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Zwiegespräch

Spracherkennungssystem "Simon listens"

01.07.2008
,
Bis der PC wie bei Star Trek frei gesprochene Kommandos entgegen nimmt, dauert es sicher noch etwas. Das Projekt "Simon listens" zeigt aber, wie der Weg dahin aussehen könnte.

Beim Versuch, dem Computer die menschliche Sprache nahe zu bringen, interessieren sich die Forscher vor allem für zwei Bereiche: Steuern und Erfassen. So schreitet zum Beispiel in der Medizin der Einsatz von Techniken zum automatische Erkennen des gesprochenen Worts immer weiter voran. Der moderne Arzt diktiert Diagnosen und Berichte direkt in den Rechner und spart so Zeit und Geld.

Allerdings fallen beim Anschaffen der Geräte und der Software hohe Kosten an. Was das Budget einer Klinik noch leistet, kommt den Privatmann meist zu teuer. Entsprechend schlecht sieht es für behinderte Menschen aus. Hier kostet allein die Pflege viel Geld. Moderne computergestützte Hilfssysteme finden sich kaum.

Doch gerade Menschen mit eingeschränkten motorischen Fähigkeiten profitieren von den intelligenten Systemen. Bedeuten diese schließlich ein Mehr an Lebensqualität und Selbstständigkeit. Hier eröffnen sich mit dem freien Spracherkennungssystem "Simon listens" [1] neue Chancen.

Software und mehr

Hinter dem Projekt steht ein gemeinnütziger Verein mit gleichem Namen (siehe Kasten "Der Verein"). Er versteht sich als Plattform für das Entwickeln der freien, unter GPL stehenden, Software Simon. Die Mitglieder des Vereins engagieren sich dabei nicht nur beim Programmieren der Software, sondern arbeiten zusätzlich in der begleitenden Forschung, informieren über die Technik und geben Schulungen.

Der Verein

Hinter der Arbeit an Simon steht der österreichische Verein "Simon listens" mit Sitz in der Steiermark. Dieser und das Projekt finanzieren sich über Spenden und öffentliche Zuwendungen. Im letzten Jahr benötigte der Verein rund 41 000 Euro, für dieses Jahr stehen nochmals 16 000 Euro an Ausgaben an.

Bis dato flossen nicht nur unzählige Arbeitsstunden, sondern auch rund 9000 Euro aus eigenen Mitteln in das Projekt. Unterstützung erhält der Verein aus dem Geschäftsumfeld. Die Firma Cyber-Byte mit Geschäftsführer Franz Stieger, der gleichzeitig Obmann des Vereins ist, zählt zu den Hauptförderern. Außerdem greifen die Firmen Sennheiser, Pixelwings und Microsoft sowie Sourceforge.net dem Projekt unter die Arme.

Simon bietet eine einfach zu benutzende grafische Schnittstelle für die Spracherkennungs-Engine Julius [2] und das HTK-Toolkit[3]. Die Entwickler haben Simon aber nicht an ein vorgegebenes Sprachmodell gekoppelt, sondern so konzipiert, das es nach einer Trainingsphase mit jeder Person individuell funktioniert. Bisherige Anwendungen zum Erkennen von Sprache erforderten oft eine perfekte Aussprache. Simon verfolgt dagegen einen Ansatz, der es auch Personen mit Sprachproblemen ermöglicht, alle Vorteile des Systems und der damit verbunden Anwendungen zu nutzen.

Vor kurzem veröffentlichte das Entwicklerteam (siehe Kasten "Wer entwickelt Simon?") das Programm in einer ersten Alphaversion. Die benötigten Wörterbücher importiert Simon direkt aus dem Wiktionary [5] – einem Wikipedia-Unterprojekt – oder aus Dateien im HADIFIX- oder HTK-Format. Zudem bietet die Software die Möglichkeit, die Sprache anhand einfacher Beispiele zu trainieren und neue Wörter hinzuzufügen. So erlaubt Simon beispielsweise, verbal auf dem Rechner Kommandos auszuführen oder Texte zu diktieren.

Wer entwickelt Simon?

Die Idee zu Simon stammt vom Sprachheilpädagoge und EDV-Unternehmer Franz Stieger. Mit ihm zusammen arbeiten an dem Projekt Peter Grasch, Phillip Goriup, Susanne Tschernegg und Bettina Sturmann, allesamt Studenten der Höheren Technischen Bundeslehranstalt (HTBLA) Kaindorf / Österreich [4], die die Spracherkennungssoftware zum Thema ihrer Maturaarbeit (Diplomarbeit) gemacht haben.

Das anfänglich fünfköpfige Team umfasst inzwischen auf neun Personen, darunter die beiden Testpersonen Tobias Pölzl, 14 Jahre, und Sabrina Wonisch, 18 Jahre. Philip Theussl sowie Michael Stieger, die ebenfalls an dem Projekt mitarbeiten, kümmern sich vornehmlich um das Erheben der Sprachpakete.

Simon greift auf die Spracherkennungs-Engine Julius, die separat läuft, über das TCP/IP-Protokoll zu. Dadurch ist es möglich, dass die Erkennung der Sprache auf einem zentralen Server erfolgt, der mehrere Clients bedient. Im Gegensatz zu anderen Anwendungen beherrscht es Julius, nicht nur einzelne Worte, sondern auch ganze Sätze zu erkennen. Die Entwickler haben die Software so ausgelegt, dass diese Diktate aufnehmen und große Vokabelstämme lernen kann.

Julius basiert auf einem so genannten hybriden System aus HM-Modellen und neuronalen Netzwerken (siehe Kasten "NN-HMM"). Das System hängt stark vom Sprecher ab, erweist sich aber als sehr lernfähig. Es liefert damit sehr gute Ergebnisse für einen großen Vokabelstamm. Die Spracherkennungsengine steht unter der GPL. Bis 2003 lag die Verantwortung beim "Continuous Speech Recognition Consortium Japan". Aktuell liegt das Projekt in den Händen des "Interactive Speech Technology Consortium" (ISTC) [6].

NN-HMM

HMM steht für Hidden-Markov-Modell (engl. verborgenes Markov-Modell) für die Spracherkennung. HM-Modelle helfen dabei, Eingangssignale mit bekannten Phonemen zu vergleichen, aus denen eine Software Worte zusammensetzt. HM-Modelle sind stark vom Sprecher abhängig.

Neuronale Netzwerke kommen in der Spracherkennung zum Einsatz, um Frequenzänderungen innerhalb einer bestimmten Zeitspanne festzustellen und so Worte zu erkennen. Im Gegensatz zu HM-Modellen hängen sie nicht vom Sprecher ab, skalieren aber weniger gut. Im hybriden System erledigt das neuronale Netzwerk die Vorarbeit und leitet die Ergebnisse an ein System mit Hidden-Markov-Modell weiter.

Von Haus aus verfügt Julius lediglich über ein Kommandozeilenschnittstelle, die die erkannten Ergebnisse ausgibt. Um die Software alltagstauglich zu machen, entwickelt das Simon-Team um die Julius-Engine herum Sprachmodelle, mit deren Hilfe Sie dem Rechner Texte diktieren und Steuerbefehle erteilen. Damit öffnen die Entwickler eine neue Tür: Bisherige freie Modelle beschränkten sich nur auf Demonstrationen der technischen Machbarkeit, kommerzielle Alternativen ließen sich nur unter Wine mehr oder weniger gut nutzen. Als Zielsprache implementierten die Entwickler Deutsch, die Benutzeroberfläche übersetzten Sie auch ins Englische. Von diesen beiden implementierten Sprachen ganz abgesehen versteht sich die Software auch auf andere Sprachen. Simons Oberfläche integriert sich sowohl in X11 als auch in die Windows-Umgebung.

Installation

Bevor Simon den Weg auf den heimische Rechner antritt, gilt es einige Vorarbeit zu leisten. Installieren Sie zuerst alle Programme, die Simon zum Laufen braucht. Dazu zählen, neben den für das Kompilieren nötigen Abhängigkeiten Qt in Version 4.3, die Entwicklerpakete von Alsa (unter Ubuntu alsa-source und libasound2-dev) sowie die X11-Entwicklerpakete. Zusätzlich benötigt Simon MySQL, das HTK-Toolkit [7] und Julius [8].

MySQL und die Abhängigkeiten installieren Sie leicht mit Hilfe des bevorzugten Paketmanagers. Anwender berichteten in Foren von Problemen mit Qt in der Version 4.3.1, aber da viele modernen Distributionen inzwischen neuere Versionen mitbringen, gibt es damit keine Komplikationen.

Die Installation des HTK-Toolkits setzt voraus, dass Sie sich auf der Website registrieren. Für den Vorgang sollten Sie einige Zeit einplanen: Unter Umständen dauert es etwas länger, bis die Mail mit den Zugangsdaten eintrifft. Haben Sie das Archiv heruntergeladen und entpackt, wechseln Sie in das entstandene Verzeichnis. Mittels ./configure && make all && sudo make install installieren Sie HTK nach /usr/local/bin/.

Julius selbst steht als Quellpaket [8] oder Binary auf der Projektseite bereit, so dass Sie hier nicht unbedingt zum Compiler greifen brauchen. Besser erstellen Sie jedoch einen Schnappschuss des SVN-Verzeichnisses. Da die Entwickler Simon beständig verbessern, weisen diese Dateien deutlich weniger Fehler auf, als die Quelltext-Archive. Darüber hinaus fällt die Installation um vieles leichter.

Haben Sie alle Abhängigkeiten gelöst, installieren Sie Simon. Greifen Sie dazu auf die Dateien des aktuellen SVN-Schnappschusses zurück. Holen Sie sich mittels $ svn co https://speech2text.svn.sourceforge.net/svnroot/speech2text speech2text die benötigten Dateien. Wechseln Sie anschließend in das neu angelegte Verzeichnis speech2text im Arbeitsverzeichnis. In diesem befinden sich die Quelldateien für Simon und den Daemon Juliusd, der Simon mit der Spracherkennungsengine Julius verbindet und ihr damit zu Multi-User-Funktionalität und Methoden zur Modellversionsverwaltung verhilft.

Wechseln Sie zuerst ins Verzeichnis juliusd und übersetzen Sie die Quellen des Daemons mit qmake && make. Das fertige Programm Juliusd finden Sie nun in ~/speech2text/juliusd/bin/. Juliusd benötigt eine MySQL-Datenbank. Erstellen Sie diese wie im ersten Listing im Kasten "Datenbank einrichten" zu sehen. Um nicht dauernd als Datenbanknutzer root auf die Datenbank juliusd zuzugreifen, erstellen Sie gleich im Anschluss den Benutzer simon mit Passwort simon (Kasten "Datenbank einrichten", zweites Listing).

Datenbank einrichten

Erstellen der Datenbank:

$ mysql -u root -p
mysql> create database juliusd;
mysql> use juliusd;
mysql> CREATE TABLE `User` (
-> `UserId` int(11) NOT NULL auto_increment,
-> `Username` varchar(150) NOT NULL,
-> `Password` varchar(250) NOT NULL,
-> PRIMARY KEY (`UserId`),
-> UNIQUE KEY `Username` (`Username`)
->);

Einrichten des Benutzers:

mysql> GRANT SELECT,INSERT,UPDATE,DELETE,CREATE,DROP
-> ON juliusd.*
-> TO simon@localhost
-> IDENTIFIED BY 'simon';
mysql> quit

Starten Sie den Julius-Daemon, und geben Sie die entsprechenden Optionen an. Haben Sie alles richtig gemacht, startet der Server fehlerfrei (Abbildung 1).

Abbildung 1: Nach dem Start meldet sich der Juliusd mit seinem Status.

Nun geht es an das eigentliche Übersetzen von Simon. Wechseln Sie dazu ins entsprechende Verzeichnis und führen Sie auch hier qmake && make aus. Das fertige Programm liegt hier im aktuellen Verzeichnis. Jetzt ist es Zeit, Simon erstmals zu starten. Stellen Sie sicher, dass der Juliusd läuft. Konfigurieren Sie den Daemon gegebenenfalls. Der MySQL-Server läuft standardmäßig auf Port 3306, Simon kommuniziert mit Juliusd von Haus aus auf Port 4444 (Abbildung 2).

Abbildung 2: Im Reiter für die Datenbankverbindung passen Sie gegebenenfalls die Angaben an Ihr lokales Setup an.

Im Konfigurationsdialog geben Sie unter dem Punkt Julius den Pfad zur Julius-Engine an, in die Argument-Zeile tragen Sie -input mic -C /Pfad/julian.jconf ein. Beenden Sie die Konfiguration und starten Sie den Server. Wenn sich Juliusd nicht beschwert, haben Sie alles richtig gemacht. Nun legen Sie unter Einstellungen | Benutzer noch den Benutzer an, der sich zukünftig mit Juliusd verbindet.

Der erste Start von Simon steht an: Mit ~/speech2text/trunk/simon erwecken Sie das Programm zum Leben. Es empfängt Sie mit einem Dialog zur Erstkonfiguration. Bis auf die Julius-Programme Mkfa und Dfa_minimize haben die Entwickler die wichtigen Variablen bereits gesetzt. Klicken Sie daher auf Sprachmodell: Quelle, um das Tool an Ihre Aussprache anzupassen. Vewenden Sie dazu ein neues Sprachmodell. Übernehmen Sie die Pfadangaben zu den nötigen Dateien mit einem Klick auf den Button Next. Danach gelangen Sie zur Wahl des Wörterbuches.

Da Wiktionary-Einträge nicht immer Hadifix-BOMP-kompatibel – also maschinenlesbar – vorliegen, empfiehlt es sich, auf ein entsprechendes Lexikon des Instituts für Kommunikationswissenschaften der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn [9] zurückzugreifen. Den Download fordern Sie per Mail an. Achten Sie unbedingt darauf, dass Sie als Transkriptionsformat Hadi-Bomp angeben. Die Mühe lohnt sich, denn Sie erhalten ein fehlerbereinigtes Wörterbuch mit rund 110 000 Einträgen.

Erscheint Ihnen das zu aufwändig, wählen Sie das Wiktionary, das aktuell beim Wiktionary-Projekt vorliegt. Es verschafft Ihnen eine Basis von etwa 10 000 Wörtern. Aus dem ausgewählte Wörterbuch werden auch ein Schattenlexikon und Schattenvokale generiert. Aus diesen bedient sich Simon, wenn es ein angepasstes Sprachmodell erstellt.

Nun geht es darum, Simon mit Ihrem persönlichen grammatikalischen Stil bekannt zu machen. Füttern Sie das Programm mit von Ihnen geschriebenen ASCII-Dateien. Je mehr Sie sich darauf beschränken, Simon nur mit Satzkonstrukten zu speisen, die Sie tatsächlich brauchen, desto höher fällt später die Erkennungsrate aus, und desto weniger Daten benötigen Sie. Möchten Sie viel Zeit investieren, steht es Ihnen natürlich frei, umfangreiche Textsammlungen zu importieren. Bei Bedarf passen Sie die Grammatik im Nachhinein problemlos an.

Der nächste Dialog fragt die Konfiguration der Sound-Hardware ab. Danach bietet das Programm an, die Konfiguration von Simon per Passwort gegen Verändern zu schützen. Haben Sie den Dialog beendet, fragt die Software die Einstellungen für den Juliusd ab. Die hier eingegebene Nutzer/Passwort-Kombination entspricht der zuvor im Juliusd angelegten.

In den Netzwerkeinstellungen geben Sie an, wo sich der Juliusd befindet und auf welchem Port er lauscht (localhost/4444). Als nächstes fragt Simon Sie nach den so genannten Triggern. Darunter versteht das Programm Schlüsselwörter, die Sie mit einem Kommando oder einer Aktion koppeln und die es im Diktat nicht schreibt. Mit einem Klick auf Next haben Sie die Konfiguration abgeschlossen, und Simon startet.

Wenn Sie allerdings erwarten, dass Ihr Rechner nun aufs Wort gehorcht, irren Sie sich. Bevor der PC Ihre Sprache versteht, braucht es noch einige Trainingsläufe. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Wollen Sie gleich mit einem komplexen Programm starten, klicken Sie einfach auf den Button Trainieren, und wählen Sie eines der angebotenen Trainings aus (Abbildung 3).

Abbildung 3: Anhand eines Beispieltextes lernt der Computer, Ihre Sprache zu verstehen.

Höchstwahrscheinlich kommen Sie dabei mit Wörtern in Kontakt, die sich noch nicht in Ihrem Schattenlexikon befinden und somit noch keine Sampa-Kodierung [10] haben. Wissen Sie nicht, was Sie in das entsprechende Feld eintragen sollen, hilft ein Blick in das Schattenlexikon in der Datei shadowlexicon im Unterverzeichnis model/ weiter. Hier finden Sie alle Wörter, die Sie vorher aus einem Wörterbuch importiert haben. Zusätzlich gilt es, die entsprechende Wortform (siehe Tabelle "Wortarten") anzugeben.

Wortarten

ADD Additive, Präpositionen oder Postpositionen
ADV Adverben
ART Artikel
INJ Interjektion
KNJ Konjugation
MOD modales Formwort
NAM Namen
NEG Negativpronomen, Negation
NOM Nomen
NUM Numerale
PPR Personalpronomen
PRO Pronomen
QUAL Qualifier, dienen zum Qualifizieren andere Wortformen
QAN QUAL, Adnominal
QAV QUAL, Adverb: QUAL, die syntaktisch nur die Position des Adverbs einnehmen
QPN QUAL, Prädikativ, Nomen
QPV QUAL, Prädikativ, Adverb: QUAL, die prädikativ oder adverbial funktionieren
QAL Attributive Alternanten der QPV
REL Relativpronomen
REFL Reflexivpronomen
RFW reflexives Formwort, Pronomen in reflexiver Funktion
SBJ Subjunktion = unterordnendes Wort
TME Tmesisfähiges Präverb, Zerlegen von Verbkonstruktionen
VEH Hilfsverb 'haben'
VEM Modalverben
VES Hilfverb 'sein'
VEW Hilfsverb 'werden'
VRB Verben

Haben Sie das getan, gilt es, das aktuelle Wort zweimal aufzunehmen. Durch die doppelte Aufnahme erhöht Simon die Genauigkeit, mit der die Spracherkennung Worte und Sätze registriert. Mitunter kommt es vor, dass Simon gleich eine Ihrer Grammatiken hören möchte (Abbildung 4). Als Grammatiken bezeichnet Simon alle Wortgruppen, wie zum Beispiel ein Substantiv und ein Verb.

Abbildung 4: Simon fragt nach, sobald er auf unbekannte Vokabeln trifft.

Wollen Sie das nicht, springen Sie mit einem Klick auf den Button Back in den Beispieldialog und löschen alle Wörter, die Sie nicht diktieren möchten. Haben Sie Simon alle fehlenden Wörter mindestens zweimal vorgelesen und ein neues Sprachmodell erstellt, bringen Sie dem Programm nun Wortgruppen bei (Abbildung 5). Anschließend generieren Sie wieder das Sprachmodell.

Abbildung 5: Neben einzelnen Wörtern trainieren Sie Simon auch Wortgruppen an.

Sobald Sie über ein gültiges Sprachmodell verfügen, verbinden Sie sich zum Juliusd. Dieser startet wiederum die Spracherkennungsengine Julius. Ob diese läuft, erkennen Sie, wenn Sie im Juliusd auf den neuen Reiter mit der IP des Rechners klicken, auf dem Julius läuft. Finden Sie hier keine Fehlermeldung, sprechen Sie einfach drauflos. Alles, was Julius erkennt, gibt es nun in diesem Fenster aus.

Erhalten Sie hier keine Ausgaben, überprüfen Sie die Einstellungen des Juliusd, ob Sie die entsprechende Option aktiviert haben. Ist das der Fall, und Sie erhalten trotzdem keinen Output, empfiehlt es sich, laut ins Mikrofon zu schreien. Bleibt auch das erfolglos, schauen Sie sich den Output auf der Kommandozeile an. Findet sich hier eine Meldung, dass ein anderes Gerät die Soundkarte blockiert, aktivieren Sie die Dsnoop-Unterstützung (siehe Kasten "Alsa-Plugins konfigurieren").

Alsa-Plugins konfigurieren

Das in Simon Training und das Erkennen von Sprache gleichzeitig ablaufen, setzt voraus, dass mehrere Programme Zugriff auf das Mikrofon haben. Simon unterstützt dazu die Alsa-Plugins Dsnoop [12] und Dmix. Um diese zu nutzen, installieren Sie als erstes die entsprechenden Plugins (unter Ubuntu/Debian heißt das Paket zum Beispiel libasound2-plugins).

Im nächsten Schritt legen Sie entweder eine /etc/asound.conf (gilt global) oder eine ~/.asoundrc (benutzerspezifische Konfiguration) an (siehe Listing 1). Stoppen Sie laufende Sound-Daemons wie Artsd oder ESD und starten Sie Alsa neu.

Listing 1
# Soundkarte festlegen (ggfs. anpassen)
pcm.snd_card { type hw
               card 0
               }
# Dmix-Plugin
pcm.dmixer { type dmix
             ipc_key 1024
             ipc_perm 0666
             ipc_key_add_uid 0
             slave.pcm "snd_card"
             slave { period_time 0
                     period_size 1024
                     buffer_size 65536
                     rate 44100
                     channels 2 }
             bindings { 0 0
                        1 1 }
             }
# Dsnoop-Plugin. Erlaubt Programmen
# das gleichzeitige Aufnehmen
pcm.dsnooper { type dsnoop
               ipc_key 2048
               ipc_perm 0666
               ipc_key_add_uid 0
               slave.pcm "snd_card"
               slave { period_time 0
                       period_size 1024
                       buffer_size 65536
                       rate 44100
                       channels 2 }
               bindings { 0 0
                          1 1 }
               }
# Fullduplex-Plugin als Standard fuer
# ALSA-Programme definieren
pcm.duplex { type asym
             playback.pcm "dmixer"
             capture.pcm "dsnooper"
             }
pcm.!default { type plug
               slave.pcm "duplex"
               }

Sobald Sie sehen, dass Julius Signale empfängt und verarbeitet, haben Sie es geschafft und könnten theoretisch Texte und Befehle diktieren. Meist stellen Sie aber fest, dass die Trefferquote bei einigen Wörtern noch nicht so gut ausfällt. Da hilft nur nachträgliches Spezialtraining. Klicken Sie dazu auf Wortliste, um alle Wörter zu sehen, die Simon schon kennt. Nun ziehen Sie das Wort, welches Sie trainieren wollen, in das Fenster unter spezielles Training und starten den Vorgang, indem Sie auf Trainieren klicken (Abbildung 6). Wiederholen Sie diesen Schritt so oft, bis Sie mit der Trefferquote zufrieden sind.

Abbildung 6: Mittels Drag & Drop ziehen Sie Wörter in den Trainingsbereich.

Natürlich eignet sich Simon nicht nur zum Diktieren von Texten, sondern auch zum Ausführen von Kommandos, zum Beispiel, um Programme zu starten. Um in diesen Genuss zu kommen, machen Sie Simon als erstes mit dem Haupttrigger bekannt. Falls Sie nicht mehr wissen, für welches Wort Sie sich entschieden hatten, schauen Sie in den Systemeinstellungen unter dem Punkt Kommandos nach (Abbildung 7)

Abbildung 7: Der Haupttrigger signalisiert Simon, dass Sie aus dem Diktat in den Kommandomodus.

Um nun ein Programm mit einem Kommando zu verknüpfen, wechseln Sie mit einem Klick auf Systemverwaltungsmodus und ins dortige Menü Kommandos. Sofern Sie unter KDE arbeiten, importieren Sie die Programme über eine Auswahl mit der Struktur des Startmenüs. Bei anderen Windowmanagern konfigurieren Sie die Kommandos manuell. Geben Sie den Namen des entsprechenden Kommandos an. Unter Wert tragen Sie das zu startende Programm ein und geben dessen Arbeitspfad an.

Jetzt sollten Sie in der Lage sein, das eben eingerichtete Programm per Sprachbefehl zu starten. Sollte etwas nicht gehen, testen Sie die Konfiguration, indem sie den entsprechenden Eintrag im Menü Ausführen anklicken und bestätigen. Startet das Programm, haben Sie es auf jeden Fall richtig konfiguriert.

Auf die gleiche Art, wie Sie Programmstarter konfigurieren, legen Sie auch Orte, zum Beispiel Verzeichnisse auf Ihrer Festplatte oder Webadressen, Sonderzeichen oder Tastenkürzel – wie [Strg]+[A] um alles zu markieren oder [Strg]+[C] zum Kopieren – an. Zudem eignet sich Simon als Mausersatz zum Navigieren auf dem Bildschirm.

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