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Diese Arbeit beschreibt einen Ansatz zur webbasierten und GPU-unterstützten medizinischen Visualisierung. Der Schwerpunkt liegt auf der client-seitigen Ausführung von direktem Volumen-Rendering mittels WebGL und der Übertragung von medizinischen Datensätzen von Server zu Client. Die Motivation dieser Arbeit liegt vor allem in den neuesten Entwicklungen von Webtechnologien begründet, da es bisher nicht möglich war hardwarebeschleunigte 3D-Grafik direkt im Webbrowser darzustellen. Erst seit der Entwicklung der 3D-Grafik-Programmierschnittstelle WebGL besteht die Möglichkeit GPU-unterstütztes Volumenrendering im Browser-Kontext ohne den Einsatz zusätzlicher Software zu realisieren. Es wird ein webbasiertes Volumenrendering-System vorgestellt, das die Umsetzung von Volumen-Raycasting mit WebGL zur direkten Darstellung von Volumendaten in Echtzeit behandelt. Für die technische Umsetzung wurden das Google Web Toolkit und die Google App Engine als Infrastruktur verwendet.
The following thesis analyses the functionality and programming capabilitiesrnof compute shaders. For this purpose, chapter 2 gives an introductionrnto compute shaders by showing how they work and how they can be programmed. In addition, the interaction of compute shaders and OpenGL 4.3 is shown through two introductory examples. Chapter 3 describes an NBodyrnsimulation that has been implemented in order to show the computational power of compute shaders and the use of shared memory. Then it is shown in chapter 4 how compute shaders can be used for physical simulationsrnand where problems may arise. In chapter 5 a specially conceived and implemented algorithm for detecting lines in images is described and then compared with the Hough transform. Lastly, a final conclusion is drawn in chapter 6.
Real-time graphics applications are tending to get more realistic and approximate real world illumination gets more reasonable due to improvement of graphics hardware. Using a wide variation of algorithms and ideas, graphics processing units (GPU) can simulate complex lighting situations rendering computer generated imagery with complicated effects such as shadows, refraction and reflection of light. Particularly, reflections are an improvement of realism, because they make shiny materials, e.g. brushed metals, wet surfaces like puddles or polished floors, appear more realistic and reveal information of their properties such as roughness and reflectance. Moreover, reflections can get more complex, depending on the view: a wet surface like a street during rain for example will reflect lights depending on the distance of the viewer, resulting in more streaky reflection, which will look more stretched, if the viewer is locatedrnfarther away from the light source. This bachelor thesis aims to give an overview of the state-of-the-art in terms of rendering reflections. Understanding light is a basic need to understand reflections and therefore a physical model of light and its reflection will be covered in section 2, followed by the motivational section 2.2, that will give visual appealing examples for reflections from the real world and the media. Coming to rendering techniques, first, the main principle will be explained in section 3 followed by a short general view of a wide variety of approaches that try to generate correct reflections in section 4. This thesis will describe the implementation of three major algorithms, that produce plausible local reflections. Therefore, the developed framework is described in section 5, then three major algorithms will be covered, that are common methods in most current game and graphics engines: Screen space reflections (SSR), parallax-corrected cube mapping (PCCM) and billboard reflections (BBR). After describing their functional principle, they will be analysed of their visual quality and the possibilities of their real-time application. Finally they will be compared to each other to investigate the advantages and disadvantages over each other. In conclusion, the gained experiences will be described by summarizing advantages and disadvantages of each technique and giving suggestions for improvements. A short perspective will be given, trying to create a view of upcoming real-time rendering techniques for the creation of reflections as specular effects.
Zunächst soll das Thema Non-Photorealistic Rendering vorgestellt werden, bevor auf die Theorie der implementierten Verfahren eingegangen wird. Im Vergleich zur klassischen Graphik-Pipeline wird anschließend auf die Pipeline-Stufen eingegangen, die sich bei moderner Graphikhardware programmieren lassen. Mit Cg wird eine Shader-Hochsprache präsentiert, die zur Programmierung von Graphikkarten eingesetzt wird. Danach wird die Graphikbibliothek Direct3D und das Framework DXUT vorgestellt. Vom softwaretechnischen Entwurf ausgehend, wird die Implementierung der einzelnen Verfahren des Non-Photorealistic Rendering dargestellt. Anschließend wird die Planung und Realisierung der Benutzerschnittstelle erläutert. Die erzielten Ergebnisse werden anhand von Bildschirmphotos aufgezeigt und es wird kurz auf die Darstellungsgeschwindigkeit eingegangen. Abschließend sollen sinnvolle Erweiterungen des Programms und interessante Verfahren, die nicht implementiert wurden, erläutert werden.
Markerloses Tracking im Bereich des modellbasierten Ansatzes Analyse durch Synthese nutzt den Vergleich von Kamerabild mit einer synthetischen Computergraphik, um die Kamerapose zu bestimmen. Hier werden ein High Dynamic Range Videokamerabild und eine photorealistische Computergraphik verglichen. Die Computergraphik ist Ergebnis einer Lichtsimulation basierend auf HDR Bildern einer Kamera mit Fischaugenobjektiv. Auf Basis der Ähnlichkeit von natürlichen Merkmalen soll die Relevanz verschiedener Rendering Parameter untersucht werden.
This thesis covers the mathematical background of ray-casting as well as an exemplary implementation on graphics processing units, using a modern programming interface. The implementation is embedded within an editor, which enables the user to activate optimizations of the algorithm. Techniques like transfer functions and local illumination are available for a more realistic visualization of materials. Moreover, the user interface gives access to features like importing volumes, let one define a custom transfer function, holds controls to adjust parameters of rendering and allows to activate further techniques, which are also subject of discussion in this thesis. Benefit of all shown techniques is measured, whether it is expected to be visual or on the part of performance.
The goal of simulations in computergraphics is the simulation of realistic phenomena of materials. Therefore, internal and external acting forces are accumulated in each timestep. From those, new velocities get calculated that ultimately change the positions of geometry or particles. Position Based Dynamics omits thie velocity layer and directly works on the positions. Constraints are a set of rules defining the simulated material. Those rules must not be violated throughout the simulation. If this happens, the violating positions get changed so that the constraints get fullfilled once again. In this work a PBD-framework gets implemented, that allows simulations of solids and fluids. Constraints get solved using GPU implementations of Gauss-Seidel and Gauss-Jakobi solvers. Results are physically plausible simulations that are real-time capable.
Fristete der Computer vor wenigen Jahrzehnten sein Dasein noch in Rechenzentren weniger, großer Universitäten und Firmen, so sind Computer und deren Rechenleistung heute allgemein verbreitet. Gerade in den letzten Jahren hat dabei auch die computergenerierte Bilderzeugung große Fortschritte gemacht, und die Entwicklung hält rasant an. Auf diese Weise erzeugte Bilder und Bildsequenzen sind aus den visuellen Medien nicht mehr wegzudenken, sie werden in denmeisten Film- oder Fernsehproduktionen eingesetzt. Dokumentationen, Wissenssendungen und Nachrichtenformate setzen solche Bilder zur Vermittlung von Inhalten ein. Spezialeffekte werden Filmen mit dem Computer hinzugefügt. Ausschließlich mit dem Rechner erstellte Filme, deren Entwicklung vor ungefähr dreißig Jahren mit einfachen und kurzen Sequenzen begann, stehen heute realen Filmen in Länge, visueller und erzählerischer Qualität kaum noch nach. Doch nicht nur bei der Erstellung von Filmen ist der Computer nicht mehr wegzudenken. Computerspiele stellen in vielen Bereichen die treibende Kraft hinter der Computerentwicklung dar. Sie sind die "Killerapplikation", denn es sind vor allem Spiele, die zur Zeit nach leistungsfähigeren Computerkomponenten für Heimcomputer,wie Prozessoren und Graphikkarten, verlangen. Auch die visuelle Qualität von Computerspielen nimmt stetig zu, und hat ein sehr realitätsnahes Niveau erreicht. Ob Dokumentation, Film oder Spiel, die Erzeugung computergenerierten Inhalts besteht aus vielen Teilen. Die Erzeugung der Bilder ist nur ein kleiner Teil davon. Der Begriff Computeranimationwird oft für den gesamten Prozess der Erstellung eines Films im Computer verwendet. Im Speziellen beschäftigt sich die Animation mit der Bewegung. Die Erstellung von Bewegungsabläufen wird für Animationsfilme, Computerspiele und auch für Spezialeffekte in realen Filmen benötigt. Heute existiert eine Vielzahl von Programmen und Werkzeugen, welche die Erstellung von Animationen im Computer ermöglichen. Verbreitete Applikationen wie MAYA1, LIGHTWAVE2 oder BLENDER3 stützen sich dabei auf grundlegende Konzepte, die hinter der Erstellung von Animationssequenzen im Computer stehen. Die Arbeit setzt sich mit diesen Grundlagen auseinander und entwickelt darauf aufbauend einen Animationseditor, der die notwendige Funktionalität für die Erstellung von Animationssequenzen bereitstellt.
Die Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) ist eine Technik aus der Magnet-Resonanz-Bildgebung (MRI) und basiert auf der Brownschen Molekularbewegung (Diffusion) der Wassermoleküle im menschlichen Gewebe. Speziell im inhomogenen Hirngewebe ist die Beweglichkeit der Moleküle stark eingeschränkt. Hier hindern die Zellmembranen der langgestreckten Axone die Diffusion entlang nicht-paralleler Richtungen. Besonderen Wert hat die Diffusions-Tensor-Bildgebung in der Neurochirugie bei der Intervention und Planung von Operationen. Basierend auf den mehrdimensionalen DTI-Tensor-Datensätzen kann für den jeweiligen Voxel das Diffsusionsverhalten abgeleitet werden. Der größte Eigenvektor des Tensors bestimmt dabei die Hauptrichtung der Diffusion und somit die Orientierung der entsprechenden Nervenfasern. Ziel der Studienarbeit ist die Erstellung einer Beispielapplikation zur Visualisierung von DTI-Daten mit Hilfe der Grafikhardware. Dazu werden zunächst die relevanten Informationen für die Erzeugung von geometrischen Repräsentationen (Streamlines, Tubes, Glyphen, Cluster...) aus den Eingabedaten berechnet. Für die interaktive Visualisierung sollen die Möglichkeiten moderner Grafikhardware, insbesondere Geometryshader ausgenutzt werden. Die erzeugten Repräsentationen sollen nach Möglichkeit in ein DVR (Cascada) integriert werden. Für die Arbeit wird eine eigene Applikation entwickelt, die bestehende Bausteine (Volumenrepräsentation, Volumenrendering, Shadersystem) aus Cascada analysiert und integriert.
Ziel dieser Studienarbeit ist es, eine vorhandene video-see-through Augmented Reality Visualisierung (ARToolKit) anhand von Shaderprogrammierung mit der OpenGL Shading Language um nicht-photorealistische Renderingverfahren zu ergänzen. Dabei sollen nicht nur die virtuellen Objekte mit diesen Verfahren dargestellt, sondern auch die realen vom ARSystem gelieferten Bilder analog stilisiert werden, sodass die Unterscheidbarkeit zwischen Realität und Virtualität abnimmt.