Modul Wahlpflichtfächer 2, Medieninformatik (Bachelor) (SPO 6)

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.

Mit Hilfe des Werkzeugs CANoe modellieren die Teilnehmer ein Steuergerät aus dem Bereich der Kraftfahrzeugelektronik. Das Projekt wird um Aufgaben aus dem Bereich der Signaldecodierung ergänzt.

• Aufgabenbeschreibung

Laborteilnahme, Achtung nur nach Besuch des Wahlpflichtfaches I W611!

Es werden wichtige Frameworks für die "klassische" Anwendungsentwicklung mit Python vorgestellt (WAS):

1. FastAPI: Ein modernes Micro-Framework mit 72.800 Stars bei GitHub, um REST- und GraphQL-Schnittstellen zu entwickeln.
2. Flask: Ein populäres Micro-Framework mit 66.900 Stars bei GitHub, um REST- und GraphQL-Schnittstellen zu entwickeln.
3. Django: Ein populäres Web-Framework mit 75.000 Stars bei GitHub.

In einem fließenden Übergang zwischen Vorlesungen und Übungen wird für jedes Framework ein durchgängiges Beispiel bereitgestellt (WOMIT), 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 requests
• Codeanalyse durch mypy, pyright, pylint, flake8 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

Dadurch erwerben die Studierenden die Kompetenz, um die Vor- und Nachteile von etablierten Python-Frameworks gegenüber Frameworks mit z.B. Java oder JavaScript abzuwägen (WOZU).

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

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. 

HsKAmpus soll umfassende Funktionen für Studierende aller Fakultäten der HsKA bereitstellen:

• https://www.h-ka.de/hskampus/
• 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, HsKA Site, Werbemittel, …)
• Benutzersupport
• Kommunikation an der Hochschule (Campustag).

http://www.hskampus.de

https://www.facebook.com/hskampus

https://www.instagram.com/hskampus/

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 (WAS).

Anhand eines durchgängigen Beispiels werden Microservices mit folgender Plattform entwickelt (WOMIT):

• 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 23c Free 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.

Dadurch erwerben die Studierenden die Kompetenz, um die Vor- und Nachteile von Microservices gegenüber monolithischen Architekturen abzuwägen (WOZU).

"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

"Learn Kotlin", https://kotlinlang.org/docs/reference
"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 Data MongoDB", https://docs.spring.io/spring-data/mongodb/docs/current/reference/html
"Spring Security Reference", https://docs.spring.io/spring-security/site/docs/current/reference/htmlsingle

Docker, https://www.docker.com/why-docker
Kubernetes, https://kubernetes.io/docs
Istio, https://istio.io/latest/docs
"The MongoDB Manual", https://docs.mongodb.com/manual

In der Vorlesung „Mobilkommunikation“ lernen die Studierenden die grundlegenden Prinzipien und Technologien mobiler Kommunikationssysteme kennen. Nach Abschluss der Veranstaltung können sie Problemstellungen mobiler Netzwerke wie drahtlose Signalübertragung, Medienzugriff und Mobilitätsmanagement beschreiben, Lösungsbausteine zur Lösung dieser Probleme identifizieren und anwenden sowie bestehende Lösungen bewerten. Außerdem sind sie in der Lage, die Eigenschaften und Anwendungen verschiedener drahtloser Systeme wie WLAN, Bluetooth, Mobilfunktechnologien (z. B. GSM, UMTS, LTE, 5G) und deren zugrunde liegenden Protokolle und Architekturen zu analysieren.

Die Vorlesung behandelt folgende Inhalte:

• Grundlagen mobiler Kommunikation: Drahtlose Signalübertragung, Multiplexing-Techniken, Bandspreizverfahren, OFDM, MIMO und Mehrwegeausbreitung.
• Medienzugriff: Verfahren wie Aloha, Carrier Sense Multiple Access (CSMA) und zeitschlitzbasierte Protokolle.
• Mobilitätsmanagement: Positionsmanagement, Handover und Routing in mobilen Netzen.
• Technologien und Standards: WLAN (IEEE 802.11), Bluetooth, Mobilfunknetze (GSM, UMTS, LTE, 5G).

Die Veranstaltung wird im Flipped Classroom-Format durchgeführt. Die Studierenden bereiten sich eigenständig mit Vorlesungsfolien und Erklärvideos auf die Live-Termine vor. In den Präsenzveranstaltungen werden die Inhalte durch Fallstudien und praktische Übungen vertieft. Die Prüfungsleistung besteht je nach Vereinbarung aus einer mündlichen Prüfung oder einer schriftlichen Klausur. Der Gesamtarbeitsaufwand beträgt 60 Stunden, wovon 20 Stunden auf asynchrones Lernen, 20 Stunden auf Präsenzveranstaltungen und 20 Stunden auf die Prüfungsvorbereitung entfallen.

• Foliensammlung und Erklärvideos im ILIAS-System
• Jochen Schiller, Mobilkommunikation. Pearson Studium, 2003
• Martin Sauter, Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme, 8. Auflage, 2022 (als E-Book über die KIT-Bibliothek verfügbar)
• Weitere Hinweise in ILIAS und in der Vorlesung

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

• Foliensammlung
• Tafelmitschrift
• Ausgearbeitete Beispiele und Übungen
• Online Referenzen

Voraussetzung:

• Grundkenntnisse in UML (Struktur- und Verhaltensdiagramme,)
• Programmierkenntnisse C++,
• Logik (zumindest Aussagenlogik),
• Lexer, Parser, EBNF (grundlegenden Compilerbaukenntnisse)

Seminaristischer Unterricht, ein Drittel der Vorlesung als betreute Projektarbeit (Labor) um die Anwendung des theoretischen Wissens zu ermöglichen.

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 (WAS):

• Nest als modernes Framework für Serveranwendungen, das in TypeScript implementiert ist und in vielfacher Weise dem Spring Framework für die Java-Plattform ähnelt.
• Angular (von Google) und React (von Meta) als führende Frameworks bzw. Bibliotheken für Webapps.

Mit einem lauffähigen Beispiel werden für Nest folgende Features erläutert (WOMIT):

• 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 (WOMIT):

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

Dadurch erwerben die Studierenden die Kompetenz, um einerseits den Einsatz von einem JavaScript-basierten Framework für die Serverentwicklung abzuwägen und andererseits zu entscheiden, ob für die Client-Entwicklung ein Framework wie Angular oder eine leichtgewichtige Bibliothek wie React angemessen ist (WOZU).

• 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

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 Publishing, Inc., New York, 2007

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