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Wie bereitet man komplizierte, technische Sachverhalte einfach und verständlich auf, damit sie auch der normalen Benutzer ohne tiefergehendes technisches Hintergrundwissen schnell und ohne lange Einarbeitungszeit und langwierige Erklärungen zu nutzen weiß? In dieser Studenarbeit geht es um genau diese Frage - Nichtinformatikern die Vorzüge und die Arbeit mit semantischen (Such)anfragen zu erleichtern, wenn nicht sogar überhaupt erst zu ermöglichen, sowie die Neuentwicklung und SPARQL-Erweiterung Networked Graphs von Simon Schenk innerhalb der AG Staab/Universität Koblenz zu präsentieren.
In this work has been examined, how the existing model of the simulation of cables and hoses can be advanced. Therefore an investigation has been made on the main influences to the shape simulation and the factors of constraints and side conditions were analyzed. For the validation of the accuracy, the simulation has to be compared to real specimen behavior. To obtain a very precise digitalization of the shape, the choice was made to use a laser scanner that converts the pointcloud into a .vrml file which can be imported into the simulation environment. The assumption was that the simulation method itself has the highest impact to the simulated shape. This is why the capabilities of the most sophisticated methods have been analyzed. The main criterion for the success of a simulation approach proved not to be accuracy, as expected. Process integration and usability showed to be of higher interest for the efficient exertion. Other factors like the pricing, the functionality and the real-time capability were assayed as well. The analyzed methods are based on the solution of the equations of elasticity with different ways of discetization, finite-elements and a spring-impulse-system. Since the finite-element-system takes several minutes for the computation of the shape and the spring-impulse-system reacts retarded on user manipulation, the competitiveness of these approaches is low. The other methods distinguish more in real-time performance, data interfaces and functionality than in accuracy. For the accuracy of a system, the consideration of other factors proved to be very important. As one of these main factors, the accurate assignment of the material properties was indicated. Until the start of this work, only the finite-element-approach dealt with this factor, but no documentation or validation is provided. In the publications of the other methods, the material properties are estimated to obtain a plausible simulation shape. Therefore the specific material values of real specimen have been measured and assigned to the simulation. With the comparison to the real shape it has been proven that the accuracy is very high with the measured properties. Since these measurements are very costly and time consuming, an investigation on a faster and cheaper way to obtain these values has been made. It has been assumed that with the knowledge of the cross-section it should be possible to compute the specimen behavior. Since the braid distribution changes individually from specimen to specimen, a more general way to obtain the values needed to be found. The program composer has been developed, where only the number of the different braids and the taping is entered. It computes with very high precision the stiffness, the density and the final diameter of the bundle. With the measured values and the fitting to the real shape it has been proven that the simulation approach reflects the precise behavior of cables and hoses. Since the stiffness of the single braids is wasteful to measure, a measurement setup was created where the stiffness has a large impact to the shape. With known density, the stiffness of the specimen can be reconstructed precisely. Thus a fast and beneficial way of obtaining the stiffness of a cable has been invented. The poissons ratio of cables and bundles cannot be measured with a tensile test, since the inner structure is very complex. For hoses, the variation of the inner diameter has been measured during the tensile test as well. The resulting values were reasonable, but their accuracy could not be proven. For cables and hoses, it has been tried to obtain the poissons ratio via the computation of the cross section, but the influence of individual changes and the crosstalk of the braids is very high. Therefore a setup was constructed where the torsion stiffness can be measured. For cables and hoses, the individual cross-sections and taping lead to varying results. For hoses, expected and repeatable good values for the poissons ratio were obtained. The low influence of the poisons ratio in the range between 0 and 0.5 has been proven. Therefore we decided to follow the advice of [Old06] and our own experiences to set the poisons ratio for cables and bundles to 0.25. With the knowledge of the measurability and the capabilities of the developed program composer, a procedure to obtain material properties for bundles has been designed. 1. Measurement of the braid density with via pyknometer or mass, length and diameter. 2. Empirical reconstruction of the stiffness with the designed setup. 3. Composing the bundle with the program composer. 4. Adding a factor for the taping and transfer the values to the simulation. The model of the cable simulation has been improved as follows: The main influences in the simulation of cables and hoses are the simulation method, the material properties and the geometric constraints. To obtain higher accuracy, an investigation on the correct material properties is indispensable. The scientific determination of material properties for the simulation of cables, bundles and hoses has been performed for the first time. The influence of geometrical constraints has been analyzed and documented. The next steps are the analysis of pre-deformation and further investigations to the determination of the poisons ratio with a more precise torsion test. All analysis were made with the simulation approach fleXengine. A comparison to other simulation methods would be of high interest.
Implementierung eines Subsurface Scattering Shader Plugins für die Augenblick Raytracing Engine
(2009)
In dieser Ausarbeitung werden drei Beleuchtungsverfahren und mögliche Implementierungen zur Realisierung eines Subsurface Scattering Shaders vorgestellt und diskutiert. Subsurface Scattering bezeichnet allgemein den Lichttransport in die Oberfläche von Objekten hinein und durch sie hindurch. Die korrekte Darstellung dieses Phänomens ist sehr komplex und ist nicht mittels einer einfachen BRDF und gängiger Beleuchtungsverfahren darstellbar. Die drei Verfahren sind: Physikalisch korrektes Subsurface Scattering durch das Monte Carlo Pathtracing, vereinfachtes Subsurface Scattering durch Nutzung eines Licht-Lots, stark vereinfachtes Subsurface Scattering durch ein normalenabhängiges Aufhellen der Kanten. Durch die Nutzung des Monte Carlo Pathtracers können zudem Beleuchtungseffekte wie das sogennante Colorbleeding, dass heißt Lichttransport von einer farbigen Fläche auf eine andere mittels indirekter Beleuchtung, ermöglicht werden. Jedes Verfahren beinhaltet eine andere Kombination der bekanntlich gegenläufigen Eigenschaften Performanz und Korrektheit, je nachdem in welchem Rahmen und Aufgabenbereich Subsurface Scattering benötigt wird.Am Schluss der Arbeit werden Ergebnisse präsentiert, diskutiert und ein Ausblick auf weiterführende Arbeiten gegeben. Alle drei Verfahren wurden als Plugin für den Raytracer Augenblick von Oliver Abert realisiert.
This thesis evaluates automated techniques to remove objects from an image and proposed several modifications for the specific application of removing a colour checker from structure dominated images. The selection of approaches covers the main research field of image inpainting as well as an approach used in medical image processing. Their results are investigated to disclose their applicability to removing objects from structure-intense images. The advantages and disadvantages discovered in the process are then used to propose several modifications for an adapted inpainting approach suitable for removing the colour checker.
Globale Beleuchtung im Bildraum unter besonderer Berücksichtigung der Sichtbarkeitsbestimmung
(2009)
Die Simulation einer globalen Beleuchtung im dreidimensionalen Objektraum ist sehr rechenintensiv und hängt von der Komplexität der Szene ab. Dabei ist besonders die Berechnung der Sichtbarkeit aufwändig, also der Test, ob sich zwei Punkte in der Szene gegenseitig sehen können. Verfahren, die die globale Beleuchtung vom Objektraum in den Bildraum verlagern (Screen-Space, Image-Space), umgehen das Problem der Szenenkomplexität und haben somit einen wesentlichen Geschwindigkeitsvorteil. Auf diese Weise erzeugte Effekte sind zwar naturgemäß nicht physikalisch korrekt, da die aus Sicht der Kamera verdeckte Geometrie ignoriert wird, dennoch können sie für die menschliche Wahrnehmung überzeugend sein und realistisch wirken. Schlagworte hierfür sind "Fake-"Global-Illumination oder auch "Quasi-"Global-Illumination. Ein bekanntes Beispiel für ein bildraum-basiertes Verfahren zur Annäherung einer globalen Beleuchtung mithilfe weicher Schatten ist Screen Space Ambient Occlusion (SSAO). In dieser Studienarbeit wird untersucht, inwieweit sich die Sichtbarkeitsbestimmung im Bildraum nicht nur für nah gelegene Geometrie wie beim Ambient Occlusion, sondern in Bezug auf die gesamte Szene realisieren lässt. Aktuelle Ansätze werden dahingehend untersucht und das geeignetste Verfahrend wird als Grundlage für die Implementierung eines Testszenarios für Screen-Space Global Illumination genutzt. Das umgesetzte Verfahren wird anhand verschiedener Testszenen bewertet.
Die Entwicklung im Bereich der Videospiele generierte in den letzten Monaten durch innovative Konzepte und neue Steuerungsmöglichkeiten ein hohes Maß an Aufmerksamkeit. Einen Meilenstein setzte die Firma Nintendo R mit dem sogenannten WiiTM Balance BoardTM . Dies ist ein Eingabegerät in Form eines Brettes, auf das sich der Spieler stellen muss, um ein Spiel mittels seiner Körperbalance steuern zu können. Mit dieser Form der Steuerung konnten neue Spielkonzepte erstellt und umgesetzt werden. Dadurch wurden erstmals Personengruppen angesprochen, die zuvor wenig bis gar kein Interesse an Videospielen hatten. Die Computerspielebranche hingegen verfolgt weiter das Ziel eine möglichst reale Spielumgebung zu schaffen und hält an ihren gewöhnlichen Steuerungen mittels Tastatur, Maus und Joystick fest. Im Rahmen dieser Studienarbeit wurde ein 3D-Computerspiel entwickelt, welches das Konzept der Videospiele verfolgt und die Möglichkeit bietet, mittels eigener Körperbalance zu steuern.
Die Arbeit befasst sich mit atlasbasierter Segmentierung von CT-Datensätzen mit Hilfe von elastischen Registrierungsmethoden. Ziel ist die vollautomatische Segmentierung eines beliebigen Eingabedatensatzes durch Registrierung mit einem vorsegmentierten Referenzdatensatz, dem Atlanten. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Implementierung und Evaluation elastischer Registrierungsverfahren, da rigide Registrierungsmethoden besonders in Bereichen hoher anatomischer Varianzen keine genaue Segmentierung gewährleisten. Im Vordergrund steht zunächst die Generierung zweier Atlanten, die als durchschnittliche Referenzdatensätze Informationen über die anatomische Varianz männlicher und weiblicher Bevölkerungsgruppen enthalten. Weiter werden vier etablierte elastische Registrierungsarten implementiert und im Hinblick auf eine atlasbasierte Segmentierung der wichtigen Organe des menschlichen Torsos evaluiert: BSpline-Registrierung, Demons-Registrierung, Level-Set-Motion-Registrierung und FEM-Registrierung. Robustheit und Genauigkeit der implementierten Verfahren wurden anhand von Lungen- und Abdomendatensätzen sowohl intra- als auch interpatientenspezifisch ausgewertet. Es wird gezeigt, dass vor allem die elastische BSpline-Registrierung hier genauere Segmentierungsergebnisse liefern kann, als es mit einer rigiden Registrierung möglich ist.
This thesis focuses on the utilization of modern graphics hardware (GPU) for visualization and computation purposes, especially of volumetric data from medical imaging. The considerable increase in raw computing power in recent years has turned commodity systems into high-performance workstations. In combination with the direct rendering capabilities of graphics hardware, "visual computing" and "computational steering" approaches on large data sets have become feasible. In this regard several example applications and concepts such as the "ray textures" have been developed and are discussed in detail. As the amount of data to be processed and visualized is steadily increasing, memory and bandwidth limitations require compact representations of the data. While the compression of image data has been investigated extensively in the past, the thesis addresses possibilities of performing computations directly on the compressed data. Therefore, different categories of algorithms are identified and represented in the wavelet domain. By using special variants of the compressed format, efficient implementations of essential image processing algorithms are possible and demonstrate the potential of the approach. From the technical perspective, the GPU-based framework "Cascada" has been developed in the course of this thesis. The introduction of object-oriented concepts to shader programming, as well as a hierarchical representation of computation and/or visualization procedures led to a simplified utilization of graphics hardware while maintaining competitive performance. This is shown with different implementations throughout the contributions, as well as two clinical projects in the field of diagnosis assistance. On the one hand the semi-automatic segmentation of low-resolution MRI data sets of the human liver is evaluated. On the other hand different possibilities in assessing abdominal aortic aneurysms are discussed; both projects make use of graphics hardware. In addition, "Cascada" provides extensions towards recent general-purpose programming architectures and a modular design for future developments.
The student research project presents a 3D real-time solution of grid-based navier-stokes computational fluid dynamics. Current features are dynamic voxelization of objects in the fluid volume taking influence on the fluid flow, simulation of temperature changes depending on the global environment temperature, the local temperature and local density, dynamic illumination approximating light-scattering effects and real-time volume visualization, using a view-aligned volume slicing technique combined with trillinear interpolation of density values between voxels of the fluid volume. With these features we are able to simulate and render high-quality smoke, fire, vapor and clouds in real-time. We used the GPU for all dynamic fluid computations and additional rendering features. In addition, we created a small OpenGL rendering application, demonstrating the possibility of integration of the fluid solver into a real-time application.
Pose-Tracking
(2009)
Die bildbasierte automatische Bestimmung der Pose, d. h. der Position und Blickrichtung, einer Kamera in derWelt, ist eine relevante, aber immer noch unzureichend gelöste Aufgabe im Rechnersehen. In dem diesem Bericht zugrunde liegenden Projekt werden höhere markante Merkmale in den Bildern sicherer lokalisiert, sowie deren semantische Signifikanz vom Rechner bestimmt. Eine Posebestimmung wird durch eine Registrierung der elementaren Bestandteile dieser markanten Merkmale im Bild mit Merkmalen im 3-D-Modell erreicht. Dazu werden neue Algorithmen zur Detektion, Lokalisation und Registrierung der markanten Merkmale entwickelt bzw. vorhandene Algorithmen weiter verbessert. Modelle, wie sie aus der Rekonstruktion von Mehrfachansichten entstehen, werden durch weitere Semantik angereichert. Als Anwendungsszenario wird die Posebestimmung auf dem Campusgelände unter Verwendung von Bildern und einem semantischen CG-Modell des Campus gewählt. Die allgemeinen Verfahren werden an diesem Beispiel getestet und ihre Tragfähigkeit wird in Experimenten belegt. Im modularen System entstehen problemunabhängige Einzelbausteine zur Detektion markanter Merkmale und zur 3-D-Rekonstruktion und Posebestimmung aus Merkmalen, Punkten und Linien. Damit wird belegt, dass eine robuste Detektion markanter Merkmale möglich ist und zu einer effektiven Rekonstruktion und Posebestimmung auch in teilweise wenig strukturierten Außengebieten genutzt werden kann.
MoleARlert is the result of a study-project of the Computer Graphics Working Group of the University of Koblenz-Landau. The project was led by Prof. Dr. Stefan Müller and Dipl.-Inf. Stefan Rilling. The system has been devolped by twelve students. This paper describes the developed system and focuses on the further developments made by the author in order to improve the degree of maturity of the system. Another important aspect of this work is the realtime access to a webcam from the open source 3D game engine OGRE.
Zur Erstellung von 3-D-Oberflächenmodellen real existierender Objekte wird häufig sehr teure Hardware eingesetzt, z.B. 3-D-Laser-Range-Scanner. Da diese keine Grauwert- oder Farbinformationen erfassen können, muss das Objekt zur Wiedergabe farbiger Strukturen zusätzlich abfotografiert und mit den Bildern registriert werden. Die Arbeit entwickelt demgegenüber ein Verfahren zum Einsatz eines kalibrierten Stereokamerasystems. Aus den erhaltenen Sequenzen zweidimensionaler Stereobilder kann ein texturiertes 3-D-Mesh rekonstruiert werden. Im Vergleich zum Einsatz eines Scanners ist dieses Verfahren zwar weniger genau, aber dafür preisgünstiger, platzsparend und schneller einsetzbar. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden die Fusionierung der Tiefenkarten und die Erstellung eines texturierten Meshs aus diesen.
Die Idee des Displacement Mappings ist 30 Jahre alt und wurde im Laufe der Zeit immer weiterentwickelt, verbessert und realistischer. Die meisten Verfahren basieren auf der Simulation von Geometrie, d.h. das Displacement Mapping Verfahren rechnet auf speziellen Texturen, um den Eindruck von Tiefe zu verstärken. Echte Displacement Mapping Verfahren verändern tatsächlich die Geometrie, doch davon wurde in der Vergangenheit Abstand genommen, da die Berechnung auf der CPU zu aufwändig war bzw. das Ergebnis nicht den Aufwand rechtfertigte. Dazu mussten bisher die Punkte von der Applikation im geeigneten Detailgrad erzeugt werden. Die Verfahren der Geometrieerzeugung sind daher weniger performant. Außerdem können die texturbasierten Simulationsverfahren bereits blickwinkelabhängige Effekte, Selbstverschattung und auch Selbstverdeckungen darstellen. Als Nachteil sind die Randprobleme bei diesen Verfahren zu nennen. Dennoch hat Displacement Mapping mit diesen Verfahren zunehmend Einzug in die Spieleindustrie gehalten, für die es bisher zu rechenaufwändig war. Hier bieten die neusten Erweiterungen der GPU interessante Potentiale, da mit Geometry Shadern die Möglichkeit besteht, echte Geometry beschleunigt und adaptiv zu erzeugen. Ziel dieser Arbeit ist es verschiedene Verfahren für echtes Displacement Mapping mit dem Geometry Shader zu untersuchen. Dabei wird neue Geometrie aus einer Textur heraus erzeugt. Hierbei werden Polygone und Punkte generiert. In der Textur werden neben den Normalen noch die Höhenwerte im Alphawert gespeichert. Außerdem wird noch ein Verfahren untersucht, welches Volumeninformationen simuliert, um Überhänge und schwebende Objekte zu erzeugen.
Der Aufbau der Studienarbeit ist wie folgt: Nach einer kurzen Einführung in das Thema des Scanmatchings wird anhand der theoretischen Basis von Icp, Idc und MbIcp der aktuelle Stand der Technik vorgestellt. Im nächsten Kapitel folgt die Beschreibung des eigenen Ansatzes. Dieser umfasst die strukturellen Aspekte der Implementation, eigeneModifikationen und die Einbindung der Verfahren in die Kartenerstellung von Robbie. Im Anschluss findet sich die Evaluation der Verfahren. Dort werden Effizienztests der wichtigsten Programmparameter durchgeführt und die Wirkungsweise des Scanmatchers im Zuge der Kartenerstellung evaluiert. In letzten Kapitel folgt dann eine Zusammenfassung der Ergebnisse mit Ausblick aufweitere Nutzungs- und Forschungsbereiche.
Die Visualisierung von Volumendaten findet unter anderem in der Medizin, bei der Abbildung von Geodaten oder bei Simulationen ihre Anwendung. Ein effizientes Verfahren zur Darstellung von Volumendaten bietet das Raycasting, das durch die hohe Leistung von Consumerhardware hervorragende Qualität und große Flexibilität in Echtzeit ermöglicht. Beim Raycasting-Verfahren werden Strahlen durch ein Volumen verfolgt und anhand (regelmäßiger) Samples entlang des Strahles Farbund Opazitätswerte bestimmt. "Ray Textures" [Raspe et al. 2008] sind ein Konzept zur Steuerung verschiedener Strahlparameter durch das Einzeichnen beliebiger Bereiche auf einer Textur. Der bisherige Ansatz ist jedoch softwarebasiert und umfasst nur einen begrenzten Funktionsumfang. Ziel dieser Studienarbeit ist eine eigenständige Implementation eines GPU-Volumen-Raycasters und die Umsetzung des RayTexture Ansatzes komplett auf der GPU. Im Vordergrund steht dabei die Unterstützung (nahezu) beliebiger Pinselformen und -modi, das Mapping der 2D-Interaktion auf das 3D-Rendering und die Steuerung weiterer Strahlparameter in Echtzeit. Die Schwerpunkte der Studienarbeit sind im Einzelnen die Implementation eines GPUVolumen- Raycasters, die Umsetzung des Ray Texture Ansatzes komplett auf der GPU, die Vorstellung der Ergebnisse anhand mehrerer Beispielszenarien und die Dokumentation der Ergebnisse.
Diese Diplomarbeit präsentiert ein interaktives System, welches die Vorzüge eines handelsüblichen Whiteboards mit denen eines Computers kombiniert. Die Inhalte des Whiteboards werden von einer Kamera aufgenommen, vom Computer verarbeitet und für eine Applikation als Eingabe verwendet bzw. durch geeignete Grafiken ergänzt. Dadurch erweitert das Whiteboard die Benutzeroberfläche des Computers. Der Anwender ist in der Lage über handgezeichnete Primitive (Viereck, Dreieck, Kreis) bzw. Kombinationen der Primitive das entwickelte interaktive Spiel zu spielen.
Die Ausgabe von immer echter und realistischer aussehenden Bildern auf Bildschirmen ist heute ein wichtiger Bestandteil in der Konzeption, Präsentation und Simulation von neuen Produkten in der Industrie. Trotz der auch immer physikalisch echter werdenden Grafiksimulationen ist man bei der Ausgabe auf Bildschirme angewiesen, die einen limitierenden Faktor darstellen: Leuchtdichten in Simulationen gehen dabei weit über tatsächlich darstellbare Leuchtdichten von Monitoren hinaus. Das menschliche Auge ist hingegen in der Lage, einen großen Dynamikumfang zu sehen, sich an gegebene Beleuchtungsverhältnisse anzupassen und auch kleinste Unterschiede in der Helligkeit einer Szene wahrzunehmen. Für die Ausgabe solcher High-dynamic-Range-Bilder auf herkömmlichen Monitoren müssen sogenannte Tonemappingverfahren jene Bilder auf den darstellbaren Bereich reduzieren. Manche dieser Verfahren bedienen sich dabei direkt der Physiologie des Auges, um eine realistische Ausgabe zu erzeugen, andere dienen eher zur Stilisierung. Ziel dieser Studienarbeit ist die Entwicklung eines Tonemappingverfahrens, das ein vertrauenswürdiges Ergebnis liefert. Ein solches Ergebnis ist erreicht, wenn der Betrachter keine Unstimmigkeiten im Bild vorfindet, die der Realität widersprechen. Der Gesamteindruck soll dem entsprechen, was der Nutzer sehen würde, stünde er direkt neben der aufgenommenen Szene. Für eine abschließende Evaluation wurde insbesondere eine reale Boxszene am Computer nachmodelliert und gerendert. Neben einem HDR-Foto kann damit der neu entstandene Tonemapping-Operator untersucht und mit bereits vorhandenen Tonemappingverfahren verglichen werden. 13 Probanden haben an dieser Evaluation teilgenommen, um die Leistungsfähigkeit und Qualität zu bewerten.
In dieser Arbeit wird ein neuer Algorithmus zur Detektion von Räumen in Gebäudegrundrissen beschrieben. Der in dieser Arbeit vorgestellte Algorithmus liefert bei akzeptabler Laufzeit im Allgemeinen ein stabiles intuitiv erwartetes Resultat. Die ermittelte Einteilung eines Gebäudegrundrisses in Räume kann dazu verwendet werden, eine Identifikation räumlich zuzuordnen und erfüllt damit die in Kapitel 1 an den Algorithmus gestellten Anforderungen. In Kapitel 2 wird der aktuelle Stand der Wissenschaft durch relevante bisherige Lösungsansätze und Resultate beschrieben bevor in Kapitel 3 die Schritte des neu entwickelte Algorithmus theorisch und visuell im Detail vorgestellt werden. Dabei befasst sich Kapitel 3.1 mit grundlegenden Definitionen, Kapitel 3.2 mit der Beschreibung der einzelnen Schritte und Kapitel 3.3 mit der gewählten Implementationsform. Eine Übersicht über erzielte Ergebnisse und deren Aufwände liefert Kapitel 4. Neben guten Resultaten werden an dieser Stelle auch Zwischenergebnisse, Besonderheiten und Seiteneffekte diskutiert. Abschließend wird in Kapitel 5 eine Zusammenfassung der vorliegenden Arbeit (Kapitel 5.1) sowie ein Ausblick über mögliche Ansatzpunkte für Verbesserungen und Erweiterungen (Kapitel 5.2) präsentiert.
Diese Studienarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Extension für Mozilla Thunderbird, welche direkt in den Text einer Email eingebettete strukturierte Informationen (wie z.B. Termine, Kontaktdaten) automatisch erkennt und es dem Benutzer ermöglicht, diese in weiteren Anwendungen weiter zu verwenden. Es werden Überlegungen zur Usability und möglichen weiteren Entwicklungen vorgestellt, sowie der Code des Prototyp genauer aufgezeigt.