Modul Wahlpflichtfächer 2, Informatik (Bachelor) (SPO 8)

Das Modul "Augmented & Virtual Reality" behandelt verschiedene Aspekte dieser aufstrebenden Technologien. Der theoretische Teil der Vorlesungen vermittelt ein grundlegendes Verständnis des Mediums, einschließlich Dimensionen der Realität, menschlicher Aspekte, Tracking, Interaktion & Interface, Bewegung, Stereoskopie und Content Creation.

Das Modul kombiniert theoretische Vorlesungen mit praktischen Übungen, um den Studierenden ein umfassendes Verständnis und praktische Fähigkeiten im Umgang mit Augmented & Virtual Reality zu vermitteln. Es werden Lehrmethoden wie Vorlesungen, Diskussionen, praktische Übungen, Projektarbeit und Kooperationen mit externen Institutionen verwendet. Zur Umsetzung der praktischen Übungen kommen verschiedene Technologien und Tools wie 360° Film-Erstellung, 3D-Modellierung, Licht & Texturierung, Unity-Entwicklungsumgebung, VR-Umsetzung mit HTC Vive oder Meta Quest und AR-Umsetzung mit Smartphones, jeweils mit Unity, zum Einsatz.

Das Modul zielt darauf ab, den Studierenden ein fundiertes Verständnis von Augmented & Virtual Reality zu vermitteln und sie mit praktischen Fähigkeiten auszustatten, um eigene Inhalte in diesen Technologien zu erstellen. Durch die theoretischen Kenntnisse und praktischen Erfahrungen sollen die Studierenden in die Lage versetzt werden, innovative und immersive AR- und VR-Anwendungen zu konzipieren, zu entwickeln und zu evaluieren. Am Ende des Moduls sollen die Studierenden in der Lage sein, eigenständig komplexe AR- und VR-Inhalte zu erstellen und zu präsentieren, um die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologien in verschiedenen Bereichen zu demonstrieren.

• Matthias Wölfel, Immersive Virtuelle Realität: Grundlagen, Technologien, Anwendungen, Springer Vieweg Berlin, Heidelberg, Link: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-662-66908-2
• Folien zur Vorlesung
• Jason Jerald, The VR Book: Human-Centered Design for Virtual Reality, Morgan & Claypool Publishers-ACM, 2015
• Joseph LaViola,‎ Doug Bowman,‎ Ernst Kruijff,‎ Ivan Poupyrev & Ryan P. McMahan, 3D User Interfaces: Theory and Practice, Pearson Education, 2017
• Holger Tauer, Stereo-3D, Schiele & Schoen, 2010

Die Vorlesung findet teilweise in immersiver virtueller Realität statt. Es werden dafür VR-Brillen an die Studierenden ausgeteilt.

• Parameter zur Auswahl eines DSP
• Architektur und Assembler eines Fließkommaprozessors
• Programmierung in C mit der integrierten Entwicklungsumgebung
• Anschluss an die Umwelt: A/D-Wandler und serielle Schnittstelle
• Interruptprogrammierung und Timer
• Konzept der Blockverarbeitung und DMA
• Echtzeitbetriebssystem
• Strukturierung der Verfahren zur digitalen Signalverarbeitung im Hinblick auf echtzeitfähige Implementierung
• Entwicklung und Implementierung auf einem DSP eines Projektes zur Digitalen Signalverarbeitung

• Reay, Donald: Digital Signal Processing and Applications with the OMAP - L138 eXperimenter, Wiley, 2012
• J Welch, Thad: Real-Time Digital Signal Processing from MATLAB® to C with the TMS320C6x DSPs Second Generation, CRC Press, 2012
• Chassaing, Rulph: Digital Signal Processing and Applications with the C6713 and C6416 DSK, Wiley, 2005. Schuler, H.: Prozessführung, Oldenbourg, 1999
• Doblinger, Gerhard: Signalprozessoren: Architekturen, Algorithmen, Anwendungen, Schlembach, Weil der Stadt, 2004
• Dahnoun, Naim: DSP implementation using the TMS320C6000 DSP platform, Prentice Hall, Harlow, 2000
• Bateman, Andrew: The DSP handbook: algorithms, applications and design techniques, Prentice Hall, Harlow, 2002
• Kehtarnavaz, Nasser; Simsek, Burc: C6x-Based Digital Signal Processing, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 2000

Veranstaltung bei EIT, siehe

https://www.hs-karlsruhe.de/fileadmin/hska/EIT/Bachelor/EITB/Downloads/MHBElektroUndInformationstechnikVersion1.pdf

Es werden die wichtigsten Frameworks für die "klassische" Anwendungsentwicklung an jeweils einem durchgängigen Beispiel vorgestellt:

1. Flask: Ein populäres Micro-Framework mit 62.000 Stars bei GitHub, um REST- und GraphQL-Schnittstellen zu entwickeln.
2. FastAPI: Ein modernes Micro-Framework mit 54.000 Stars bei GitHub, um REST- und GraphQL-Schnittstellen zu entwickeln.
3. Django: Ein mächtiges, sehr weit verbreitetes Web-Framework. Für eine REST- oder GraphQL-Schnittstelle bräuchte man django-rest-framework, das "nur" 25.000 Stars bei GitHub hat.

In einem fließenden Übergang zwischen Vorlesungen und Übungen wird für jedes Framework ein durchgängiges Beispiel bereitgestellt, und zwar von der Schnittstelle (REST, GraphQL) bis zur Datenbank (PostgreSQL, MySQL, SQLite). Das objektrelationale Mapping wird durch SQLAlchemy umgesetzt. Weiterhin wird jedes Beispielprojekt als Docker-Image gebaut und mit Docker Compose als Container zum Laufen gebracht. Die Beispiele werden gemeinsam auf den studentischen Notebooks mit VS Code installiert und erläutert.

Bei diesen angeleiteten Übungen mit fertigen und lauffähigen Anwendungen werden die Studierenden auch mit der notwendigen Infrastruktur für Python vertraut gemacht. Dazu gehört z.B.

• eine virtuelle Umgebung mit venv
• ein Package Manager durch pip zzgl. pyproject.toml
• ASGI (Asynchronous Server Gateway Interface) durch wahlweise uvicorn, hypercorn und daphne
• Asynchrone Integrationstests mit pytest und httpx für HTTP/2
• Codeanalyse durch mypy, pyright, pylint, flake8, ruff und SonarQube sowie refurb
• Security-Analyse durch bandit und safety
• Codeformatierung durch black
• Generierung der API-Dokumentation mit mkdocs mit Material Design zzgl. PlantUML für UML- und ER-Diagramme
• Lasttests mit locust

• Flask https://flask.palletsprojects.com
• FastAPI https://fastapi.tiangolo.com
• SQLAlchemy https://www.sqlalchemy.org
• Strawberry https://strawberry.rocks
• Marshmallow https://marshmallow.readthedocs.io
• Pydantic https://github.com/pydantic/pydantic

Das Wahlpflichtfach findet 14-tägig freitags im 3. und 4. Block statt; Beginn ist in der 2. Vorlesungswoche. Es wird vorerst nur im Sommersemester angeboten.

Im Rahmen der Vorlesung werden zunächst die Begrifflichkeiten des Geschäftsprozessmanagements geklärt, bevor dann unterschiedliche Konzepte zur Geschäftsprozessaufnahme und -modellierung dargestellt und untersucht werden. Hierbei wird auch auf die Unterstützung durch geeignete Vorgehensmodelle und Software-Tools eingegangen. Auch neuere Konzepte, wie etwa das Process Mining, werden hier behandelt. Mithilfe entsprechender Tools werden Geschäftsprozesse aufgenommen und anschließend im Rahmen einer Fallstudie simuliert. Abschließend werden Aspekte der Qualitätssicherung von Prozessen, der Bewertung der Leistungsfähigkeit von Prozessen sowie der Prozesskostenrechnung behandelt. Die Studiernden sollen dabei in die Lage versetzt werden, eigenständig die Prozesse im Unternehmensumfeld bearbeiten zu können (Erfassung, Modellierung, Analyse).

Im Überblick:

• Der Prozessbegriff und Prozessarten
• Vorgehensmodelle im Prozessmanagement
• Prozessanalyse (Aufnahme von Prozessen)
• Prozessmodellierung (Veränderung von Prozessen)
• Werkzeuge der Prozessmodellierung
• Prozesssimulation
• Process Mining
• Kennzahlen zur Bewertung von Geschäftsprozessen

• Skript
• Übungsaufgaben
• Fallstudien (im ILIAS-System der Hochschule Karlsruhe)
• Zugang zu verschiedenen Werkzeugen

Seminaristischer Unterricht: Vorlesung, Fallstudien, Übungen

Grafisch-geometrische Algorithmen lösen Probleme, die auf geometrische Objekte wie Punkte, Linien, Flächen und Körpern im zwei- oder mehrdimensionalen Raum basieren (Algorithmische Geometrie, computational geometry). Diese Algorithmen und ihre zugrundeliegenden Datenstrukturen werden unter anderen in den Bereichen der Computergrafik, Robotik und Geoinformationssysteme angewendet. 

Studenten lernen typische Algorithmen aus der Algorithmischen Geometrie, deren Enturfsprinzipien und Anwendungsbereiche kennen. 
Sie werden befähigt die Algorithmen hinsichtlich ihrer Korrektheit, des Resourcenverbrauchs und Robustheit zu untersuchen und zu vergleichen.

Unter anderem werden folgenden Probleme exemplarisch behandelt:
Berechnung konvexer Hüllen, Schnitt- und Abstandsprobleme, Triangulierung von Polygonen, Geometrische Datenstrukturen wie kd-Bäume.
 

Mark de Berg, Otfried Cheong, Marc van Kreveld, Mark Overmars: "Computational Geometry: Algorithms and Applications", 2008, 3. Auflage, Springer-Verlag
Franco P. Preparata, Michael Shamos: "Computational Geometry: An Introduction", 1985, Springer-Verlag
Spezielle weiterführende Literatur wird in der Vorlesung bekannt gegeben. 

Die HKA-APP soll umfassende Funktionen für Studierende aller Fakultäten der HKA bereitstellen:

• https://www.h-ka.de/hka-app/
• https://www.youtube.com/watch?v=OcyRZrwXzVM

Hierzu gehören vorrangig Funktionen aus den sogen. Online-Services auf Basis des LSF-Servers (Veranstaltungen/Stundenplan, Einrichtungen, Personen, Studentisches Leben), des QIS-Servers (Notenansicht) und anderer Server (Mensa, KIT, KVV, …). Weitere Formate und Funktionen sind möglich:

• Erstellung bzw. Weiterentwicklung für Android, iOS, Windows, Web und unseren Broker/Server sowie die neue Ersti-Hilfe
• Bereitstellung in Google Play, Apple App Store, Microsoft Windows Store und als Web-App
• Marketing auf verschiedenen Kanälen (WebSite, FaceBook, Instagram, HKA Site, Werbemittel, …)
• Benutzersupport
• Kommunikation an der Hochschule (Campustag).

http://www.hka-app.de

https://www.facebook.com/hkaapp

https://www.instagram.com/hka_app/

Start-up Veranstaltung, Bildung von Gruppen, Projektplan, Projektmeetings, Entwicklung, Begleitung in allen Projektphasen

Zunächst erhalten die Studierenden einen Überblick über den internationalen Consultingmarkt und lernen die methodische Grundlagen dieser Branche sowie die Arbeitsschwerpunkte des IT-Consultings kennen. Es wird auf verschiedene Ansätze der Strategieberatung, Prozessberatung und IT-Systemberatung mit den jeweiligen Beratungswerkzeugen und -methoden eingegangen. 

• Vorlesungsmaterial vollständig in Powerpoint-Folien
• Tafelaufschrieb bei interaktiver Erarbeitung von Kernproblemstellungen
• Vorgaben zu Case Study Material

Teilnahme Vorlesung, Bearbeiten von Case Studie in der Gruppe zur Anwendung und Vertiefung verschiedener Beratungsansätze

Technische und topologische Mechanismen zur Netzwerksicherung, Angriffsmuster und Abwehrstrategien, Grundlagen, Ausprägungen und Abwehr von malicious Software, Analyse und Beurteilung von Sicherheit und sicherheitstechnischen Vorgängen. Am Ende der Vorlesungsveranstaltung werden praktische Fallbeispiele geübt, die einen Eindruck von der Anwendung der Vorlesungsinhalte bieten.

• Powerpoint-Folien

Vorlesung mit gewünschten Zwischenfragen; praktische Übungen im Netzwerklabor unter Anleitung der Dozenten

Die Studierenden verfügen über umfassende theoretische und praktische Kenntnisse in der Konzeption, Gestaltung und Präsentation von interaktiven Projekten. Sie simulieren anhand von Webseitenprojekten oder Applikationen für mobile Endgeräte den Arbeitsalltag der Kreativabteilungen von Multimedia-Agenturen.

Sie lernen an Beispielen, wie Gestaltungsaufträge in der Praxis umgesetzt werden. Dazu gehören Arbeitsschritte wie Kundenbriefing, Brainstorming, Designkonzept, Moodboard, Entwurfsgestaltung, Prototypenbau und Präsentation der Projekte.

• Vorlesungsunterlagen
• Fallbeispiele aus der Praxis

Seminaristische Vorlesung mit Übungsaufgaben.

Die Studierenden erlernen auf praktische Art und Weise das Architekturprinzip der Microservices, die sich neben herkömmlichen, schwerfälligen Applikationsservern etabliert haben. Anhand eines durchgängigen Beispiels werden Microservices mit folgender Plattform entwickelt:

• Kubernetes (einschl. Helm) und Docker-Images für Virtualisierung, Orchestrierung, Service-Registry, usw. Dazu werden die Produkte Docker Desktop Community und Lens als Administrationswerkzeug verwendet.
• Spring Boot als Framework, um Microservices mit REST und auch GraphQL als Schnittstelle zu implementieren.
• Spring Data JPA, um mit Hibernate und dem Standard Jakarta Persistence auf relationale Datenbanksysteme zuzugreifen.
• PostgreSQL, MySQL und Oracle XE werden als relationale Datenbanksysteme mit den Administrationswerkzeugen pgadmin, phpMyAdmin und SQL Developer verwendet und allesamt in Kubernetes installiert und betrieben.
• IntelliJ IDEA Ultimate wird als IDE eingesetzt. Für IntelliJ IDEA Ultimate - und sonstige Produkte von JetBrains - können Studierende der HKA auf Initiative des Dozenten seit 2014 eine kostenlose Lizenz erhalten, die für 1 Jahr gültig ist.
• Gradle mit Cloud Native Buildpacks wird als Buildsystem benutzt.

"Spring Framework Documentation", https://docs.spring.io/spring/docs/current/spring-framework-reference

"Spring Boot Reference Guide", https://docs.spring.io/spring-boot/docs/current/reference/htmlsingle

"Spring GraphQL Reference", https://docs.spring.io/spring-graphql/docs/1.0.0-M2/reference/html

"Spring Data JPA", https://docs.spring.io/spring-data/jpa/docs/current/reference

Docker, https://www.docker.com/why-docker

Kubernetes, https://kubernetes.io/docs

Aufbau von Anwendungen mit mikrotechnologischem Schwerpunkt. Beispiele sind autonome Kleinstluftschiffe, selbstüberwachte erste Hilfe Kästen, energieautarke Türschilder, Komponenten des „High Speed Karlsruhe“ Rennwagens wenn der Student in diesem Projekt mitarbeitet (https://www.highspeed-karlsruhe.de/).

Wie funktioniert eigentlich ein mobiles Kommunikationssystem, z.B. ein Handy- oder WLAN-Netz? Diese Frage, die sich viele sicherlich schon einmal gestellt haben, kann durch Studium der Standarddokumente mehr oder weniger umfassend beantwortet werden. Allerdings hat die Antwort nur eine sehr geringe "Halbwertzeit": So wie es z.B. im Laufe der letzten 25 Jahren mit GSM, UMTS, LTE und 5G vier Generationen von Mobilfunknetzen gegeben hat, wird es im Laufe des Berufslebens der aktuellen Studierendengeneration noch unzählige weitere Netzgenerationen geben. Daher beantwortet die Vorlesung vielmehr die Fragen: Was sind grundsätzliche Problemstellungen, die mobile Netze auch noch in Jahrzehnten lösen müssen? Was sind allgemeingültige Lösungsansätze? Und wie werden diese Ansätze in aktuellen Mobilkommunikationssystemen angewendet? Dabei werden die drahtlose Signalübertragung, der Zugriff auf ein geteiltes Funkmedium und der Umgang mit Mobilität untersucht. Als Beispielsysteme werden WLAN, Bluetooth, Mobilfunknetze von GSM über UMTS mit HSDPA bis zu LTE und 5G sowie Mobilität auf Vermittlungs- und Transportschicht betrachtet.

• Jochen Schiller, Mobilkommunikation. Pearson Studium, 2003.
• Martin Sauter, Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme, 7. Auflage, 2018 (als E-Book über die KIT-Bibliothek verfügbar)
• Vorlesungsfolien und -mitschriften

Weitere Literaturhinweise werden in der Vorlesung gegeben.

This course covers the following areas.

1. Embedded software engineering

2. Programming language design and analysis.

   We will use the Go programming language to cover various aspects of programming language design and analysis.

• Introduction to Go, a C style language with garbage collection.
• Type inference
• Method overloading
  • Go interfaces
  • Connection to other overloading approaches
• Syntax analysis
• Program analysis
• Concurrency
  • Multi-threading
  • Message-passing
  • Shared memory and data races

• lectures notes and slides
• exercies
• online references

Prerequisistes:

    Softwareprojekt + Autonome Systeme

Neben Java als Plattform für Frameworks, wie z.B. Spring, hat sich JavaScript etabliert und wird von renommierten Unternehmen, wie z.B. PayPal, Netflix und Facebook nicht nur auf der Clientseite, sondern auch auf der Serverseite erfolgreich eingesetzt. Dazu hat auch Express beigetragen, das jedoch seit 2016 fast nicht mehr weiterentwickelt wird. Außerdem ist JavaScript als nahezu typfreie Programmiersprache anfällig für Laufzeitfehler. Seit TypeScript und VS Code jeweils von Microsoft veröffentlicht wurden, hat sich das grundlegend geändert. Bis auf wenige Ausnahmen sind alle großen und etablierten JavaScript-Frameworks und -Bibliotheken mittlerweile in TypeScript implementiert. Vereinfachend gesagt: TypeScript ist ein "typsicheres JavaScript", in dem auch künftige JavaScript-Features mitunter 2 Jahre vorher verfügbar sind.

Die Veranstaltung gliedert sich deshalb in einen Server- und einen Client-Teil:

• Nest als modernes Framework für Serveranwendungen.
• Angular (von Google) und React (von Facebook) als führende Frameworks bzw. Bibliotheken für Webapps.

Nest als serverseitiges Framework ist in TypeScript implementiert und ähnelt in vielfacher Weise dem Spring Framework für die Java-Plattform. Es ist das JavaScript-Framework, das in der letzten Jahren bei den Download-Zahlen am stärksten gewachsen ist. Mit einem lauffähigen Beispiel werden folgende Features erläutert:

• REST- und GraphQL-Schnittstelle
• Zugriff auf relationale DB-Systeme durch TypeORM als OR-Mapper
• Authentifizierung und Token-basierte Autorisierung

An weiteren lauffähigen Beispielen werden Angular und React erläutert und ihre Unterschiede herausgearbeitet:

• Angular mit objektorientierten UI-Komponenten und objektorientierter Programmierung in TypeScript; React mit funktionalen UI-Komponenten und funktionaler Programmierung
• Angular als nahezu vollständiges Framework; React als leichtgewichtige Bibliothek mit notwendigerweise ergänzenden Bibliotheken z.B. für Routing, Formulare oder den Zugriff auf Backend-Systeme

• TypeScript https://www.typescriptlang.org
• Nest https://nestjs.com
• GraphQL https://graphql.org
• TypeORM https://typeorm.io
• Angular https://angular.io
• React https://reactjs.org
• Bootstrap https://getbootstrap.com

Das Wahlpflichtfach wird nur im Wintersemester angeboten.

This course introduces the principles, theories and concepts of statistics and data modelling.

Students will learn

• how to construct and interpret graphical presentations of data,
• conduct appropriate statistical tests, use the appropriate techniques in data modelling,
• interpret the results generated,
• apply these statistics and data modelling techniques in practical projects, and
• develop real world analytics solutions using Spark Machine Learning and Scala.

Einsatzbereiche von Industrie- und Servicerobotern, Kinematiktypen, Koordinatentransformationen, kinematische Modellierung von Manipulatoren, Bahnplanung, Sensorik, Steuerungsarchitektur (Hardware und Software), Programmiermethoden, Programmiersprachen

• Skript

Seminaristischer Unterricht

Die Teilnehmer werden in die Lage versetzt, sich in einem Rechenzentrumsbetrieb mit internen und externen Schnittstellen zurechtzufinden und ihren persönlichen Beitrag gemäß ihren Fähigkeiten in einer solchen Organisation einzubringen.

• Mitschrift
• Vertiefung im eLearning-System

Unterricht; Übungen im eLearning-System

Die Vorlesung gibt einen Überblick über die Forschung und Entwicklung von Serious Games, ihren verschiedenen Einsatzgebieten in den Bereichen Lernen, Kommunikation und Engineering. Es werden Konzeption, Design, Produktionsprozesse und Wirkungsweisen von Serious Games anhand veröffentlichter Produktionen detailliert präsentiert. Nach dieser grundlegenden Wissensvermittlung über Serious Games erarbeiten die Studierenden dann ein Konzept für das "ultimative Serious Game": Die echte Welt retten.

Lernziele der Theorie:

• Learning Game Design Methodologie für Serious Games unter Einbeziehung von recherchierten Real-Daten
• Entwicklungs-Geschichte von Serious Games an der Schnittstelle von Wissenschafts-Simulation und Entertainment Games.
• Grundlagen in System Dynamics, systemischem Denken und Modellbildung

Lernziele der praktischen Aufgaben:

• Recherche für das Thema des zu konzipierenden Serious Games.
• Anwenden der Learning Game Design Methodologie anhand einer gemeinsamen Serious Game Konzeption.

• Salen, Katie, Zimmerman Eric, Rules of Play - Game Design Fundamentals, The MIT Press 2003
• Salen, Katie, Zimmermann Eric, The Game Design Reader - A Rules of Play Anthology, The MIT Press 2006
• Schell, Jesse, The Art of Game Design - A book of lenses, second edition, CRC Press, Tayler & Francis Group 2015
• McGonigal, Jane, Besser als die Wirklichkeit!: Warum wir von Computerspielen profitieren und wie sie die Welt verändern, Heyne Verlag 2011
• Prensky, Marc,  Don’t bother me mom, I’m learning! : how computer and video games are preparing your kid for a 21st century success and how you can help!, Paragon House, 2006
• Gee, James Paul, Good video games and good learning: collected essays on video games, learning and literacy, Peter Lang Publishin

Der Leistungsnachweis dieser Vorlesung wird die Abgabe eines Spielkonzepts für das "ultimative Serious Game" sein, das - in Einzel- oder Gruppenarbeit - mit der vermittelten Learning Game Design - Methodologie vermittelt wurde. Das Spielübersichts-Diagramm dieses Spielkonzepts wird als dynamisches System-Design mit einer visuellen Programmiersprache umgesetzt.

Die Vorlesung führt in verschiedene Konzepte und Bereiche des Sounddesign ein. Neben technischen Grundlagen zu:

• Raumklang und Wellen
• Aufnahmetechnik, Speicherung und Verarbeitung
• Klangsynthese

werden auch kreative Einsatzgebiete von Sounddesign wie:

• Audiobearbeitung
• Musik- und Audioproduktion
• Musiktheorie
• Einsatz und Wirkung von Sound in Anwendungen oder Filmen

angeschnitten. Es wird gezeigt, wie professionelle Klanglandschaften und Stimmungen gestaltet werden können, um gewünschte Wirkungen zu erzielen.

Die Vorlesung wird von Übungsaufgaben begleitet, in denen das Wissen praktisch angewandt wird. Die Inhalte der Aufgaben reichen von der Bearbeitung von Audiospuren, über Klangsynthese und Vertonung von Film-Szenen bis hin zur Entwicklung von Sound-Brands.

• Vorlesungsskript
• Fallbeispiele aus der Praxis

Seminaristische Vorlesung mit Übungsaufgaben