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Today, augmented reality is becoming more and more important in several areas like industrial sectors, medicine, or tourism. This gain of importance can easily be explained by its powerful extension of real world content. Therefore, augmented realty became a way to explain and enhance the real world information. Yet, to create a system which can enhance a scene with additional information, the relation between the system and the real world must be known. In order to establish this relationship a commonly used method is optical tracking. The system calculates its relation to the real world from camera images. To do so, a reference which is known is needed in the scene to serve as an orientation. Today, this is mostly a 2D-marker or a 2D-texture. These are placed in the real world scenery to serve as a reference. But, this is an intrusion in the scene. That is why it is desirable that the system works without such an additional aid. An strategy without manipulating the scene is object-tracking. In this approach, any object from the scene can be used as a reference for the system. As an object is far more complex than a marker, it is harder for the system to establish its relationship with the real world. That is why most methods for 3D-object-tracking reduce the object by not using the whole object as reference. The focus of this thesis is to research how a whole object can be used as a reference in a way that either the system or the camera can be moved in any 360 degree angle around the object without loosing the relation to the real world. As a basis the augmented reality framework, the so called VisionLib, is used. Extensions to this system for 360 degree tracking are implemented in different ways and analyzed in the scope of this work. Also, the different extensions are compared. The best results were achieved by improving the reinitialization process. With this extension, current camera images of the scene are given to the system. With the hek of these images, the system can calculate the relation to the real world faster in case the relation went missing.
Algorithmische Komposition
(2018)
Algorithmic composition is an interdisciplinary topic that unites music and science. The computer is able to generate algorithmic music with the aid of a specific algorithm. In this bachelor thesis, algorithmic composition is realized with the biology-inspired algorithms called Lindenmayer-system and cellular automaton. In order to realize the compositions, several techniques are presented as well as implemented and evaluated. Those techniques map the generated data from the algorithms on a meaningful musical result.
In der vorliegenden Diplomarbeit wurde gezeigt, wie sich Ambient Occlusion in einer Szene aus frei transformierbaren Starrkörpern unter Verwendung von Coherent Shadow Maps in interaktiven Frameraten berechnen und darstellen lässt. Die Vorteile von Ambient Occlusion im Vergleich zu klassischen lokalen Beleuchtungsmodellen wurden aufgezeigt - den Ansatzpunkt bildet die Approximation von Umgebungslicht und indirekter Beleuchtung durch einen konstanten Farbwert - und die vereinfachenden Annahmen, die im Vergleich zu einer Simulation globaler Beleuchtung gemacht werden, wurden nachgezeichnet - Die Gültigkeit von Ambient Occlusion beschränkt sich demnach eigentlich auf eine direkte Beleuchtung diffuser Materialien mit konstanter Leuchtdichte. Um einen umfassenden Überblick zu gewährleisten, wurden zahlreiche existierende Ansätze zur Berechnung von Ambient Occlusion ausführlich vorgestellt. Anschließend wurde auf die Berechnung der Visibilität mittels CSMs eingegangen. Es wurde gezeigt wie sich die Komprimierungsrate von CSMs durch eine gleichmäßige Verteilung der zu komprimierenden Depth Maps deutlich erhöhen lässt und ein XML-konformes Dateiformat, das die beliebige Wiederverwendung einmal komprimierter Depth Maps erlaubt, wurde eingeführt.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit Konzepten für die Anzeige eines frei programmierbaren Kombinationsinstrumentes (FPK). Ziel ist es, die zunächst theoretischen Anzeigekonzepte auf Basis einer zu ermittelnden Hard- und Softwareplattform zu entwickeln. Zu Beginn wird die Evolution von analogen, mechanischen Kombinationsinstrumenten zum FPK beschrieben. Darauf folgt ein Überblick bereits bestehender FPK-Konzepte mit einer genaueren Sicht auf dargestellte Anzeigeelemente. Dabei wird besonders auf die Personenwarnung in der Night-view-Anzeige und eine Anzeige der ökologischen Fahreffizienz eingegangen. Die Arbeit ist Teil eines in Entwicklung befindlichen FPK-Projektes. Basierend auf den durch dieses Projekt vorgegebenen Anforderungen wird eine geeignete Soft- und Hardwareplattform für die Umsetzung eines FPK ermittelt. Dabei zeigt sich, dass die optimale Plattform nur durch eine präzise Änderungsdefinition des graphischen Systems bestimmt werden kann. Da die Projektanforderungen nicht präzise genug sind, wird Adobe Flash in Verbindung mit Actionscript zur Umsetzung der Anzeigekonzepte eingesetzt, um Plattformunabhängigkeit zu erreichen. Mittels Techniken des User-centered Designs wurden Konzepte einzelner und kombinierter Anzeigeelemente entwickelt. Dabei wurde besonders darauf geachtet, die Gestaltungsmöglichkeiten durch die Größe der zur Verfügung stehenden Anzeigefläche des FPK auszunutzen. Nach theoretischen Überlegungen bezüglich des Verwendungskontexts und wahrnehmungspsychologischer Erkenntnisse werden entwickelte Konzepte skizzenhaft beschrieben und die erstellten Animationen erläutert. Den Schluss bildet eine Evaluation einzelner Prinzipien. In einer Umfrage mit 14 Probanden konnte die intuitive Erkennbarkeit einzelner Konzepte teilweise bestätigt oder widerlegt werden. Die Wirksamkeit einer entwickelten Warnmeldung zur Steuerung der Aufmerksamkeit wurde anhand eines Tests mit Nutzern in einer Simulation bestätigt. Die Warnmeldung und andere Konzepte sind nur in einem FPK umzusetzen. So wird gezeigt, dass der Einsatz eines FPK zu einer erhöhten Sicherheit und besseren Bedienbarkeit führen kann. Das FPK sollte jedoch nicht isoliert vom restlichen HMI betrachtet werden, damit seine Möglichkeiten voll ausgeschöpft werden können. Der Einsatz echter 3-D-Graphik für FPK ist zweifelhaft. Über den Bedarf muss im Einzelfall nach einem Test auf Usability entschieden werden. Die Evaluation zeigt, dass Konventionen eines herkömmlichen Kombinationsinstrumentes auch bei der Gestaltung von Anzeigeelementen für ein FPK genutzt werden sollten, um eine Lesbarkeit zu garantieren.
Augmented Reality ist eine neuartige, auf vielen Gebieten einsetzbare Technologie. Eines dieser Gebiete ist die Touristeninformation. Hier ermöglicht die AR dem Anwender eine schier endlose Fülle der verschiedensten Möglichkeiten. Mit Ihrer Hilfe kann der Benutzer nicht nur die Zeit bereisen, er kann auch Unsichtbares sehen. Doch stellt sich die Frage, ob die AR auch für weiterreichende Zwecke geeignet ist. Ist es möglich mit ihrer Hilfe Wissen nachhaltig zu vermitteln? Und wenn ja, wie kann dies geschehen? In althergebrachter Form von Texten und Bildern, oder auf interaktive und spielerische Weise? Was muß beachtet werden bei dem Versuch eine AR Anwendung für die Wissensübermittlung zu erstellen? Wie kann der Benutzer mit Ihr umgehen? Weiss der Benutzer später auch wirklich mehr? Die vorliegende Diplomarbeit geht diesen Fragen nach, indem sie zuerst der AR einen genaueren Blick widmet. Sie betrachtet die möglichen einsetzbaren Medien und gibt Vorschläge für interaktive Anwendungen, die mit Hilfe von AR ausgeführt werden. Zum Schluß untersucht sie anhand einer erstellten Beispielanwendung, ob der Benutzer mit Hilfe der AR etwas lernen und auch behalten kann.
This bachelor thesis deals with the development of an application for the Microsoft HoloLens. The application is used for the marketing of advertis- ing spaces that belongs to the company awk AUSSENWERBUNG GmbH. On basis of the development, the question is answered which are the pos- sibilities and limitations of the HoloLens and the Mixed Reality Platform. Problems are also addressed, that come along with the development of an application for such a new technology, like the HoloLens is. Beside the new technologies, some challenges come also from the applications oper- ational locations. Several application examples and presentations suggest, that the HoloLens is primarily designed for indoor usage. Instead the de- veloped application is for outdoor use only. During the development, sev- eral insights can be gained about this new technology. On the one hand it becomes clear, that the HoloLens and also the development environment aren’t completely matured yet. On the other hand, that the HoloLens isn’t an outdoor device at all. Despite the difficulties during the development, there occur many possibilities that are associated with this new technology.
This thesis deals with the development of an authoring system for modeling 3D environments with physical description. In contrast to creating scenes in other common modeling tools, one can now compute and describe physical entities of a scene additional to the usual geometry. It is very important for those authoring systems to be extendable and customizable for specific requirement of the user. The focus lies on developing simple program architecture, which is easy to extend and to modify.
The present thesis describes the development of an OpenGL-based tool visualizing cavities of proteins, which can be observed during a static docking simulation. The goal is to achieve knowledge about interactions between proteins and ligands based on information about distances between them. At first chemical basics, which motivate the topic and are important for understanding the topic and the used algorithms, are presented. Furthermore existing software, which deals with similar issues, is described. Next the prerequisites for the development of the program are presented and the tool is described in detail. Concluding the tool is evaluated concerning performance and usage and a summarizing conclusion is given. The program turns out as a helpful tool for current research and a good base for further and deeper research projects.
Bildsynthese durch Raytracing gewinnt durch Hardware-Unterstützung in Verbraucher-Grafikkarten eine immer größer werdende Relevanz. Der Linespace dient dabei als eine neue, vielversprechende Beschleunigungsstruktur. Durch seine richtungsbasierte Natur ist es sinnvoll, ihn in andere Datenstrukturen zu integrieren. Bisher wurde er in ein Uniform-Grid integriert. Problematisch werden einheitlich große Voxel allerdings bei Szenen mit variierbarem Detailgrad. Diese Arbeit führt den adaptiven Linespace ein, eine Kombination aus Octree und Linespace. Die Struktur wird hinsichtlich ihrer Beschleunigungsfähigkeit untersucht und mit dem bisherigen Grid-Ansatz verglichen. Es wird gezeigt, dass der adaptive Linespace für hohe Grid-Auflösungen besser skaliert, durch eine ineffiziente GPU-Nutzung allerdings keine optimalen Werte erzielt.
Simulation of fractures
(2014)
Real-time computing often avoids the simulation of fractures due to its complexity. The field of engineering science provides methods to create these simulations to improve games and other applications. Steadily rising computer capacities allow suitable simulations on a real-time basis and make this aspect increasingly interesting. The topic and aim of this research is to simulate fractures of stiff bodies. The primary objective is the physical plausibility and performance of the application. This thesis analyses the potential of computer science to realize the simulation of fractures.
Three existing as well as one self-created were implemented and analysed. The works "Real time simulation of deformation and Fracture of stiff material" from Müller et al., "real time simulation of Brittle Fracture using Modal analysis" from Glondu et al. and "Fast and Controllable simulation of the Shattering of Brittle Objects" from Smith et al. form the basis of this thesis. The introduced methods use different computation of forces and fractures. The developed procedure uses the idea of generating secondary breaks. The approaches were implemented based on the Bullet physics-engine. The results of the work show that physically based breaks are realizable on a real-time basis.
The analysis of the physical methods demonstrates that their performance mainly depends on the constitution of the used objects. This thesis shows that the further investigation of this topic can discover new possibilities. The improvement of the realism in virtual worlds can be achieved by executing physically plausible methods.
This thesis tests several methods and measures in pathtracing for selecting either the Line Space or the Bounding Volume Hierarchy data structure to make use of the advantages of both. The structures are defined locally around each object and each Line Space shaft contains one candidate ID each. All implementation is done as a C++ and OpenGL framework with compute shaders handling the pathtracing and Line Space generation. The measures include the probability distribution, the effect dependency, as well as a distance threshold and are tested against several different scenes. In most situations, the results show a noticeable increase in performance, partly only with minor visual differences, with the probability measure producing the highest quality images for a given performance. The fundamental problems of the Line Space concering the high memory consumption and a long generation time compared to the BVH still persist, despite the object local structure, a minimal amount of data per shaft and the compute shader implementation.
This thesis presents an approach to optimizing the computation of soft shadows from area lights. The light source is sampled uniformly by traversing shadow rays as packets through an N-tree. This data structure stores an additional line space for every node. A line space stores precomputed information about geometry inside of shafts from one to another side of the node. This visibility information is used to terminate a ray. Additionally the graphics processing unit (short GPU) is used to speed up the computations through parallelism. The scene is rendered with OpenGL and the shadow value is computed on the GPU for each pixel. Evaluating the implementation shows a performance gain of 86% by comparison to the CPU, if using the GPU implementation. Using the line space instead of triangle intersections also increases the performance. The implementation provides good scaling with an increasing amount of triangles and has no visual disadvantages for many rays.
Im Laufe der Zeit fallen in einem Unternehmen große Mengen von Daten und Informationen an. Die Daten stehen im Zusammenhang mit unternehmensinternen Vorgängen, mit dem Marktumfeld, in dem das Unternehmen positioniert ist, und auch mit den Wettbewerbern. Sie sind vielfältiger Art, normalerweise inhomogen und aus verteilten Datenquellen zu beziehen. Um in dieser Flut von Daten die Übersicht zu behalten, die Menge an Informationen effektiv für das Unternehmen nutzbar zu machen, vor allem auch nachhaltig für kommende Entscheidungsfindungen, müssen die Daten analysiert und integriert werden. Diese Optimierung der Entscheidungsfindung durch Zugang zu Informationen, deren Analyse und Auswertung wird häufig unter dem Begriff "Business Intelligence" zusammengefasst. Der Wert der vorhandenen Informationen hängt stark von dem erwähnten Zugang und einer ausdrucksstarken Repräsentation ab. RIA-Techniken ermöglichen eine einfache Verfügbarkeit der verarbeiteten Geschäftsdaten über Inter- und Intranet ohne große Anforderungen an ihre Nutzbarkeit zu stellen. Sie bieten zudem spezialisierte leistungsfähige und in großem Maße programmierbare Visualisierungstechniken. Die Diplomarbeit soll zwei Schwerpunkte habe. Zum Einen wird sie sich mit Arten der Informationsvisualisierung im Allgemeinen und deren Eignung für Geschäfsdaten beschäftigen. Der Fokus liegt hierbei auf Daten und Informationen in Management-Informationsberichten. Ziel ist eine Visualisierungsform, die es dem Nutzer ermöglicht, die zu kommunizierenden Informationen effizient auszuwerten. Zum anderen untersucht die Diplomarbeit die Vor- und Nachteile des Einsatzes von RIAs. Der Implementierungsteil umfasst eine RIA als "Proof of Concept", deren Hauptaugenmerk auf eine dynamische Interaktion und optimierte Informationsvisualisierung gerichtet sein soll. Die Diplomarbeit wird bei der Altran CIS in Koblenz durchgeführt.
Dynamisches Tone Mapping einer High Dynamic Range Echtzeit 3D-Umgebung mit der Grafik Hardware
(2007)
This thesis explores different approaches for the acceleration of raytracing calculations on the graphics processing unit (GPU). For that a voxel grid is used and extended by the linespace data structure. The linespace consists of direction based shafts and stores the objects located in those shafts in a candidate list. Different methods for the sorting and traversal of the linespace are presented and evaluated. The shown methods cannot provide a speed up of the frame rate without resulting in a loss of image quality.
Shadows add a level of realism to a rendered image. Furthermore, they support the user of an augmented reality application through the interactions of virtual objects. The reason for this is that shadows make it easier to judge the position and the size of a virtual object. In 1978, Lance Williams published the shadow mapping algorithm with the aim to render a shadow of objects in a virtual scene. This master thesis presents a modified shadow mapping approach that can additionally be used in Augmented/Mixed Reality applications. First of all the standard algorithm ist extended by a PCF-filter. This filter is used to handle the aliasing-problem on the edges of the shadow and also to soften the shadow. Phantom objects are necessary to be able to operate this approach in a Mixed Reality application. These objects simulate the position and the geometry of the real objects for the algorithm. The approach consists of three steps: First the camera image is drawn into the framebuffer. After that a shadow map, of the virtual objects only, is created. When rendering these objects shadow mapping creates the shadows of virtual objects onto other virtual objects and on themselves. Afterwards the phantom objects are rendered. The depth test is performed on the fragment shader. If a fragment lies in a shadowed region it will get the color of the shadow. However, if it is beeing lit its transpareny value will be set to 1 so that it will not be seen. By applying this procedure all shadows from the virtual objects onto the real objects will be drawn. The results show that the approach can be used in real time in Mixed Reality environments. Additionally a comparison with a modified version of a shadow volume algorithm that can also be used for Mixed Reality applications shows that the approach of this master thesis casts a more realistic shadow in a shorter period of time. All in all this approach increases the level of realism in augmented reality applications and it helps the user measure distances and sizes of the virtual objects more easily.
In dieser Diplomarbeit wurde eine Echtzeitanwendung entwickelt, die Gras darstellt und zugleich äußere Einflüsse wie Wind oder Kollisionen auf das Gras berücksichtigt. Ein Level-of-Detail-System ermöglicht die Darstellung und Physiksimulation einer großen Wiese in drei Stufen. Semi-transparente Texturquads zur Darstellung und Partikel mit Constraints an der Stelle der Graspatches stellen die feinste Detailstufe in allernächster Nähe zum Betrachter dar. Die Partikel, die nur auf der feinsten Detailstufe verwendet werden, werden mittels einer Physik-Engine berechnet und reagieren auf verschiedene Starrkörper. Die zweite Detailstufe besteht ebenfalls aus Texturquads, die um das erste Detaillevel herum generiert werden. Diese sind jedoch spärlicher verteilt, sehen auf Grund der Distanz zum Betrachter allerdings identisch mit denen aus der ersten Stufe aus. Als letzte Repräsentationsform von Gras kommt eine einfache Bodentextur zur Anwendung. Durch dieses Level-of-Detail-System ist es möglich eine unendlich große Wiese zu simulieren, da die Gräser zur Laufzeit generiert werden. Ein umfangreiches Benutzerinterface ermöglicht die Veränderung einiger Simulationsparameter in Echtzeit und die Generierung verschieden großer Rasenflächen. Zusätzlich lassen sich verschiedene Objekte in der Simulationsumgebung bewegen um die Kollisionsbehandlung testen zu können.
Diese Arbeit macht sich zur Aufgabe, das effiziente Navigieren in virtuellen Szenen näher zu betrachten, um bereits bestehende Navigationsmetaphern genauer zu erforschen und für unterschiedliche Einsatzgebiete anwendbar zu machen. Betrachtet werden Softwareprodukte für durchschnittliche Desktop-Benutzer, die mit Standard-Eingabegeräten arbeiten. Hierzu werden zunächst bestehende Navigationsmetaphern analysiert und Möglichkeiten der Benutzerperspektive sowie andere Hilfsmittel im Hinblick auf ihr aktuelles Anwendungsgebiet diskutiert. Anschließend wird ein theoretisches Testszenario erstellt, in dem alle analysierten Metaphern betrachtet und verglichen werden können. Ein Teil dieses Szenarios wird praktisch umgesetzt, in eine Testumgebung integriert und anhand von Benutzertests evaluiert. Zuletzt werden Möglichkeiten aufgezeigt, inwiefern die betrachteten Navigationsmetaphern in verschiedenen Einsatzgebieten sinnvoll und effizient anwendbar gemacht werden können.