innerhalb der Homogenbereiche und unsicheren geologischen Modelle berücksichtigt, wird ein schärferes Abbild der Realität erreicht.
The detailed structural analysis of thin-walled circular pipe members often requires the use of a shell or solid-based finite element method. Although these methods provide a very good approximation of the deformations, they require a higher degree of discretization which causes high computational costs. On the other hand, the analysis of thin-walled circular pipe members based on classical beam theories is easy to implement and needs much less computation time, however, they are limited in their ability to approximate the deformations as they cannot consider the deformation of the cross-section.
This dissertation focuses on the study of the Generalized Beam Theory (GBT) which is both accurate and efficient in analyzing thin-walled members. This theory is based on the separation of variables in which the displacement field is expressed as a combination of predetermined deformation modes related to the cross-section, and unknown amplitude functions defined on the beam's longitudinal axis. Although the GBT was initially developed for long straight members, through the consideration of complementary deformation modes, which amend the null transverse and shear membrane strain assumptions of the classical GBT, problems involving short members, pipe bends, and geometrical nonlinearity can also be analyzed using GBT. In this dissertation, the GBT formulation for the analysis of these problems is developed and the application and capabilities of the method are illustrated using several numerical examples. Furthermore, the displacement and stress field results of these examples are verified using an equivalent refined shell-based finite element model.
The developed static and dynamic GBT formulations for curved thin-walled circular pipes are based on the linear kinematic description of the curved shell theory. In these formulations, the complex problem in pipe bends due to the strong coupling effect of the longitudinal bending, warping and the cross-sectional ovalization is handled precisely through the derivation of the coupling tensors between the considered GBT deformation modes. Similarly, the geometrically nonlinear GBT analysis is formulated for thin-walled circular pipes based on the nonlinear membrane kinematic equations. Here, the initial linear and quadratic stress and displacement tangent stiffness matrices are built using the third and fourth-order GBT deformation mode coupling tensors.
Longitudinally, the formulation of the coupled GBT element stiffness and mass matrices are presented using a beam-based finite element formulation. Furthermore, the formulated GBT elements are tested for shear and membrane locking problems and the limitations of the formulations regarding the membrane locking problem are discussed.