Sebastian Lehmann | Softwareentwickler mit Leidenschaft

Beruflicher Werdegang

062021

heute

Senior Expert Software Design

HQS Quantum Simulations GmbH

Python
HTML5 / CSS
VueJS
Amazon AWS
Docker
Camunda

Architektur und Entwicklung von cloudbasierten Webanwendungen für den Einsatz in der Materialforschung.

Entwicklung webbasierter Oberflächen für Forschungssoftware im Bereich Quantencomputing und Materialsimulation
Architektur der dafür notwendigen Cloud-Infrastruktur mithilfe von Microservices
Experte im Bereich Software Design für unsere verschiedenen Simulationssoftwares (abteilungsübergreifend)
Adaption der bestehenden Cloud-Infrastruktur auf kundenspezifische Lösungen
Entwurf und Implementierung benutzerfreundlicher APIs und Python-Paketen für Kunden
Verantwortlich für kritische Bereiche der betriebsinternen Infrastruktur
Performance-Optimierungen (verschiedene Sprachen)
Technische Betreuung und Coaching von Entwicklern

032020

052021

Software Engineer

HQS Quantum Simulations GmbH

Python
HTML5 / CSS
VueJS
Amazon AWS
Docker
Terraform
Java

Entwicklung von cloudbasierten Webanwendungen für den Einsatz in der Materialforschung.

Entwicklung webbasierter Oberflächen für Forschungssoftware im Bereich Quantencomputing und Materialsimulation
Adaption von HPC-Anwendungen auf Cloud-Infrastruktur
Entwurf und Implementierung von benutzerfreundlichen APIs und Python-Paketen für Kunden
Verantwortlich für betriebsinterne Infrastruktur
Performance-Optimierungen unserer Python-Paketen, teilweise mithilfe kompilierter Sprachen (C++ und Rust)
Betreuung von Junior Developern und Abschlussarbeiten

062016

022020

C++-Softwareentwickler

Wildenmann Tools & Services GmbH & Co. KG

C++
Qt
MySQL
PHP
HTML5 / CSS
Angular
Codegenerierung
Kryptographie

Entwicklung einer webbasierten Berfragungsplattform sowie Realisierung kundenspezifischer 360-Grad-Führungskräfte- und Mitarbeiterbefragungen auf Basis der Befragungsplattform.

Betreuung der unternehmenseigenen Befragungsplattform
Umsetzung kundenspezifischer Lösungen auf Basis der Befragungsplattform
Verantwortlich für die Betreuung von Werkstudenten, welche die Befragungsplattform weiterentwickeln
Entwicklung von Auswertungsberichten für 360-Grad-Mitarbeiterbefragungen
Unterstützung der Geschäftsleitung bei Angebotserstellungen

062009

052016

Softwareentwickler (Werkstudent)

Wildenmann Tools & Services GmbH & Co. KG

C++
Qt
MySQL
PHP
HTML5 / CSS
MS Excel / VBA

Entwicklung webbasierter Befragungen; ab 2012: Konzeptionierung und Entwicklung einer hauseigenen Befragungsplattform.

Betreuung von Kundenprojekten
Diverse Tätigkeiten im IT-Bereich
Pflege des Webauftritts
Operative Tätigkeiten in Kundenprozessen

Bildungsweg

102012

042016

Master of Science in Informatik

KIT – Karlsruher Institut für Technologie

C++
Qt
OpenGL
OpenCL
Kryptographie
Graphen

Vertiefungsfächer: Kryptographie & Sicherheit, Computergrafik;
Ergänzungsfach: Elektro- und Informationstechnik

Masterthesis

Simulated Annealing-Based Heuristics for Wind Farm Cabling Problems

Lehrveranstaltungen

im Vertiefungsfach „Kryptographie & Sicherheit“:

Symmetrische Verschlüssellungsverfahren
Asymmetrische Verschlüssellungsverfahren
Digitale Signaturen

im Vertiefungsfach „Computergrafik“:

Computergrafik
Fortgeschrittene Computergrafik
Praktikum: Grafik-Programmierung und Anwendungen
Praktikum: GPU-Computing
Seminar: Computergrafik

sonstige Lehrveranstaltungen im Wahlbereich:

Algorithmische Geometrie
Kognitive Systeme
Rechnerstrukturen
Softwaretechnik II

im Ergänzungsfach „Elektro- und Informationstechnik“:

Grundlagen des Systems Engineering
Praktikum: Anwendungen des Systems Engineering

102009

092012

Bachelor of Science in Informatik

KIT – Karlsruher Institut für Technologie

Java
C++
Qt
OpenGL
Graphen

Ergänzungsfach: Physik

Bachelorthesis

Bend Minimization in Planar Orthogonal Drawings

Lehrveranstaltungen

im Grundlagenstudium „Theoretische Informatik“:

Algorithmen I
Algorithmen II
Grundbegriffe der Informatik
Theoretische Grundlagen der Informatik

im Grundlagenstudium „Praktische Informatik“:

Betriebssysteme
Kommunikation und Datenhaltung
Praxis der Software-Entwicklung → zum Projekt "RouteMe!"
Programmieren
Programmierparadigmen
Softwaretechnik I

im Grundlagenstudium „Technische Informatik“:

Technische Informatik

im Grundlagenstudium „Mathematik“:

Höhere Mathematik
Lineare Algebra
Praktische Mathematik

sonstige Lehrveranstaltungen im Wahlbereich:

Algorithmen für planbare Graphen
Algorithmen zur Visualisierung von Graphen
Multimediakommunikation
Proseminar
Sicherheit
Telematik

im Ergänzungsfach „Physik“:

Grundlagen der Physik
Moderne Physik für Informatiker

Tutor

für das Modul „Softwaretechnik“

Aus Gründen der Geheimhaltung dürfen leider nicht alle Projekte, welche ich bisher umgesetzt bzw. an welchen ich mitgewirkt habe, öffentlich gelistet werden.

042012

022020

Online-Befragungsplattform

Wildenmann Tools & Services GmbH & Co. KG

C++
Qt
MySQL
PHP
HTML5 / CSS
Angular
Codegenerierung
Kryptographie

Entwicklung einer webbasierten Plattform zur Erhebung, Speicherung und Verarbeitung der Daten für 360-Grad-Führungskräfte- und Mitarbeiterbefragungen.

Entwurf und Implementierung einer Client-Server-Architektur, einer dabei zum Einsatz kommenden API, eines eigenen komponentenbasierten Web-Frameworks sowie der eigentlichen Komponenten, aus welchen sich schließlich Fragebögen zusammensetzen.

Herausforderung war eine hohe Wiederverwendbarkeit von Komponenten sowie die Sicherheit der personenbezogenen, sehr sensiblen Daten. Daher kamen in diesem Projekt auch kryptografische Funktionen zum Einsatz und es wurde ein Sicherheitskonzept auf Basis von OWASP entwickelt.

Das Web-Framework, welches im Rahmen dieses Projekts entstanden ist, basiert auf PHP und rendert grundsätzlich serverseitig, wird aber um clientseitige JavaScript-Funktionalitäten ergänzt. Ein Großteil der konfigurierbaren Parameter der Kompoenenten wird durch einen Transpiler in einen weitestgehend statischen PHP-Code übersetzt, was eine frühzeitige Fehlererkennung selbst in der Logik des Fragebogens ermöglicht. Dies macht unser Befragungssystem auf dem Markt einzigartig.

Ebenfalls Bestandteil dieses Projekts ist ein auf C++ und QtSql aufbauendes ORM-Framework mit Code-Generator und einer typisierten Query-Engine, welche typische Fehler in Datenbankabfragen bereits zur Compilezeit verhindert.

102013

032014

Deferred Shading Render Engine

im Rahmen des Masterstudiums Informatik – Abschlussprojekt des Praktikummoduls „Graphics Programming Lab“

C++
Qt
OpenGL
3D
Rendering

Entwurf und Entwicklung eines Scene Graphs und einer Deferred Shading Render-Pipeline mit verschiedenen Screen-Space Rendertechniken.

Ein professionell aufgebauter Scene Graph, welcher gängige Modell- und Materialdateien importieren kann, enthält zunächst eine abstrakte Renderlogik (Baumtraversierung mit dem Besucher-Muster). Die Renderlogik ist separat als Besucher dieses Scene Graphs implementiert. Dieser implementiert die verschiedenen Phasen einer typischen Deferred Render Pipeline wie Geometrie- und Beleuchtungsphasen sowie einer vorgeschalteten Phase für das Erstellen von Shadow Maps. Dafür wird der Scene Graph angewiesen, die jeweils relevanten Knoten zu rendern.

So konnte der Renderer nach und nach erweitert werden: Die Unterstützung halbtransparenter Flächen wurde durch eine weitere, an die Deferred Shading Phasen nachgelagerte Forward Shading Phase erreicht, welche nur ebendiese Knoten im Scene Graph rendert (und im vorgeschalteten Deferred Shader ausgeschlossen werden). Die Berechnung von Screen-Space-Techniken wie Ambient Occlusion und Local Reflections sind ebenfalls lediglich nachgelagerte Renderphasen, bevor das Finalbild aus den Lichtakkumulationsbuffern zusammengesetzt wird.

Sämtliche Rendertechniken sind einzeln zu- und abschaltbar.

Eine Beispielszene zeigt Laserstrahlen, wie sie auf Spiegelflächen treffen und dabei (durch eine angenommene Streuung) einen Lichtpunkt immitieren. Der reflektierende Stahlboden des Raumes demonstiert die Screen-Space Reflexionen.

In diesem Projekt habe ich viel über Rendertechniken und den Aufbau einer modernen Render-Pipeline gelernt. Nur ein modularer Aufbau ermöglicht die einfache Integration einzelner Rendertechniken und deren Unabhängigkeit voneinander. Zu jeder Technik wurden aktuelle Paper aus der Forschung zugrundegelegt und manche auch um eigene Ideen ergänzt bzw. damit experimentiert.

042014

112014

GPU Hybrid Path Tracer

Freizeitprojekt

C++
Qt
OpenGL
OpenCL
GPU Computing
3D
Rendering

Implementierung eines Path Tracers auf Basis des Wavefront Path Tracers von Nvidia (2013) in die zuvor entwickelte Deferred Shading Render Engine.

Im referenzierten Paper wird ein Verfahren vorgestellt, einen typischen Pathtracer auf die Architektur einer GPU anzupassen. Dabei wird die Strahlverfolgung und Zugriff auf Materialdaten voneinander getrennt und die Abarbeitung von Aufgabenpaketen durch Work Queues realisiert. Letzteres dient dem Ausgleich von unhomogenen Ausführungszeiten einzelner Aufgabeneinheiten, wie es bei verschiedenen Strahlverfolgungen der Fall ist.

Nebst dem eigentlichen Path Tracer wurde auch die Erzeugung des BVH-Baums auf der GPU realisiert. Dafür wurde nach einer sehr effizienten Technik recherchiert und der LHBVH-SAH-Hybrid-Algorithmus gefunden und schließlich implementiert. Dieser verwendet Radix Sort und andere Algorithmen, welche ich aus dem Projekt der Partikelsimulation (s.u.) entnommen habe, wo diese bereits in einer sehr generischen Weise implementiert sind.

In diesem Projekt habe ich auch mit einer hybriden Rendertechnik experimentiert. Dabei werden für einen zu verfolgenden Pfad zunächst Kamerastrahlen direkt aus dem G-Buffer des Deferred Shading Renderers entnommen und erst die Weiterverfolgung vom Path Tracer übernommen. Letztendlich berechnet dieser also nur die globale Beleuchtung, während die direkte Beleuchtung nach wie vor vom ansonsten sehr viel effizienteren Deferred Shader geliefert wird. Die Idee war, das Resultat des Path Tracers getrennt für spekuläre und diffuse Oberflächen (aus Sicht der Kamera) in einen Zielbuffer zu schreiben und diese unterschiedlich zu filtern, bevor sie in das finale Bild geblendet werden. Dieser Schritt ist jedoch nicht implementiert.

042013

092013

Echtzeit-Simulation von Fluiden auf der GPU (SPH-Partikelsimulation)

im Rahmen des Masterstudiums Informatik – Abschlussprojekt des Praktikummoduls „GPU Computing“

C++
Qt
OpenCL
GPU Computing

Entwurf und Implementierung einer GPU-Partikelsimulation auf Basis von SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) zur Simulation von Fluiden.

Das Ziel dieses akademischen Projekts ist es, das Verhalten von Flüssigkeiten mit einem Partikelmodell in Echtzeit zu simulieren. Dafür kommt die hochparallele Architektur programmierbarer Grafikkarten zum Einsatz. Die Simulation basiert auf Smooothed Particle Hydrodynamics (SPH), einem dafür häufig benutzten und flexiblen Simulationsverfahren für fluide Partikelsysteme.

Die größte Herausforderung dieses Projekts ist die Suche bzw. Iteration über die Partikel in näherer Umgebung. Bei SPH werden Summen von physikalischen Formeln z.B. für die Berechnung der auf ein Partikel wirkenden Kraft über umliegende Partikel gebildet. Weiter weg liegende Partikel haben theoretisch zwar auch einen Einfluss auf ein Partikel, dieser ist aber ab einer gewissenden festzulegenden Distanz h vernachlässigbar. Wir legen ein 3D-Gitter mit Zellgröße h in die Szene und betrachten Partikel in Nachbarzellen. Die Neuzuordnung der Partikel zu den Zellen wird in jedem Berechnungsschritt (Frame) auf der Grafikkarte neu berechnet.

Dafür kommt Radix Sort zum Einsatz, welcher als eine Komposition einer Vielzahl einzelner primitiver Algorithmen (u.a. Aggregation, Prefix Sum und Stream Compaction) realisiert ist. Diese Algorithmen sind in OpenCL sehr allgemein generisch implementiert und lassen sich im C++-Kontext elegant zusammensetzen. Der Fokus auf Abstraktion und damit Wiederverwendbarkeit hat sich in Folgeprojekten wie dem BVH-Algorithmus des Path Tracers ausgezahlt.

042011

092011

RouteMe! – OpenStreetMap-Routenplaner

im Rahmen des Bachelorstudiums Informatik – Teamprojekt des Moduls „Praxis der Software-Entwicklung“

C++
Qt
OpenGL
OpenStreetMap
Graphen
UI / UX

Entwicklung eines Routenplanungssystems für den PC, welches die Kartendaten des OpenStreetMap-Projekts darstellen und darin kürzeste Routen mittels Arcflag finden kann.

Im Rahmen dieser Projektarbeit wurden einige Anforderungen gestellt, welche in einer ersten Projektphase zu einem Lastenheft verfeinert wurde. Ebenso gehörte ein ordentlicher Entwurf, die Präsentation eines Prototypen und das Herunterbrechen in priorisierte einzelne Tasks zum Projekt, sowie das Testen (u.a. Unit-Tests und Definition von Szenarien) und eine „gespielte“ Kundenabnahme.

Arcflag ist eine Technik für das zielgerichtete Beschleunigen von Dijkstra, welche einer aufwendigen Vorberechnung bedarf. Die Berechnung der Arcflag-Informationen und die Komprimierung der Kartendaten sind ebenfalls Teil des Projekts und waren größtenteils mein Aufgabenteil, bei welchem es einige Herausforderungen zu bewältigen gab.

Zunächst ist es aufgrund der teils sehr großen Rohdatenmenge des Kartenmaterials (mehrere Gigabytes selbst in gzip-komprimierter Form) erforderlich, diese in Streamform einzulesen. Nur die für dieses Programm wirklich relevanten Daten werden in einem Zwischenformat auf die Festplatte zurückgeschrieben.

Dieser vorgefilterte Rohgraph wird anschließend einerseits für die grafische Darstellung weiter aufbereitet: Ein Gitternetz in mehreren Detailstufen (LoD, Level of Detail) definiert einzelne Segmente der Karte, welche in einem eigens entwickelten, stark komprimierten Vektorformat kodiert werden. Andererseits wird derselbe Rohgraph zu einem Routinggraph weiter komprimiert, indem nur die für das Berechnen der Routen benötigten Knoten beibehalten wurden (und die lediglich für das Darstellen von Kurven genutzten „Zwischenknoten“ entfernt). Schließlich werden auf diesem die ArcFlags-Informationen berechnet. Eine Erläuterung dieser Berechnung und dem letztendlichen Routingalgorithmus findet sich in meinem Wikipedia-Artikel zu Arcflag.

Die vektorisierten Kacheln der Karte werden mit OpenGL gerendert. Im Rahmen dieses Projekts wurde dafür zunächst eine in Qt integrierte Möglichkeit genutzt, 2D-Zeichenbefehle unkompliziert von der GPU auszuführen (mittels QPainter auf einem QGLWidget). Leider sind dabei die Zeichenbefehle stark bandbreitenlimitiert. Erst in einem anschließenden Freizeitprojekt habe ich dieses Verfahren durch ein moderneres ersetzt, welches die zuvor in den GPU-Kontext hochgeladenen Vektordaten mit einem speziellen Shader rendert.

112010

102014

fn – Haskell-style Ranges-Library in C++11

Freizeitprojekt

C++
C++11
Template Metaprogramming
Variadic Templates
Functional Programming
Haskell

"fn" ist eine Header-only C++ Template-Bibliothek, welche einige Funktionen höherer Ordnung von Haskell in C++ nachbildet. Dies entspricht in etwa dem Grundansatz moderner Ranges-Libraries wie range-v3.

Funktionen höherer Ordnung sind in funktionalen Programmiersprachen wie Haskell eine der Hauptwerkzeuge. In der Standardbibliothek von C++ gibt es vergleichbare Tools unter <algorithm>, welche jedoch auf einem anderen Grunddesign aufbauen. Mein Ziel war es, die Art und Weise, wie in Haskell diese Algorithmen zusammengesetzt und dabei sehr mächtige Dinge mit wenig Code ausgedrückt werden können, auf C++ zu übertragen. Die Idee hierzu kam auch aus dem Gedanken der Übung heraus, da ich mich sehr für Templateprogrammierung und die damit zusammenhängende Herausforderungen begeistere.

Eine Kurzdokumentation mit Anwendungsbeispielen und Informationen zum Design der Bibliothek finden sich im Projekt-Wiki.

Das Ziel, die Funktionen höherer Ordnung Haskells möglichst originalgetreu nachzuahmen, wurde um folgende Anforderungen verschärft: Verschachteln von mehreren Funktionen höherer Ordnung, Lazy Evaluation dieser Funktionen, Kompatibilität mit Containern der C++-STL und Qt sowie natürlich eine extreme Wiederverwendbarkeit und damit komplette Unabhängigkeit von projektspezifischen Details.

Um die Lazy Evaluation zu realisieren ist das Ergebnis einer fn-Funktion lediglich ein Container-Adapter. Dieser hält eine Referenz auf den Originalcontainer sowie den anzuwendenden Funktor bzw. Prädikat. Erst bei der Auswertung des Container-Adapters, z.B. in einer for-Schleife oder beim Zuweisen an einen echten Container wie std::vector, wird die Operation ausgewertet. Eine besondere Herausforderung in diesem Zusammenhang war die korrekte Behandlung der mit C++11 eingeführten rvalue-Referenzen.

Damit fn kompatibel mit den assoziativen Containern sowohl der C++-Standardbibliothek als auch aus Qt ist, erkennt eine mit Template-Metaprogramming implementierte Logik die entsprechend aufzurufenden Funktionen des Zieltyps zur Compilezeit. Dadurch sind die genannten Container untereinander austauschbar, ohne den Code zu verändern. Siehe dazu den entsprechenden Abschnitt des Projekt-Wikis sowie dazu die Implementierung.

Diese Bibliothek habe ich in nahezu allen anderen C++-Projekten eingesetzt, was ihre Wiederverwendbarkeit beweist.

042007

062007

ATmega-basiertes digitales Kalorimeter

im Rahmen eines Schulprojekts (GFS)

C++
AVM ATmega
Mikrocontroller

Messung des Temperaturverlaufs einer chemischen Reaktion und daraus abgeleitete Energieänderung. Eigene elektronische Schaltung mit grafischem Display.

Herzstück dieses Schulprojektes ist ein AVM ATmega Mikrocontroller. Verbunden ist ein analoger Temperatursensor und ein grafisches Display für die Anzeige sowie Taster für eine Menünavigation. Sowohl die Schaltung als auch der Code sind vollständig Eigenentwicklungen, abgesehen eines Standardtreibers für das Grafikdisplay.

Die grafische Anzeige umfasst ein Zeitverlaufsdiagramm der gemessenen Temperatur und die anhand einer konfigurierbaren Wärmekapazit abgeleiteten Energiedifferenz seit Beginn des Versuchs.

Der Treiber für das anzusteuernde Displaymodul "DOGM128-6" wurde auf das Projekt angepasst und um eine selbst geschriebene kleine Grafikbibliothek erweitert.

Herausforderungen des Projekts waren der extrem geringe RAM-Speicher des ATmega und der Verzicht auf dynamische Speicherallokation. Dadurch, dass die Schaltung selbst zusammengestellt ist und kein fertiges Entwicklerboard eingesetzt wurde, war außerdem das Debuggen insbesondere der Displaysteuerung nicht trivial.

Hallo,

ich bin Sebastian Lehmann, leidenschaftlicher Softwareentwickler und -architekt mit den Schwerpunkten Web, Cloud und C++.

Im Alter von 7 Jahren habe ich begonnen zu programmieren, mit 10 das erste Spiel entwickelt, als Werkstudent schon ein eigenes komplexes System entworfen, implementiert und später für den Betrieb und die Weiterentwicklung verantwortlich gewesen.

Ich suche stets nach besonderen Herausforderungen, insbesondere in der Entwicklung komplexer Algorithmen. Mich faszinieren elegante Lösungen für scheinbar komplexe Probleme. Mein Lieblings-Algorithmus ist A* (Suche des kürzesten Weges).

Darüber hinaus begeistere ich mich für Sprachfeatures, Metaprogramming (z.B. C++ Variadic Templates) und Compiler-/Interpreterbau.

Aktuell entwickle ich viel Python, beschäftige mich dort vermehrt mit Metaprogrammierung und generischen Konzepten, welche in meiner derzeitigen Tätigkeit bei der Entwicklung von Cloudanwendungen im Kontext der Materialforschung benötigt werden. Außerdem bin ich für den Aufbau der Cloud-Architektur auf Basis von AWS verantwortlich.

In meiner Freizeit beschäftige ich mich mit Microcontrollern, 3D-Druck, meinem selbstgebauten Quadcopter und neuerdings für CNC-Fräsen und dem Holzhandwerk.

Ebenfalls bin ich leidenschaftlicher Hobbymusiker und spiele schon seit vielen Jahren in einem örtlichen Musikverein sowie im Sinfonischen Blasorchester des Badischen KONServatoriums Karlsruhe. Auch in kleineren Besetzungen (Trio, Quintett) sorge ich gerne regelmäßig für musikalische Umrahmungen kleinerer Events.

Kürzlich hat die Freiwillige Feuerwehr Durlach mein Interesse geweckt, wo ich mich nun als Quereinsteiger ehrenamtlich engagiere.