https://opendata.uni-halle.de//handle/541532/3152 Thu, 05 Mar 2026 17:28:27 GMT 2026-03-05T17:28:27Z https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/124124 Title: From registration to evaluation: towards efficient human-robot interaction Author(s): Mielke, Tonia Abstract: Human-Robot Interaction (HRI) enables the integration of human expertise into robot control, allowing systems to adapt to dynamic and complex environments. This requires intuitive and efficient user interfaces, with hand gesture interaction emerging as a promising approach. Additionally, the integration of Extended Reality (XR) has shown potential to support HRI. However, several challenges remain that must be addressed to ensure efficient HRI. First, accurate interaction and the integration of XR into robotic workspaces require a spatial registration between the robot and the corresponding interaction or virtual coordinate frames. Therefore, the first part of this thesis explores XR-to-robot registration techniques, demonstrating that point-based methods enable efficient registration. Further analysis revealed that registration accuracy can be significantly improved by carefully selecting the tracking method and point characteristics. Registration accuracy can be further enhanced by employing a proposed refinement approach, which integrates points recorded between registration points. The second part addresses interaction-specific challenges. Hand gestures inherently lack haptic feedback, which can complicate contact-intensive tasks. Two approaches are explored to mitigate this: partial automation and sensory substitution. Results indicate that both strategies improve performance while partial automation also reduces operator workload. Another challenge arising is fatigue caused by the sustained hand posture. To address this, different control modes and sensor placements are explored. It is found that position control outperforms rate control, and that while robot-mounted sensors enable precise control, environment-mounted sensors can reduce fatigue. Human-centered investigations require extensive user studies, which are often constrained by the cost and limited availability of physical robotic setups. XR environments offer a promising alternative by simulating such setups. To evaluate the validity of results from user studies conducted in XR environments, this thesis compares two degrees of virtualization across three tasks. The findings indicate that while performance in precision tasks is setupdependent, XR-based studies can produce valid results for broader tasks. A follow-up study on force assistance techniques in both XR and physical setups extends these findings, showing that even when absolute performance differs, relative trends remain consistent across environments. By addressing three key factors - registration, interaction design, and evaluation setup - this work is an important step towards efficient HRI. The findings provide evidence-based recommendations for registration techniques, force assistance strategies, interaction design, and the use of XR in user studies, contributing to more intuitive and accessible HRI.; Die Mensch-Roboter-Interaktion (HRI) ermöglicht die Integration menschlicher Expertise in die Robotersteuerung, wodurch sich Robotersysteme an dynamische und komplexe Umgebungen anpassen können. Ein vielversprechender Ansatz für die dafür erforderliche intuitive und effiziente Steuerung ist die Interaktion mittels Handgesten. Darüber hinaus hat sich die Integration von Extended Reality (XR) als unterstützend für die HRI erwiesen. Dennoch bestehen weiterhin Herausforderungen, deren Bewältigung eine Voraussetzung für eine effiziente Steuerung darstellt. Zunächst erfordern die präzise Interaktion und Integration von XR in Arbeitsbereiche von Robotern eine räumliche Registrierung zwischen dem Roboter und den entsprechenden Interaktions- oder virtuellen Koordinatensystemen. Daher untersucht der erste Teil dieser Arbeit XR-zu-Roboter- Registrierungstechniken und zeigt, dass punktbasierte Methoden eine effiziente Registrierung ermöglichen. Weitere Analysen verdeutlichen, dass die Registrierungsgenauigkeit durch die gezielte Auswahl der Trackingmethode und der Eigenschaften der verwendeten Punkte signifikant verbessert werden kann. Die Registrierungsgenauigkeit kann weiter erhöht werden, indem ein Verfeinerungsansatz angewendet wird, der Punkte einbezieht, die zwischen den Registrierungspunkten erfasst wurden. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit interaktionsspezifischen Herausforderungen. Freihandgesten bieten definitionsgemäß kein haptisches Feedback, wodurch kontaktintensive Aufgaben erschwert werden. Um dies zu kompensieren, werden zwei Ansätze untersucht: Teilautomatisierung und sensorische Substitution. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Strategien die Leistung verbessern können, wobei die Teilautomatisierung zusätzlich die Arbeitsbelastung der Benutzer*innen reduziert. Eine weitere Herausforderung ist die Muskelermüdung durch die andauernde Handhaltung. Um dem entgegenzuwirken, werden verschiedene Steuerungsmodi und Sensorplatzierungen evaluiert. Dabei zeigte sich, dass die Positionssteuerung der Geschwindigkeitssteuerung überlegen ist und dass am Roboter befestigte Sensoren zwar eine präzise Steuerung ermöglichen, in der Roboterumgebung platzierte Sensoren, jedoch die Ermüdung verringern können. Da menschenzentrierte Untersuchungen umfangreiche Nutzerstudien erfordern, diese jedoch häufig durch Kosten und begrenzten Zugang zu physischer Hardware eingeschränkt sind, bieten XR-Umgebungen eine vielversprechende Alternative, indem Testumgebungen simuliert werden. Zur Bewertung ihrer Validität vergleicht diese Arbeit zwei Virtualisierungsgrade anhand dreier Aufgaben. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leistung bei Präzisionsaufgaben zwar von der Studienumgebung abhängt, XR-basierte Studien für gröbere Aufgaben jedoch valide Ergebnisse liefern können. Eine ergänzende Studie zu Kraftunterstützungstechniken in XR- und physischen Umgebungen erweitert diese Ergebnisse und zeigt, dass selbst bei unterschiedlichen absolute Ergebnissen, relative Trends über die Umgebungen hinweg vergleichbar sind. Durch die Analyse der drei zentralen Einflussfaktoren - Registrierung, Interaktionsdesign und Evaluierungsumgebung - leistet die vorliegende Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung effizienter HRI. Aus den Ergebnissen lassen sich evidenzbasierte Empfehlungen für Registrierungstechniken, Strategien zur Kraftunterstützung, das Interaktionsdesign sowie den Einsatz von XR in Nutzerstudien ableiten. Diese tragen zu einer intuitiveren und zugänglicheren HRI bei. Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/124124 2025-01-01T00:00:00Z https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/123433 Title: Conceptualization and implementation of eudaimonic well-being in HCI Author(s): Jörs, Julian Marvin Abstract: The question of which paradigms, doctrines, or even ethical and legal guidelines should determine the exact formof human-centeredness in computer science remains open in the development of human-centered systems. Especially in the discussion about the use of automated decision-making systems, which increasingly make use of artificial intelligence architectures, there is a continuum of opinions ranging from a dystopian characterization of the future to the study of artificial intelligence (AI) as a cure-all. When attempting to define ethical principles, it must be acknowledged that the interpretation of moral principles of good and evil remains a question of individual reasoning. The separation into the two instances therefore did not seem to make sense in approaching the concept of human-centeredness. Frankly, the hermeneutics of human-centeredness is complex to the extent that necessitated a focus on alternative, supposedly more robust doctrines of development: the harmonization of human-centeredness and eudaimonic well-being, or rhetorically: is a system possibly human-centered if it contributes to human’s well-being in some way? This paradigm forms the core of the entire dissertation. In a narrow sense, this paradigm is a compromise that the weakness of ethics prevents us from formalizing, structuring, or even defining a boundary object or a theoretical framework for computer science. Eudaimonia, as a historical school of thought in Aristotelian philosophy, is a virtue ethics that obligates individuals morally to focus on their virtues of action, not the goal of their actions. One might think that it is too weak, reusing my own wording, but eudaimonia has been given a psychological research perspective that has manifested itself in emerging patterns of behavior and orientation over the last few decades. Hence, an opportunity arose for computer science and at the same time a research gap to draw the form of human-centered development of systems with the help of the eudaimonic perspective. The eudaimonic perspective of well-being opened up the possibility of avoiding a discussion about good and evil along the observed dimensions of behavior. The dissertation is intended to provide a comprehensible introduction to the topic, i.e. first of all, the use of the term eudaimonia in human-computer interaction (HCI) was explored. It is supplemented by a further literature study that shows a range of measurement applications specifically in the context of HCI. They serve us to derive a uniform understanding of the term, take into account the perspectives of eudaimonia in HCI, but also to point out contradictions in their interpretation, and formulate suggestions for solutions. Apart from this literature work, which was necessary due to the lack of a boundary object of eudaimonia in HCI, the perception of different systems regarding eudaimonic virtues and experiences was examined in multiple studies. In the context of this dissertation, a total of five studies will be described chapter by chapter, which should lead to further insights in the context of eudaimonic well-being in HCI. In particular, the use of artificial intelligence and eudaimonic experience of interactive systems was of importance, which can also be found in the dissertation. The four eudaimonic interaction design principles have been derived from the studies and have been incrementally integrated into the theoretical frameworks for the analysis and development of interaction systems, taking into account eudaimonic action and thus eudaimonic well-being. They serve as design guidelines for human-centered systems and address both the analytical and the developmental levels. This dissertation is intended as a foundational work on the methodological approach to the development of eudaimonic-centered systems, but it also includes two concrete architectural examples to emphasize the architectural engineering dimension of this dissertation. These studies have also led to extended insights into the conceptualization of eudaimonia in HCI. In conclusion, it should be stated that this dissertation, with its use of philosophical-psychological research, has enabled the elaboration of theoretical concepts and the concrete development of systems and thus should also be an inspiration for future ambitions to focus on the topic of eudaimonic well-being and technology use.; In der Entwicklung menschenzentrierter Systeme verbleibt oftmals die unbeantwortete Frage, welche Paradigmen, Doktrinen, oder gar ethischen und gesetzlichen Richtlinien die genaue Form von Menschenzentriertheit in der Informatik bestimmen sollen. Gerade in der Diskussion um den Einsatz von automatisierenden Entscheidungssystemen, die sich zunehmend Architekturen künstlicher Intelligenzen bedienen, zeigen sich wie in einem Kontinuum Meinungsvertretungen von einer dystopischen Charakterisierung der Zukunft bis zur Erhebung der künstlichen Intelligenz (KI) zu einem Allheilmittel. Bei dem Versuch, sich an eine Definition ethischer Grundsätze zu wagen, so muss man anerkennen, dass die Auslegung moralischer Prinzipien von Gut und Böse als eine Frage der individuellen Argumentation verbleibt. Die Trennung in beide Instanzen erschien daher nicht sinnvoll, sich demBegriff derMenschenzentriertheit zuzuwenden. Offen gesagt, ist die Hermeneutik von Menschenzentriertheit in einem Umfang komplex, die einen Fokus auf alternative, vermeintlich robustere Entwicklungsdoktrinen notwendig machte: Die Harmonisierung von Menschenzentriertheit und eudaimonischer Zufriedenheit. Der oder die Einzelne kann auch die rhetorische Frage stellen: Ist ein System womöglich dann menschenzentriert, wenn es den Menschen in einer gewissen Weise zufrieden stellt? Dieses Paradigma bildet den Kern der gesamten Dissertation. Im engeren Sinne ist dieses Paradigma ein Kompromiss, dass die Schwäche der Ethik verhindert, ein Bindungsobjekt oder ein theoretisches Rahmenwerk für die Informatik zu formalisieren, strukturieren oder gar zu definieren. Die Eudaimonie, als historische Denkweise der Aristotelischen Philosophie, ist eine Tugendethik, die den Einzelnen dazu ethisch verpflichtet, seine Tugenden, und nicht das Endziel seiner Handlung, zu fokussieren. Man möge meinen, sie ist als Tugendethik zu schwach, um hier den eigenen Wortlaut wiederzuverwenden, jedoch hat die Eudaimonie eine psychologische Forschungsperspektive erhalten, die sich im Laufe der letzten Jahrzehnte in sich abzeichnenden Regelmäßigkeiten, Handlungsmustern und Orientierungen manifestieren ließ. Es ergab sich somit eine Chance für die Informatik und zugleich eine Forschungslücke, die Form menschenzentrierter Entwicklung von Systemen mithilfe der eudaimonischen Perspektive zu zeichnen. Die eudaimonische Perspektive von Zufriedenheit eröffnete die Möglichkeit, sich entlang der erfassten Dimensionen des Handelns einer Diskussion um Gut und Böse zu entziehen. Die Dissertation soll eine verständliche Einführung in die Thematik bieten, d.h. zunächst wurde die Begriffsverwendung von Eudaimonie in der Mensch-Computer-Interaktion (MCI) erarbeitet. Sie wurde darüber hinaus über eine weitere Literaturarbeit ergänzt, die eine Gesamtheit anMessanwendungen konkret im Kontext der MCI aufzeigt. Sie dienen uns, ein einheitliches Begriffsverständnis abzuleiten, die Perspektiven auf Eudaimonia in derMCI zu berücksichtigen, aber auch Widersprüche in ihrer Auslegung aufzuzeigen und Lösungsvorschläge zu formulieren. Abseits dieser Literaturarbeiten, die aufgrund der fehlenden Existenz eines Bindungsobjekts der Eudaimonie inMCI notwendig waren, wurden in multiplen Studien die Wahrnehmung unterschiedlicher Systeme auf eudaimonische Tugenden des Handelns überprüft. Im Rahmen dieser Dissertation sollen insgesamt fünf Studien kapitelweise beschrieben werden, die im Rahmen der eudaimonischen Zufriedenheit in MCI zu weiteren Erkenntnissen führen sollten. Die vier Entwurfsprinzipien eudaimonischer Interaktionen wurden aus den Studien abgeleitet und sind in mehreren theoretischen Rahmenwerken der Analyse und Entwicklung von Interaktionssystemen unter Berücksichtigung eudaimonischen Handelns und damit eudaimonischer Zufriedenheit aufbauend integriert worden. Sie dienen als Entwurfskriterien für menschenzentrierte Systeme und thematisieren sowohl die analytische als auch die Entwicklungsebene. Diese Dissertation ist als Grundlagenwerk zur methodischen Herangehensweise zur Entwicklung von eudaimonisch-zentrierten Systemen gedacht, sie beinhaltet aber darüber hinaus zwei konkrete architektonische Umsetzungen, um den ingenieurstechnischen Charakter dieser Dissertation zu betonen. Auch diese Studien haben erweiterte Erkenntnisse hervorgebracht, die Konzeptualisierung von Eudaimonie in HCI zu konkretisieren. Abschließend lässt sich formulieren, dass diese Dissertation mit ihrer Verwendung von philosophisch-psychologischen Forschungsarbeiten die Erarbeitung theoretischer Konzepte und die konkrete Entwicklung von Systemen ermöglicht hat und somit zugleich zukünftige Inspiration für Ambitionen sein soll, sich der gemeinsamen Thematik von eudaimonischer Zufriedenheit und Technologienutzung fokussiert zu widmen. Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/123433 2025-01-01T00:00:00Z https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/123359 Title: Disease stories: visual and narrative strategies for scientific disease communication Author(s): Mittenentzwei, Sarah Abstract: Communicating medical topics is a fundamental task for physicians and public health institutions, whether during patient-physician consultations or when promoting preventive measures to the general public. However, low health literacy can hinder individuals’ ability to understand health information and make informed decisions about their own health. Narrative medical visualization aims to bridge this gap by making complex medical information accessible and understandable to lay audiences. It integrates visuals, data, and storytelling to communicate medical information in an engaging and effective way. This thesis focuses on a subtype of narrative medical visualization, namely disease stories, exploring the design space for communicating information about diseases, particularly regarding prevention and treatment decisions. In collaboration with experts from the fields of medicine and design, several diseases are used as exemplary applications. A formalized design process for creating disease stories is introduced, outlining essential components. Key design decisions are investigated through a series of case studies focusing on story content, character, structure, and target audiences. Two case studies compare different visualization (Phong shading, outlines and feature lines, hatching and Fresnel shading) and presentation techniques (showing time steps side-by-side or successive) for depicting pathological growth and shrinkage, using cerebral aneurysms and primary liver tumors as examples. Evaluations with participants from a lay audience provide quantitative data on task performance and self reported preferences regarding the compared techniques. Another case study explored the AI-assisted creation of characters for disease stories. As a proof of concept, characters were generated based on data from patients with non-alcoholic fatty liver disease extracted from an epidemiological study. The generated characters were evaluated both by lay participants, who assessed how accurately the characters conveyed the underlying patient information, and by design experts, who discussed potential refinements. Additionally, a character-driven story structure was developed for a case study on cerebral small vessel disease (CSVD). The study compared three versions of the story: one with a patient as the protagonist, another with a physician, and a third with no human protagonist. A survey targeted at a lay audience was used to examine how these narrative choices shaped the user experience. The CSVD story was later restructured following a tension arc structure and, together with a story about bicuspid aortic valve, was implemented as both an interactive slideshow and a scrollytelling version. A case study with lay participants analyzed user behavior and preferences across these different versions. To gain insight into real-world audience perspectives beyond controlled lab studies, comments from educational YouTube videos on various health topics were collected and analyzed using natural language processing. This analysis investigated user sentiment, emotions, and motivations for engaging with health-related content online. While these studies only explore a small portion of the vast design space of disease stories, the results provide valuable insights. Through the investigation of key design decisions, the strengths and limitations of the proposed implementations are discussed. The findings contribute to the foundation for the interdisciplinary design of disease stories, supporting future research at the intersection of visualization and health communication.; Die Vermittlung medizinischer Themen ist eine grundlegende Aufgabe für Ärzte und Einrichtungen des öffentlichen Gesundheitswesens, sei es bei Arzt-Patienten-Konsultationen oder bei der Förderung von Präventionsmaßnahmen in der breiten Öffentlichkeit. Eine geringe Gesundheitskompetenz kann jedoch die Fähigkeit des Einzelnen beeinträchtigen, Gesundheitsinformationen zu verstehen und informierte Entscheidungen über die eigene Gesundheit zu treffen. Die narrative medizinische Visualisierung zielt darauf ab, dieses Hindernis zu überwinden, indem sie komplexe medizinische Informationen für ein Laienpublikum zugänglich und verständlich macht. Sie integriert Visualisierungen, Daten und Geschichten, um medizinische Informationen auf ansprechende und effektive Weise zu vermitteln. Diese Arbeit konzentriert sich auf eine Unterart der narrativen medizinischen Visualisierung, die Krankheitsgeschichten, und untersucht den Gestaltungsspielraum für die Vermittlung von Informationen über Krankheiten, insbesondere im Hinblick auf Präventions- und Behandlungsentscheidungen. In Zusammenarbeit mit Experten aus den Bereichen Medizin und Design werden verschiedene Krankheiten als Anwendungsbeispiele herangezogen. Es wird ein formalisierter Designprozess für die Erstellung von Krankheitsgeschichten vorgestellt, der die wesentlichen Komponenten umreißt. Einige essenzielle Designentscheidungen werden anhand einer Reihe von Fallstudien untersucht, die sich auf Inhalt, Charakter, Struktur und Zielgruppen der Geschichten konzentrieren. In zwei Fallstudien werden verschiedene Visualisierungs- (Phong Shading, Outlines und Feature lines, Hatching und Fresnel Shading) und Präsentationstechniken (Darstellung von Zeitschritten nebeneinander oder nacheinander) zur Visualisierung von pathologischem Wachstum und Rückbildung am Beispiel von zerebralen Aneurysmen und primären Lebertumoren verglichen. Auswertungen mit Teilnehmern aus einem Laienpublikum liefern quantitative Daten über die Leistung bei den gestellten Aufgaben und zu den selbst berichteten Präferenzen bezüglich der verglichenen Techniken. Eine weitere Fallstudie untersucht die KI-gestützte Erstellung von Charakteren für Krankheitsgeschichten. Zur Erprobung des Konzepts wurden Charaktere auf der Grundlage von Daten von Patienten und Patientinnen mit nichtalkoholischer Fettlebererkrankung aus einer epidemiologischen Studie erstellt. Die generierten Charaktere wurden sowohl von Laien bewertet, die beurteilten, wie genau die Charaktere die zugrundeliegenden Patienteninformationen wiedergeben, als auch von Designexperten, die mögliche Verbesserungen diskutierten. Darüber hinaus wurde für eine Fallstudie über die zerebrale Kleingefäßerkrankung (CSVD) eine charaktergesteuerte Erzählstruktur entwickelt. In der Studie wurden drei Versionen der Geschichte verglichen: in einer Version trat eine Patientin als Protagonist auf, in einer anderen eine Ärztin und in der letzten kein menschlicher Protagonist. Innerhalb einer Umfrage mit Laien wurde untersucht, wie sich diese narrativen Entscheidungen auf das Nutzererlebnis auswirkten. Die CSVD-Geschichte wurde später anhand eines Spannungsbogens umstrukturiert und zusammen mit einer Geschichte über bikuspide Aortenklappen sowohl als interaktive Diashow als auch als Scrollytelling-Version umgesetzt. In einer Fallstudie mit Laien wurden das Nutzerverhalten und die Präferenzen für die verschiedenen Versionen analysiert. Um über kontrollierte Laborstudien hinaus Einblicke in die Perspektiven realer Nutzer zu erhalten, wurden Kommentare von YouTube-Videos zu verschiedenen Gesundheitsthemen gesammelt und mithilfe von Natural Language Processing analysiert. Diese Analyse untersuchte die Stimmung, die Emotionen und die Beweggründe der Nutzer, sich mit gesundheitsbezogenen Online-Inhalten zu beschäftigen. Auch wenn diese Studien nur einen kleinen Ausschnitt des breiten Gestaltungsspielraums von Krankheitsgeschichten untersuchen, liefern die Ergebnisse wertvolle Erkenntnisse. Durch die Untersuchung essenzieller Designentscheidungen werden die Stärken und Schwächen der umgesetzten Implementierungen diskutiert. Die Ergebnisse liefern Grundlagen zur interdisziplinären Gestaltung von Krankheitsgeschichten und unterstützen zukünftige Forschung an der Schnittstelle zwischen Visualisierung und Gesundheitskommunikation. Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/123359 2025-01-01T00:00:00Z https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/123051 Title: API Misuses : a journey along their causes and prevention to automated techniques for detection and repair Author(s): Nielebock, Sebastian Abstract: Context A prevalent amount of modern software development relies on reuse of existing software components and functionalities from software libraries or frameworks. Such libraries or frameworks encapsulate expert and domain knowledge (e.g., secure cryptographic algorithms) behind a so-called Application Programming Interface (API). So-called API developers design and develop these APIs. This way, other developers – so-called client developers – who do not necessarily have detailed expert knowledge can reuse these software components and functionalities via the API. We denote this as API usage. When using the API, client developers can apply the API differently than it was expected by the API developers, which can cause a deviant, negative behavior of the software. We denote this as API misuse. API misuses are known to be prevalent and have severe functional (e.g., software crashes) as well as non-functional (e.g., security issues) implications. Objective In this thesis, we explore API misuses from three essential perspectives. First, we aim to contribute an overview of the root causes of API misuses, which not only focuses on the root causes but also emphasizes the methodologies and, thus, the scientific validity of these causes. We also relate the root causes to known prevention mechanisms (i.e., techniques and processes), determine the sufficiency of research efforts on prevention, and identify research gaps. Second, we target improvements on API misuse detectors, which currently suffer from high false positive rates (i.e., falsely denoting correct API usages as misuses). We aim to leverage changes of API usages in two ways: (1) using them as a basis to detect misuse in the change itself, and (2) reusing previous fix changes of API misuses as template for finding similar misuses. Third, we aim to explore the ability to use the artifacts from API misuse detection as repair templates for an Automated Program Repair (APR) technique. Method We obtain the overview of root causes and prevention mechanisms by applying two subsequent Systematic Literature Reviews (SLRs) on relevant empirical studies. Afterward, we map the causes, prevention mechanisms, and their applied research methodologies by applying open coding from qualitative research. To summarize the state-of-the-art detection and repair techniques, we also apply SLRs. We target the improvement in detection and the exploration of repair by engineering research, namely, implementing and validating software artifacts. The experiments of these artefacts reuse existing real-world API misuse datasets from research as well as a dataset we collected and preprocessed from open-source projects. Results Based on the three perspectives, namely causes & prevention, detection, and repair, we summarize four essential contributions. First, based on our summary of several root causes, we identified research gaps for certain root causes as well as the previously unexplored dependencies among several causes. We also provided a mechanism to describe these dependencies. Second, using our obtained summary of the prevention mechanisms, we identified research gaps to effectively target the aforementioned root causes. Third, we found that our both techniques for API misuse detection, namely, using the change to identify misuses as well as applying previous fixes as a detection basis, improve the precision compared to state-of-the-art misuse detectors. This way, the second approach (i.e., using previous fixes) outperforms the first one (i.e., leveraging change information itself). Fourth, we found that the artifacts from misuse detection also provide promising results toward an API-specific APR, with our approach having conceptual benefits compared to conventional APR techniques. Conclusion In summary, we provide an overview of the causes & prevention of API misuses and contribute techniques for their automated detection and repair. This way, researchers can better steer their research efforts on API misuses for different steps discussed in this thesis and build on our software artifacts and results. For practitioners, we provide valuable insights on applicable techniques and processes for API usages, which can be included in the software development as well as the education.; Kontext Ein umfassender Anteil der modernen Softwareentwicklung basiert auf der Wiederverwendung von Softwarekomponenten und -funktionalitäten aus Softwarebibliotheken oder -frameworks. Solche Bibliotheken oder Frameworks kapseln Experten- und Domänenwissen (bspw. sichere Kryptografiealgorithmen) in sogenannten Application Programming Interface (API), dt. Programmierschnittstellen. Sogenannte API Entwickelnde entwerfen und entwickeln diese APIs. Somit können durch die API andere Entwickelnde – sogenannte Client Entwickelnde –, die nicht notwendigerweise detailliertes Expertenwissen besitzen, die Softwarekomponenten und -funktionalitäten wiederverwenden. Wir bezeichnen dies als API Verwendung. Beim Verwenden der API können Client Entwicklende die API anderes benutzen, als dies durch die API Entwickelnden erwartet wurde, was zu einem abweichenden, negativen Verhalten der Software führen kann. Wir bezeichnen dies als API Fehlverwendung. API Fehlverwendungen sind ein prävalentes Problem und verursachen schwere funktionale (bspw. Softwareabstürze) als auch nicht-funktionale (bspw. IT-Sicherheitslücken) Probleme. Zielstellung In dieser Dissertation, erforschen wir API Fehlverwendungen aus drei essentiellen Perspektiven. Erstens, zielen wir darauf ab einen Überblick über die Kernursachen von API Fehlverwendungen beizutragen, welcher nicht nur auf die Kernursachen an sich fokussiert, sondern auch die Methodiken und somit die wissenschaftliche Validit¨at dieser Kernursachen mit einbezieht. Zudem verkn¨upfen wir die Kernursachen mit bekannten Präventionsmechanismen (d.h. Techniken und Prozessen), bestimmen die Hinlänglichkeit des Forschungsaufwands für Präventionen und identifizieren Forschungslücken. Zweitens, streben wir Verbesserungen von API Fehlverwendungsdetektoren an, da jene aktuell hohe Falsch-Positiv-Raten aufweisen (d.h., falsche Erkennung von korrekten API Verwendungen als Fehlverwendungen). Wir beabsichtigen dabei Änderungen von API Verwendungen zweierlei einzusetzen: (1) Nutzen der Änderungen selbst um darin Fehlverwendungen zu erkennen und (2) Wiederverwenden von vorherigen korrigierenden Änderungen von API Fehlverwendungen als Vorlage, um ähnliche Fehlverwendungen zu finden. Drittens, evaluieren wir die Möglichkeit die Artefakte aus der API Fehlverwendungsdetektion als Reparaturvorlage für eine automatisierte Programmreparaturtechnik zu nutzen. Methodik Wir ermitteln den Überblick von Kernproblemen und Präventionsmechanismen durch die Nutzung zweier aufeinanderfolgender systematischer Literaturrecherchen von relevanten empirischen Studien. Danach verbinden wir die Kernursachen, die Präventionsmechanismen sowie deren zugehörige wissenschaftliche Methoden durch Anwendung von Open Coding Methodiken aus der qualitativen Forschung. Zur Zusammenfassung des Stands der Forschung von Detektions- und Reparaturtechniken nutzen wir ebenfalls systematische Literaturrecherchen. Die angestrebte Verbesserung der Detektion sowie die Exploration von Reparaturtechniken beabsichtigen wir mit Methoden der Ingenieurwissenschaften, konkret der Implementierung und Validierung von Softwareartefakten durchzuführen. Im Rahmen der experimentellen Analyse dieser Artefakte nutzen wir bestehende Forschungsdatensätze von realen API Fehlverwendungen sowie einem von uns gesammelten und aufbereiten Datensatz von Open Source Projekten. Ergebnisse Basierend auf den drei Perspektiven Ursachen & Präventionen, Detektion und Reparatur, können wir vier essentielle Beiträge zusammenfassen. Erstens, basierend auf unserer Übersicht zahlreicher Kernursachen, identifizierten wir Forschungslücken für bestimmte Ursachen als auch für bisher nicht erforschte Abhängigkeiten zwischen zahlreichen Kernursachen. Zudem stellen wir einen Mechanismus bereit um diese Abhängigkeiten zu beschreiben. Zweitens, mittels unserer Übersicht über Präventionsmechanismen identifizierten Forschungslücken jener, um die zuvor genannten Kernursachen effektiv besser zu adressieren. Drittens, ermittelten wir das unsere beiden Techniken zur API Fehlverwendungsdetektion, konkret, Änderungen zur Identifikation von Fehlverwendungen nutzen, als auch die Verwendung vorheriger Korrekturen als Detektionsgrundlage, die Präzision gegenüber aktuellen Fehlverwendungsdetektoren verbessern. Dabei übertrifft der zweite Ansatz (d.h. Verwenden früherer Korrekturen) den ersten (d.h. Nutzen der Änderung selbst). Viertens, fanden wir heraus, dass Artefakte der Fehlverwendungsdetektion auch vielversprechende Ergebnisse für eine API-spezifische, automatische Programmreparatur ermöglichen, wobei unser Ansatz konzeptionelle Vorteile gegenüber konventionellen automatischen Programmreparaturtechniken besitzt. Fazit Zusammenfassend bieten wir eine Übersicht der Kernursachen & Präventionen von API Fehlverwendungen und leisten Beiträge in Form von automatisierten Techniken zur Detektion und Reparatur jener Fehlverwendungen. Dadurch können Forschende ihren Forschungsaufwand bzgl. API Fehlverwendungen anhand der in dieser Dissertation diskutierten Schritte besser steuern und unsere Softwareartefakte und Ergebnisse als Grundlage weiterer Forschung nutzen. Für Anwendende bieten wir wertvolle Erkenntnisse bzgl. anwendbarer Techniken und Prozesse für API Verwendungen, die in die Softwareentwicklung und Ausbildung einfließen können. Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/123051 2025-01-01T00:00:00Z