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Institute
- Institut für Computervisualistik (336) (remove)
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.
Diese Arbeit soll das von Dietz und Oppermann entwickelte Planspiel „Datenschutz 2.0“ an den heutigen Alltag der Schüler anpassen, die Benutzung in der Sekundarstufe II ermöglichen und die technischen und gesetzlichen Problematiken des Planspiels beheben. Das mit dem Planspiel aufgegriffene Thema Datenschutz ist im rheinland-pfälzischen Informatik-Lehrplan für die Sekundarstufe II verankert. Hier wird der Begriff Datenschutz in der Reihe „Datenerhebung unter dem Aspekt Datenschutz beurteilen“ genannt. Jedoch werden in dem Planspiel keine Daten erhoben, sondern die selbst hinterlassenen Datenspuren untersucht. Diese Form des Datenschutzes ist im Grundkurs in der vorgeschlagenen Reihe „Datensicherheit unter der Berücksichtigung kryptologischer Verfahren erklären und beachten“ unter dem Thema Kommunikation in Rechnernetzen zu finden. Im Leistungskurs steht die Datensicherheit in gleichbenannter Reihe und Thema und in der Reihe „Datenerhebung unter dem Aspekt Datenschutz beurteilen“ im Thema Wechselwirkung zwischen Informatiksysteme, Individuum und Gesellschaft.
VR Fresken
(2018)
Das Projekt VR Fresken setzte sich zum Ziel, mit Hilfe von virtueller Realität im Rahmen einer Museumsausstellung historisch rekonstruierte Räume und deren Deckenfresken interaktiv erlebbar zu machen. In dieser Arbeit werden die eingesetzten Techniken und Technologien beleuchtet, der Anwendungsfall der VR für den Einsatz im Museum untersucht, sowie eine Evaluation der Software im Alltagsbetrieb im Museum durchgeführt.
Für die realistische Betrachtung einer virtuellen Szene spielt neben der direkten Beleuchtung auch die Ausbreitung des indirekten Lichtes eine wichtige Rolle. Die Berechnung der indirekten Beleuchtung benötigt grundsätzlich Informationen über die gesamte Szene, nicht nur über den für die Kamera sichtbaren Ausschnitt, der in bildraumbasierten Techniken zum Einsatz kommt. Mittels Voxelisierung kann die Szene in eine dreidimensionale, diskrete und GPU-freundliche Repräsentation überführt werden. In dieser Arbeit werden Voxelrepräsentationen hinsichtlich ihrer Eignung für den globalen Lichtaustausch in dynamischen und großen Szenen untersucht. Nach einer Einführung und einem Literaturüberblick über existierende Voxelisierungs- und Beleuchtungsverfahren, die Voxel als Grundlage nutzen, wird ein Voxelisierungsverfahren entwickelt, das sich für Szenen mit dynamischen Objekten eignet. Auf der Grundlage des Strahlenschnitt-Tests mit binärer Voxelhierarchie werden dann zwei Beleuchtungsalgorithmen umgesetzt, implementiert und evaluiert: Monte-Carlo-Integration der Hemisphäre eines Szenenpunktes und Beleuchtung der Szenenpunkte mit virtuellen Punktlichtquellen.
Volumetrische Beleuchtung
(2018)
Volumetric lighting is a common lighting phenomena in nature and carries an important role in the realistic appearance of computergenerated images. This thesis explains the physical background of this phenomena and lists common modells for visualising volumetric lighting in Computergraphics. Following this, this thesis compares three methods for visualising volumetric lighting with modern graphics hardware and compares these according to their abilities, restrictions and performance in an OpenGL implementation.
This paper introduces Vocville, a causal online game for learning vocabularies. I am creating this application for my master thesis of my career as a "Computervisualist" (computer visions) for the University of Koblenz - Landau. The application is an online browser game based on the idea of the really successful Facebook game FarmVille. The application is seperated in two parts; a Grails application manages a database which holds the game objects like vocabulary, a Flex/Flash application generates the actual game by using these data. The user can create his own home with everything in it. For creating things, the user has to give the correct translation of the object he wants to create several times. After every query he has to wait a certain amount of time to be queried again. When the correct answer is given sufficient times, the object is builded. After building one object the user is allowed to build others. After building enough objects in one area (i.e. a room, a street etc.) the user can activate other areas by translating all the vocabularies of the previous area. Users can also interact with other users by adding them as neighbors and then visiting their homes or sending them gifts, for which they have to fill in the correct word in a given sentence.
live video performances at cultural events since 2005. Until now, we have been developing single video-performance applications that mostly met the demands of a certain project. What we did not achieve so far is a) a modular software design and, b) a feature for deskewing planar surfaces that are projected at a non perpendicular angle (assuming the use of visual projectors). This paper deals with solving the first problem by desiging a modular framework and the second problem by implementing an user-friendly module for deskewing planar surfaces. The deskewing process is completely manual, letting the user edit the coordinates of the surfaces" cornerpoints by dragging the points with the mouse. For this, the cornerpoints" x- and y-values are manipulated and the z-value is left constant. While in this way, the 3D-interaction with a 2D-interface can be avoided, the exclusivley two-dimensional transformation of planar surfaces introduces undesired texture-mapping artifacts produced by the triangulation-based rendering of graphic-cards. In order to avoid these artifacts, a selected method called "adaptive subdivision" is presented that corrects the introduced rendering errors.
This work describes a novel software tool for visualizing anatomical segmentations of medical images. It was developed as part of a bachelor's thesis project, with a view to supporting research into automatic anatomical brain image segmentation. The tool builds on a widely-used visualization approach for 3D image volumes, where sections in orthogonal directions are rendered on screen as 2D images. It implements novel display modes that solve common problems with conventional viewer programs. In particular, it features a double-contour display mode to aid the user's spatial orientation in the image, as well as modes for comparing two competing segmentation labels pertaining to one and the same anatomical region. The tool was developed as an extension to an existing open-source software suite for medical image processing. The visualization modes are, however, suitable for implementation in the context of other viewer programs that follow a similar rendering approach.
The modified code can be found here: soundray.org/mm-segmentation-visualization.tar.gz.
Artificial neural networks is a popular field of research in artificial intelli-
gence. The increasing size and complexity of huge models entail certain
problems. The lack of transparency of the inner workings of a neural net-
work makes it difficult to choose efficient architectures for different tasks.
It proves to be challenging to solve these problems, and with a lack of in-
sightful representations of neural networks, this state of affairs becomes
entrenched. With these difficulties in mind a novel 3D visualization tech-
nique is introduced. Attributes for trained neural networks are estimated
by utilizing established methods from the area of neural network optimiza-
tion. Batch normalization is used with fine-tuning and feature extraction to
estimate the importance of different parts of the neural network. A combi-
nation of the importance values with various methods like edge bundling,
ray tracing, 3D impostor and a special transparency technique results in a
3D model representing a neural network. The validity of the extracted im-
portance estimations is demonstrated and the potential of the developed
visualization is explored.
Es wird ein Augmented-Reality Ansatz zur Erforschung modularer OSGi-Softwaresysteme präsentiert. Der Prototyp wird unter der Verwendung der Microsoft HoloLens implementiert. Module, wie Komponenten und Packages, werden in einer virtuellen Stadt dargestellt. Dieser Ansatz ermöglicht es dem Anwender, die Software-Architektur mittels intuitiver Navigation zu erkunden: Spracheingabe, Blickpunkt- und Gestenkontrolle. Eine multifunktionale Benutzeroberfläche wird vorgestellt, die für verschiedene Zielgruppen adaptiert werden kann. Viele veröffentlichte Visualisierungen weisen keine klare Zielgruppendefinition auf. Das Konzept kann leicht auf andere Darstellungsformen, wie beispielsweise der Inselmetapher übertragen werden. Erste Ergebnisse einer Evaluierung, die mittels kleiner strukturierter Interviews gewonnen werden konnten, werden präsentiert. Die Probanden mussten vier Programm-verständnis Aufgaben lösen und ihren Aufwand, sowie ihre Arbeitsbelastung einschätzen. Die Ergebnisse bilden eine gute Grundlage für weitere Forschung im Bereich der Software- Visualisierung in Augmented Reality.
The automatic detection of position and orientation of subsea cables and pipelines in camera images enables underwater vehicles to make autonomous inspections. Plants like algae growing on top and nearby cables and pipelines however complicate their visual detection: the determination of the position via border detection followed by line extraction often fails. Probabilistic approaches are here superior to deterministic approaches. Through modeling probabilities it is possible to make assumptions on the state of the system even if the number of extracted features is small. This work introduces a new tracking system for cable/pipeline following in image sequences which is based on particle filters. Extensive experiments on realistic underwater videos show robustness and performance of this approach and demonstrate advantages over previous works.
Virtueller Dirigent
(2016)
Ihm Rahmen einer Bachelorarbeit wurde eine "Virtual Reality"-Anwendung entwickelt. Ein Benuzter erhält die Möglichkeit die Rolle eines Dirigenten zu übernehmen und ein virtuelles Orchester zu leiten. Die Leitung erfolgt mit Hilfe von Handgesten. Mithilfe einer Evaluation der Anwendung wurden allgemeine Anforderungen an "Virtual Reality"-Spiele festgehalten.
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.
This thesis imparts a general view of the mechanics and implementation of latest voxelization strategies using the GPU. In addition to established voxelization procedures using the rasterization pipeline, new possibilities arising from GPGPU programming are examined. On the basis of the programming language C++ and the graphics library OpenGL the implementation of several methods is explained. The methods are compared in terms of performance and quality of the resulting voxelization and are evaluated critically with regards to possible use cases. Furthermore, two exemplary applications are detailed that use a voxelized scene in such a way that the augmentation of established techniques of real time graphics are facilitated. To this end, the concepts and the implementations of Transmittance Shadow Mapping and of Reflective Shadow Mapping utilizing a voxel based ambient occlusion effect is explained. Finally, the prolonging relevance of voxelization is put into prospect, by addressing latest research and further enhancements and applications of the presented methods.
Diese Arbeit behandelt einen Vergleich verschiedener Algorithmen zur Vorhersage der Bewegung einer Person bei der Ausführung einer sportlichen Aktivität. Als Grundlage für die Vorhersage dienen Bildströme, welche mittels zweier Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet wurden. Im Laufe der Arbeit werden Vor- und Nachteile der umgesetzten Ansätze theoretisch erläutert und anschliessend an einer Reihe von Messergebnissen nachgewiesen. Für die Messungen wurde eine Anwendung eingesetzt, welche ebenfalls im Rahmen der Arbeit entwickelt wurde. Neben realen Aufnahmen, wurden zusätzlich synthetische Bildfolgen betrachtet, um Erkenntnisse über das Verhalten der betrachteten Algorithmen unter optimalen Bedingungen zu erlangen.
This bachelor thesis’s objective is to offer the reader insight into the discrete Fourier transform, the discrete cosine transform and the discrete Hadamard-Walsh transform in the context of image processing, and also to compare these transformations under various aspects. For this purpose the term of transformation, originated in linear algebra, will be explained and applied to image processing. Subsequently, the understanding of the Fourier transform will successively be built up and connected to the two remaining transforms. Finally, the transformations will be compared and their usefulness in relation to image processing will be explained.
Für diese Studienarbeit können zwei Schwerpunkte genannt werden. Einerseits sollten verschiedene Verfahren zur Fluchtpunktschätzung aus Wissenschaft und Forschung eingänglich untersucht und erörtert werden. Dies im Hinblick auf ein detaillierteres Analyseverfahren, das die Möglichkeit bietet, mehrere Gebäudeseiten automatisiert entzerren zu können. Andererseits sollten sich die gewünschten Verbesserungen in das bereits vorhandene Gesamtsystem des Projekts Ornamente eingliedern, um so das Endergebnis der Klassifizierung von Ornamenten zu verbessern. Daraus entstanden die in Kapitel 1 genannten Hauptaufgaben. Neben dem TAM-Verfahren, dass im vorhandenen Teilprozess der Entzerrung bereits zum Einsatz kam, wurde in Kapitel 2 das Verfahren KHT nach Tuytelaars beschrieben. Ansätze der KHT waren im Bestehenden zu erkennen, wie sich während der anfänglichen Einarbeitung in das Themengebiet Fluchtpunktfindung und dem Gesamtsystem der Ornamentklassifizierung herausstellte. Allerdings waren einige Aspekte, wie sie von Tytelaars et al. in [TGPM98] zur KHT beschrieben sind, nicht enthalten. Der erste Lösungsansatz zur Entzerrung von mehreren Gebäudeseiten bestand darin, die KHT unabhängig von allen Prozessen des Gesamtsystems zu implementieren, um so die Genauigkeit der Fluchtpunktdetektion zu erhöhen. Mit dieser detaillierteren Fluchtpunktfindung sollte das bereits bestehende Modul der Entzerrung zu besseren Ergebnissen führen. Um die Entzerrung für sich alleine nutzen zu können, musste sie vorerst von der vorhandenen Fluchtpunktschätzung isoliert werden. Während der in Kapitel 3 beschriebenen Umstrukturierung und Trennung der beiden Prozesse wurde das eigentliche Problem der Verarbeitung von mehreren Gebäudeseiten erkannt. Nicht die Fluchtpunkte und die Verfahren für ihre Detektion sind ausschlaggebend, weitere Ebenen im Bild erkennen zu können. Vielmehr verhindert dies der fehlende Rückschluss von extrahierten Kanten auf die Lage, Größe und Anzahl der im Bild vorhandenen Gebäudeseiten. Wären hierzu Informationen bekannt, könnten, wie auch für ornamentale Bereiche, ROIs festgelegt werden, die mit einer hohen Wahrscheinlichkeit eine abgegrenzte Gebäudeseite beinhalten. Um diese daraufhin zu entzerren, kann das jetzt isolierte Programm zur Entzerrung genutzt werden. Die KHT umzusetzen, wurde als Lösungsweg verworfen und der eigene Lösungsansatz "Level of Detail" aus Kapitel 3 wurde entwickelt. Die entstandenen Programme wurden wie gefordert in PUMA, der "Programmierumgebung für die Musteranalyse" eingebunden. Wie die Test aus Kapitel 4 jedoch zeigen, konnte damit keine Verbesserung erzielt werden.
Global-Illumination is an important part of the rendering of realistic images. However, the computational complexity of an accurate simulation of these effects is too high for the use in real time applications. In this paper Light-Propagation-Volumes, Screen-Space-Reflections and multiple variants of Screen-Space-Ambient-Occlusion are investigated as a solution for real time rendering. It is shown that they are fast enough for the use in real time applications. The various techniques approximate only a few aspects of the light transport, but complement each other.
How does gameplay influence the fun in video games? This article will search for an answer to this question by using a self-made video game created from scratch. This video game will be programmed in two versions with differences only in gameplay. Several test persons are then to play this game. A survey will be answered afterwards. In order to gain values that are merely influenced by gameplay changes, thoughts on the game design and conception were made. Results suggest that gameplay has a big impact on fun in video games. But gameplay isn't the only responsible factor that makes a video game amusing. Psychological aspects are present when the gameplay of a video game changes.
There are a few systems high and low-cost ones for gaze tracking. Normally low-cost systems go in hand with low-resolution cameras. Here the image quality is poor, so the algorithms for detecting the gaze have to work more precisely. But how to test and analyse them correctly, when there is a bad image quality and no reference point known? The idea of this work is, to generate synthetic eye images, where the reference points are known, because they are mainly manually set and then to test and analyse the algorithms with these synthetic images. By switching on features like gaussian noise or a second glint-like reflection point, it is possible to stepwise approximate the synthetic images close to reality. In fact the experiments will lead to an improvement of the algorithms used in a low-resolution system environment.
In the context of augmented reality we define tracking as a collection of methods to obtain the position and orientation (pose) of a user. By means of various displaying techniques, this ensures a correct visual overlay of graphical information onto the reality perceived. Precise results for calculation of the camera pose are gained by methods of image processing, usually analyzing the pixels of an image and extracing features, which can be recognized over the image sequence. However, these methods do not regard the process of image synthesis or at least in a very simplyfied way. In contrast, the class of model-based methods assumes a given 3D model of the observed scene. Based on the model data features can be identified to establish correspondences in the camera image. From these feature correspondences the camera pose is calculated. An interesting approach is the strategy of analysis-by-synthesis, regarding the computer graphics rendering process for extending the knowledge about the model by information from image synthesis and other environment variables.
In this thesis the components of a tracking system are identified and further it is analyzed, to what extend information about the model, the rendering process and the environment can contribute to the components for improvement of the tracking process using analysis-by-synthesis. In particular, by using knowledge as topological information, lighting or perspective, the feature synthesis and correspondence finding should lead to visually unambiguous features that can be predicted and evaluated to be suitable for stable tracking of the camera pose.
The present thesis gives an overview of the general conditions for the programming of graphics cards. For this purpose, the most important Application Programming Interfaces (APIs) available on the market are presented and compared. Subsequently, two standard algorithms from the field data processing, prefix sum and radixsort are presented and examined with regard to the implementation with parallel programming on the GPU. Both algorithms were implemented using the OpenGL-API and OpenGL compute shaders. Finally, the execution times of the two algorithms were compared.
Die Computergrafik befasst sich mit der Erzeugung von virtuellen Bildern. Im Bereich der 3D-Computergrafik werden die dargestellten Objekte im dreidimensionalen Raum beschrieben. Dazu bedient man sich diverser Generierungsverfahren. Einer dieser so genannten Renderer ist das Raytracing-Verfahren. Es erfreut sich in der Computergrafik wegen der erreichten Bildqualität bei ueberschaubarer Komplexität großer Beliebtheit. Dabei wird versucht, immer realistischere Ergebnisse zu erreichen. In der Vergangenheit wurde Raytracing deswegen beispielsweise um globale Beleuchtungsmodelle oder um reflektierende beziehungsweise um transparente Objekte erweitert. Dabei wurde aber ein wichtiger Punkt häufig vernachlässigt, welcher ebenfalls den Grad an Realismus deutlich erhöhen kann: die Kamera. Meistens geht man auch heutzutage von einem vereinfachten Lochkameramodell aus. Aus diesem Grund genügen solche Modelle nicht den Ansprüchen physikalisch-korrekter Renderingverfahren. Eine wirklich umfassend korrekte Abbildung von Szenen darf also nicht vernachlässigen, dass ein generiertes Bild durch ein Linsensystem noch einmal entscheidend beeinflusst wird. In dieser Arbeit wird deswegen ein physikalisch korrektes Kameramodell vorgestellt, welches die geometrischen Eigenschaften des Linsensystems berücksichtigt und die Belichtung auf der Bildebene korrekt berechnet.
Im Rahmen dieser Arbeit werden die Möglichkeiten und Grenzen des Geometry-Shaders in Bezug auf die Triangulierung von Freiformflächen untersucht. Dazu steht die Konzeption und Entwicklung eines Geometry-Shaders im Vordergrund, der Freiformflächen möglichst performant zur Laufzeit triangulieren kann. Hierzu werden NURBS-Datensätze eingelesen, trianguliert und dargestellt.
Tractography on HARDI data
(2011)
Diffusion weighted imaging is an important modality in clinical imaging and the only possibility to gain insight into the human brain noninvasively and in-vivo. The applications of this imaging technique are diversified. It is used to study the brain, its structure, development and the functionality of the different areas. Further, important fields of application are neurosurgical planning, examinations of pathologies, investigation of Alzheimer-, strokes, and multiple sclerosis. This thesis gives a brief introduction to MRI and diffusion MRI. Based on this, the mostly used data representation in diffusion MRI in clinical imaging, the diffusion tensor, is introduced. As the diffusion tensor suffers from severe limitations new techniques subsumed under the term HARDI (high angular resolution diffusion imaging) are introduced and discussed in detail. Further, an extensive introduction to tractography, approaches that aim at reconstructing neuronal fibers, is given. Based on the knowledge fromthe theoretical part established tractography algorithms are redesigned to handle HARDI data and, thus, improve the reconstruction of neuronal fibers. Among these algorithms, a novel approach is presented that successfully reconstructs fibers on phantom data as well as on human brain data. Further, a novel global classification approach is presented to cluster voxels according to their diffusion properties.
Augmented reality (AR) applications typically extend the user's view of the real world with virtual objects.
In recent years, AR has gained increasing popularity and attention, which has led to improvements in the required technologies. AR has become available to almost everyone.
Researchers have made great progress towards the goal of believable AR, in which the real and virtual worlds are combined seamlessly.
They mainly focus on issues like tracking, display technologies and user interaction, and give little attention to visual and physical coherence when real and virtual objects are combined. For example, virtual objects should not only respond to the user's input; they should also interact with real objects. Generally, AR becomes more believable and realistic if virtual objects appear fixed or anchored in the real scene, appear indistinguishable from the real scene, and response to any changes within it.
This thesis examines on three challenges in the field of computer vision to meet the goal of a believable combined world in which virtual objects appear and behave like real objects.
Firstly, the thesis concentrates on the well-known tracking and registration problem. The tracking and registration challenge is discussed and an approach is presented to estimate the position and viewpoint of the user so that virtual objects appear fixed in the real world. Appearance-based line models, which keep only relevant edges for tracking purposes, enable absolute registration in the real world and provide robust tracking. On the one hand, there is no need to spend much time creating suitable models manually. On the other hand, the tracking can deal with changes within the object or the scene to be tracked. Experiments have shown that the use of appearance-based line models improves the robustness, accuracy and re-initialization speed of the tracking process.
Secondly, the thesis deals with the subject of reconstructing the surface of a real environment and presents an algorithm to optimize an ongoing surface reconstruction. A complete 3D surface reconstruction of the target scene
offers new possibilities for creating more realistic AR applications. Several interactions between real and virtual objects, such as collision and occlusions, can be handled with physical correctness. Whereas previous methods focused on improving surface reconstructions offline after a capturing step, the presented method de-noises, extends and fills holes during the capturing process. Thus, users can explore an unknown environment without any preparation tasks such as moving around and scanning the scene, and without having to deal with the underlying technology in advance. In experiments, the approach provided realistic results where known surfaces were extended and filled in plausibly for different surface types.
Finally, the thesis focuses on handling occlusions between the real and virtual worlds more realistically, by re-interpreting the occlusion challenge as an alpha matting problem. The presented method overcomes limitations in state-of-the-art methods by estimating a blending coefficient per pixel of the rendered virtual scene, instead of calculating only their visibility. In several experiments and comparisons with other methods, occlusion handling through alpha matting worked robustly and overcame limitations of low-cost sensor data; it also outperformed previous work in terms of quality, realism and practical applicability.
The method can deal with noisy depth data and yields realistic results in regions where foreground and background are not strictly separable (e.g. caused by fuzzy objects or motion blur).
Die moderne Bildgebung in der Medizin arbeitet oft mit Daten höheren Tonwertumfangs. So haben beispielsweise Bilder aus CT-Geräten einen Dynamikbereich von 12 Bit, was 4096 Graustufen entspricht. Im Bereich der photorealistischen Computergrafik und zunehmend in der Bildverarbeitung sind Bilddaten viel höheren Tonwertumfangs üblich, die als HDR-Bilder (High Dynamic Range) bezeichnet werden. Diese haben eine Bittiefe von 16, oftmals sogar 32 Bit und können dadurch sehr viel mehr Informationen speichern, als herkömmliche 8-Bit-Bilder. Um diese Bilder auf üblichen Monitoren darstellen zu können, muss man die Bildinformation auf den Tonwertumfang des Ausgabegerätes abbilden, was man als Tonemapping bezeichnet. Es existieren zahlreiche solcher Tonemapping-Verfahren, die sich durch ihre Arbeitsweise, Geschwindigkeit und visuelle Qualität unterscheiden lassen. Im Rahmen dieser Studienarbeit sollen Tonemapping-Verfahren auf medizinische Bilddaten angewendet werden. Dabei soll sowohl die visuelle Qualität, als auch die Geschwindigkeit im Vordergrund stehen.
Im Bereich Augmented Reality ist es von großer Bedeutung, dass virtuelle
Objekte möglichst realistisch in ein Kamerabild eingebettet werden. Nur
so ist es möglich, dem Nutzer eine immersive Erfahrung zu bieten. Dazu
gehört unter anderem, Verdeckung dieser Objekte korrekt zu behandeln.
Während schon verschiedene Ansätze existieren, dieses Verdeckungsproblem
zu beheben, wird in dieser Arbeit eine Lösung mittels Natural Image
Matting vorgestellt. Mit Hilfe einer Tiefenkamera wird das Kamerabild in
Vorder- und Hintergrund aufgeteilt und anschließend das virtuelle Objekt
im Bild platziert. Für Bereiche, in denen die Zugehörigkeit zu Vorder- oder
Hintergrund nicht eindeutig ist, wird anhand bekannter Pixel ein Transparenz-
Wert geschätzt. Es werden Methoden präsentiert, welche einen
Ablauf des Image Matting in Echtzeit ermöglichen. Zudem werden
Verbesserungsmöglichkeiten dieser Methoden präsentiert und gezeigt, dass
durch diese eine höhere Bildqualität für schwierige Szenen erreicht wird.
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.
Ray tracing acceleration through dedicated data structures has long been an important topic in computer graphics. In general, two different approaches are proposed: spatial and directional acceleration structures. The thesis at hand presents an innovative combined approach of these two areas, which enables a further acceleration of the tracing process of rays. State-of-the-art spatial data structures are used as base structures and enhanced by precomputed directional visibility information based on a sophisticated abstraction concept of shafts within an original structure, the Line Space.
In the course of the work, novel approaches for the precomputed visibility information are proposed: a binary value that indicates whether a shaft is empty or non-empty as well as a single candidate approximating the actual surface as a representative candidate. It is shown how the binary value is used in a simple but effective empty space skipping technique, which allows a performance gain in ray tracing of up to 40% compared to the pure base data structure, regardless of the spatial structure that is actually used. In addition, it is shown that this binary visibility information provides a fast technique for calculating soft shadows and ambient occlusion based on blocker approximations. Although the results contain a certain inaccuracy error, which is also presented and discussed, it is shown that a further tracing acceleration of up to 300% compared to the base structure is achieved. As an extension of this approach, the representative candidate precomputation is demonstrated, which is used to accelerate the indirect lighting computation, resulting in a significant performance gain at the expense of image errors. Finally, techniques based on two-stage structures and a usage heuristic are proposed and evaluated. These reduce memory consumption and approximation errors while maintaining the performance gain and also enabling further possibilities with object instancing and rigid transformations.
All performance and memory values as well as the approximation errors are measured, presented and discussed. Overall, the Line Space is shown to result in a considerate improvement in ray tracing performance at the cost of higher memory consumption and possible approximation errors. The presented findings thus demonstrate the capability of the combined approach and enable further possibilities for future work.
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.
Texture-based text detection in digital images using wavelet features and support vector machines
(2010)
In this bachelor thesis a new texture-based approach for the detection of text in digital images is presented. The procedure can be essentially divided into two main tasks, in detection of text blocks and detection of individual words, whereby the individual words are extracted from the detected text blocks. Roughly, the developed method acts with multiple support vector machines, which classify possible text regions of an image into real text regions, using wavelet-based features. In the process the possible text regions are defifined by edge projections with diσerent orientations. The results of the approach are X/Y coordinates, width and height of rectangular regions of an image, which contains individual words. This knowledge can be further processed, for example by an optical character recognition software to get the important and useful text information.
Das sichere Befahren von komplexen und unstruktierten Umgebungen durch autonome Roboter ist seit den Anfängen der Robotik ein Problem und bis heute eine Herausforderung geblieben. In dieser Studienarbeit werden drei Verfahren basierend auf 3-D-Laserscans, Höhenvarianz, der Principle Component Analysis (PCA) und Tiefenbildverarbeitung vorgestellt, die es Robotern ermöglichen, das sie umgebende Terrain zu klassifizieren und die Befahrbarkeit zu bewerten, sodass eine sichere Navigation auch in Bereichen möglich wird, die mit reinen 2-D-Laserscannern nicht sicher befahren werden können. Hierzu werden 3-D-Laserscans mit einem 2-D-Laserscanner erstellt, der auf einer Roll-Tilt-Einheit basierend auf Servos montiert ist, und gleichzeitig auch zur Kartierung und Navigation eingesetzt wird. Die einzeln aufgenommenen 2-D-Scans werden dann anhand des Bewegungsmodells der Roll-Tilt-Einheit in ein emeinsames 3-D-Koordinatensystem transformiert und mit für die 3-D-Punktwolkenerarbeitung üblichen Datenstrukturen (Gittern, etc.) und den o.g. Methoden klassifiziert. Die Verwendung von Servos zur Bewegung des 2-D-Scanners erfordert außerdem eine Kalibrierung und Genauigkeitsbetrachtung derselben, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen und Aussagen über die Qualität der 3-D-Scans treffen zu können. Als Ergebnis liegen drei Implementierungen vor, welche evolutionär entstanden sind. Das beschriebene Höhenvarianz-Verfahren wurde im Laufe dieser Studienarbeit von einem Principle Component Analysis basierten Verfahren, das bessere Ergebnisse insbesondere bei schrägen Untergründen und geringer Punktdichte bringt, abgelöst. Die Verfahren arbeiten beide zuverlässig, sind jedoch natürlich stark von der Genauigkeit der zur Erstellung der Scans verwendeten Hardware abhängig, die oft für Fehlklassifikationen verantwortlich war. Die zum Schluss entwickelte Tiefenbildverarbeitung zielt darauf ab, Abgründe zu erkennen und tut dies bei entsprechender Erkennbarkeit des Abgrunds im Tiefenbild auch zuverlässig.
Tracking is an integral part of many modern applications, especially in areas like autonomous systems and Augmented Reality. For performing tracking there are a wide array of approaches. One that has become a subject of research just recently is the utilization of Neural Networks. In the scope of this master thesis an application will be developed which uses such a Neural Network for the tracking process. This also requires the creation of training data as well as the creation and training of a Neural Network. Subsequently the usage of Neural Networks for tracking will be analyzed and evaluated. This includes several aspects. The quality of the tracking for different degrees of freedom will be checked as well as the the impact of the Neural Network on the applications performance. Additionally the amount of required training data is investigated, the influence of the network architecture and the importance of providing depth data as part of the networks input. This should provide an insight into how relevant this approach could be for its adoption in future products.
This bachelor thesis implements a system for camera tracking based on a particle filter. For this purpose, a marker tracking is realized and the camera position is calculated based on the marker position. The marker is to be found with a particle filter and in order to accomplish this possible marker positions are simulated, also called particles, and weighted with Likelyhood-Functions. The focus lies on the evaluation of different Likelihood-Functions of the particle filter. The Likelyhood functions were implemented in CUDA as part of the implementation.
Szeneneditor für ein Echtzeitanimationssystem und andere XML konfigurierte und erweiterbare Systeme
(2006)
In dieser Arbeit werden jeweils ein Verfahren aus den beiden Bereichen der Bildregistrierung implementiert und beschrieben. Eine direkte und eine merkmalsbasierte Methode werden verglichen und auf ihre Grenzen hin überprüft. Die implementierten Verfahren funktionieren gut und registrieren beide verschiedene Bildserien subpixelgenau. Bei der direkten Methode ist vor allem die Wahl des Transformationsmodells ausschlaggebend. Auch das Einbetten der Methode in eine Gaußpyramidenstruktur hat sich als wichtig herausgestellt. Da die merkmalsbasierte Methode aus verschiedenen Komponenten aufgebaut ist, kann jeder einzelne Schritt durch unterschiedliche Verfahren ausgetauscht werden, so z.B. die Detektion der Merkmale durch Tomasi-Kanade, SIFT oder Moravec. In der direkten Methode kann die Genauigkeit der Ergebnisse zum einen durch den gewählten Schwellwert und zum anderen durch die Anzahl der Pyramidenstufen beeinflusst werden. Bei der merkmalsbasierten Methode wiederum können unterschiedlich viele Merkmale benutzt werden, die einen unterschiedlich hohen Schwellwert besitzen können. Es wird gezeigt, dass beide Methoden zu guten Ergebnissen führen, wenn davon ausgegangen wird, dass die Verschiebung sowie die Rotation gering sind. Bei stärkeren Veränderungen jedoch wird die direkte Methode recht ungenau, während die merkmalsbasierte Methode noch gute Ergebnisse erzielt. An ihre Grenze gerät sie erst, wenn entweder der Bildinhalt sich stark ändert, oder die Rotationen einen Winkel von 20° überschreitet. Beide Verfahren arbeiten also subpixelgenau, können aber unter verschiedenen Voraussetzungen zu Ungenauigkeiten führen. Werden die jeweiligen Probleme der beiden Methoden beachtet und am besten bei der Aufnahme oder vor der Registrierung eliminiert, so können sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Stylized image triangulation
(2019)
Stylized image triangulation is a popular tool of image processing. Results can be found on magazine covers or bought as a piece of art. Common use cases are filters by mobile apps or programs dedicated to automated triangulation. This thesis is based upon a paper that achieves new results formulating the adaptive dynamic triangulation as optimization problem. With this approach, new results concerning visual and technical quality are accomplished. One aim of this thesis is to make this approach accessible to as many users as possible. To reach users, a mobile app called Mesh is designed and implemented. A client-host-system is presented which relieves the app from computing the result requiring a lot of resources. Therefore, transferring the approach to a CPU based solution is part of the thesis. Also, a webserver is implemented that handles the communication between app and algorithm. “Mesh” enables the user to send a arbitrary image to the server whose result can be downloaded.
Part of the research deals with optimizing the method. As the main step, the gradient descent method, which minimizes an approximation error, is examined with three different approaches re-defining the movement of a point: The limitation of the directions of movement in a meaningful manner, diagonal directions and a dynamically repositioning of points are analyzed. Results show no improvement of visual quality using diagonal instead of horizontal and vertical steps. Disallowing a point to take its last position, the limitation of step opportunities results in a loss of visual quality but reaches an intended global error earlier. The dynamically repositioning rests upon a vectorbased solution that weights the directions and applies a factor to each of them. This results in a longer computational time but also in a higher visual quality.
Inspired by the work of Josh Bryan, another part of research aims at imitating an artists style. With the use of pseudo-random events combined with a geometryshader, a more natural look shall be achieved. This method illustrates a way of adding minor details to a rendering. To imitate an artist's work, a more complex and more precise triangulation is needed. As the last aspect, a renderstyle is presented. The style uses a center for its effect moving the triangles of a triangulation apart. The arbitrary choice of placing the centrum enables the renderstyle to be used in animations.
One of the greatest goals in computer graphics is the aesthetic representation of objects. In addition to conventional methods, another field focuses on non-photorealistic renderings. The so-called example-based rendering is an area where users can transfer their art style to a pre-computed 3D rendering, using a hand-painted template. There are some algorithms that already provide impressive results, but their problem is that most of these procedures count as offline methods and are not able to produce results in real-time. For this reason, this work show a method that satisfies this condition. In addition, the influence of the run-time reduction on the results is investigated. Requirements are defined, to which the method and its results are examined. Other methods in this field are referenced and compared with their results.
In dieser Arbeit wird ein System zur Erzeugung und Darstellung stereoskopischen Video-Panoramen vorgestellt. Neben der theoretischen Grundlagen werden der Aufbau und die Funktionsweise dieses Systems erläutert.
Dazu werden spezielle Kameras verwendet, die Panoramen aufnehmen
können und zur Wiedergabe synchronisiert werden. Anschließend wird ein Renderer implementiert, welcher die Panoramen mithilfe einer VirtualReality Brille stereoskopisch darstellen kann. Dafür werden separate Aufnahmen für die beiden Augen gemacht und getrennt wiedergegeben. Zum Abschluss wird das entstandene Video-Panorama mit einem Panorama eines schon bestehenden Systems verglichen.
Die folgende Arbeit soll einen Überblick über bestehende Lösungen zur Interaktion in Erweiterten Realitäten (Augmented Reality) schaffen. Hierzu werden anhand dreier grundlegender Betrachtungsweisen unterschiedliche Interaktionskonzepte und -umsetzungen sowohl von der technischen, als auch von der konzeptuellen Seite her, vorgestellt. Neben Fragen der Visualisierung werden unterschiedliche Typen von Benutzungsschnittstellen vorstellt. Den größten Teil nehmen die drei typischen Interaktionsaufgaben Selektion- und Manipulation, Navigation und Systemkontrolle und die damit verbundenen Interaktionstechniken ein. Die Inhalte des Arbeitsberichts beschränken sich auf den Einsatz von Interaktionelementen in Augmented Reality Umgebungen. Dies geschieht in Abgrenzung zu Forschungsarbeiten auf dem Gebiet zu Interaktionstechniken in Virtual Reality Umgebungen (vollimmersiv oder auch desktoporientiert). Zwar standen und stehen viele Interaktionstechniken aus dem Bereich VR in der AR Pate, doch haben sich gerade im Bereich der AR neue Techniken und Konzepte entwickelt. Folglich sollen VR Techniken nur dann betrachtet werden, wenn Sie in AR Anwendungen angewendet wurden bzw. wenn ihre Anwendung sinnvoll erscheint.
Part-of-Speech tagging is the process of assigning words with similar grammatical properties to a part of speech (PoS). In the English language, PoS-tagging algorithms generally reach very high accuracy. This thesis undertakes the task to test against these accuracies in PoS-tagging as a qualitative measure in classification capabilities for a recently developed neural network model, called graph convolutional network (GCN). The novelty proposed in this thesis is to translate a corpus into a graph as a direct input for the GCN. The experiments in this thesis serve as a proof of concept with room for improvements.
Die Studienarbeit analysiert mit Hilfe einer erweiterten Balancetheorie die Relationen des Roboters zu den Personen im Kamerabild und den Personen untereinander. Es wurde gezeigt, dass die Abstraktion der Balancetheorie auf eine konkrete Anwendung übertragen werden kann. Allerdings muss die Theorie erweitert und teilweise eingeschränkt werden, um sie flexibler, aber gleichzeitig passend zur Anwendung zu gestalten. Dadurch wird die theoretische Grundlage, auf der die Arbeit beruht, ebenfalls verändert. Damit diese Modifikationen nicht den Rahmen der psychologischen Grundlage verlassen, müssen sie wiederum mit psychologischen Mitteln untersucht werden. Das würde allerdings den Umfang dieser Arbeit überschreiten, aber bietet ein Ansatz für eine interdisziplinäre Zusammenarbeit der Psychologie und Robotik. Die Interaktion und das Verhalten der Maschinen nach menschlicher Vorlage zu gestalten, ist für beide Disziplinen von Interesse. Im Kontext der Entwicklung einer ausreichenden Interaktion zwischen der Maschine und dem Menschen, wäre es interessant zu erforschen, welche sozialen Merkmale detektiert werden müssten, zum Beispiel im Spektrum der Mimik. Darüberhinaus ermöglicht die Recognize-Pipeline ein Ansatz, die Interaktion über das Kamerabild hinaus zu verfolgen. Dadurch kann der Roboter das Gesicht mit vergangenen Interaktionen assoziieren und dem entsprechend agieren. Allerdings bedarf die Pipeline-Struktur weiterer Arbeit. So werden bestehende Datenbanken über ein Gesicht nicht mit neuen Bildern erweitert, so fern sie notwendig sind. Auch kann keine automatische Korrektur erfolgen, falls fehlerhafte Informationen in die Datenbank gelangen. So kann es vorkommen, dass das selbe Gesicht zwei unterschiedliche IDs erhält, wenn das Gesicht nicht wiedererkannt wird. Auch können sehr ähnliche Gesichter zusammenfallen zu einer ID. Solche Fehler müssten für eine stabile Anwendung selbständig korrigierbar sein.
The animation of models has become an important part in different areas of everyday life. It is a demanding task for computer graphics to generate
a natural deformation of organic models. Skinning is a common method to animate models without animating each vertex individually. The skin of the model deforms automatically by manipulating individual bones of a skeleton.
This bachelor thesis deals with the most common algorithm, linear blend skinning and aims to find some optimizations regarding the visual effect
and performance. Additionally it presents certain instancing methods which are combined with the skinning methods in the application to show the advantages and disadvantages of the latter.
The present work starts with an introduction of methods for three-dimensional curve skeletonization. Different kinds of historic and recent skeletonization approaches are analysed in detail. Later on, a state-of-the-art skeletonization algorithm is introduced. This algorithm deals as a basis for the own approach presented subsequently. After the description and definition of a new method improving the state-of-the-art algorithm, experiments are conducted to get appraisable results. Next, a ground truth is described which has been set up manually by humans. The human similarity evaluations are compared with the results of the automatic computer-based similarity measures provided by the own approach. For this comparison, standard evaluation criteria from the field of information retrieval have been used.