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"MoleARlert" entstand im Rahmen eines Projektpraktikums der AG Computergrafik, unter Leitung Herrn Prof. Müllers und Herrn Dipl.-Inf. Stefan Rilling, im Wintersemester 2008/2009. Das System wurde von insgesamt zwölf Studierenden der Universität Koblenz-Landau entwickelt. Inhalt dieser Studienarbeit ist neben der Beschreibung des Systems vor allem die Veränderungen, die vom Autor nach Abschluss des Projektpraktikums, an diesem vorgenommen wurden unter besonderer Berücksichtigung der Neu- und Weiterentwicklungen die dazu führten die Reife des Systems zu verbessern. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Arbeit ist die Einbindung einer Webkamera in eine 3D-Engine in Echtzeit.
Seit 2005 beschäftige ich mich im Rahmen der Künstlergruppe "Farbraum" mit visuellen Installationen und live Video Performaces auf kulturellen Events. Dafür haben wir einzelne Video-Performance Applikationen entwickelt, die die Probleme einzelner Projekte lösen.Was uns bisher noch nicht gelang ist a) eine modulare Softwarearchitektur zu entwickeln und b) ein Werkzeug zur Entzerrung ebener Flächen, die nicht rechtwinklig projiziert werden, zu erstellen (unter der Annahme, dass Projektoren verwendet werden). Diese Arbeit beschreibt die Lösung des ersten Problems durch die Entwicklung eines modularen Frameworks und des zweiten Problems durch die Implementation eines benutzerfreundlichen Moduls zur Entzerrung von ebenen Flächen. Die Entzerrung findet komplett manuell statt, indem der Benutzer die Koordinaten der Flächeneckpunkte durch das Ziehen der Punkte mit der Maus verändert. Dabei werden die xund y-Werte der Eckpunkte verändert, der z-Wert bleibt konstant. Während auf diese Weise die 3D-Interaktion mittels eines 2D-Eingabegeräts verhindert wird, führt die ausschließlich zweidimensionale Transofrmation der Flächen zu unerwünschten Textur-Mapping Artifakten, die durch das Triangulierungs-basierte Rendern von Grafikkarten entstehen. Um diese Artifakte zu vermeiden, wird ein Verfahren names "adaptive Subdivision" vorgestellt, das die entsandenen Rendering-Fehler korrigiert.
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.
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.
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.
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.
In dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich das bestehende Modell der Kabelsimulation verbessern lässt. Hierfür wurde zunächst analysiert, welches die Einflussfaktoren auf eine Simulation sind. Des Weiteren wurde der Einfluss der Rand- und Nebenbedingungen auf die Genauigkeit der Verlaufssimulation untersucht.
Das Projekt Ziel der Studienarbeit war, eine physikalisch basierte Echtzeitsimulation eines volumetrischen Fluids in Form einer Rauchentwicklung auf der GPU zu realisieren und diese in eine Echtzeitanwendung zu integrieren. Motivation Mit Hilfe von Fluidsimulationen lassen sich einige der faszinierendst anzuschauenden Naturphänomene wie Rauch, Wolken oder auch Feuer und Wasser realistisch darstellen. Ausserdem könnten mit physikalischbasierten Fluidsimulationen eine große Fülle neuer Interaktionsmöglichkeiten innerhalb einer simulierten Welt realisiert werden. Wasser könnte realistisch fließen und Gegenstände mit sich reißen oder ganze Landschaften überfluten, Wind- und Luftströmungen könnten Segelschiffe antreiben oder sogar zerstörerische Wettereffekte wie Tornados simulieren etc... Die Fluidsimulation Der Rauch kann um Objekte im Fluidvolumen strömen, auf Temperaturunterschiede reagieren und dynamisch beleuchtet werden. Die Fluidsimulation nutzt dabei einen rasterbasierten Ansatz um die Navier-Stokes Gleichungen zu lösen und Partikel durch das Volumen zu transportieren. Objekte können voxelisiert werden und den Fluss im Fluidvolumen beeinflussen. Eine Temperatursimulation sorgt für eine realistische Rauchentwicklung, in dem Partikel, die sich von eine Wärmequelle entfernen zu Boden fallen. Der Rauch kann zudem durch die approximierte Simulation von Licht-Streuungseffekten (scattering) dynamisch und realitätsnah in Echtzeit beleuchtet werden Für eine möglichst artefaktfreie dreidimensionale Visualisierung des Volumens kommt als Rendering-Verfahren View-aligned Volume Slicing zum Einsatz. Ergebnis Das Ergebnis der Arbeit zeigt, Fluidsimulationen lassen sich heute mit Hilfe der GPU in Echtzeit in erstaunlicher Qualität darstellen und sogar in Echtzeitanwendungen integrieren. Es wurde neben der Fluidsimulation ein OpenGL-Renderer als Echtzeitanwendung entworfen, um die Möglichkeiten der Integration einer Fluidsimulation in eine solche Anwendung zu demonstrieren. In dem Programm können zudem zahlreiche Parameter der Fluidsimulation zur Laufzeit manipuliert und gespeichert werden. Der Nutzer kann sich so mit den vielfältigen Möglichkeiten und faszinierenden Effekten einer Fluidsimulation vertraut machen.
Rissmuster enthalten zahlreiche Informationen über die Entstehung der Risse und können für die Technik oder die Kulturgeschichte von großem Wert sein. So vereinfacht etwa die automatische oder halbautomatische Klassifizierung von Abbildungen solcher Rissmuster die Echtheitsprüfung antiker Artefakte oder die Materialforschung. Teilweise existieren bereits Klassifizierungsverfahren, die sich für die computergestützte Auswertung einsetzen lassen. Da es bislang kein Verfahren zur objektivierten Auswertung und Analyse von Rissmustern gab, entstand 2007 in Zusammenarbeit mit der Stuttgarter Staatlichen Akademie der Bildenden Künste das Projektpraktikum Rissmusteranalyse (Primus), das die automatische Klassifikation von Rissmuster-Aufnahmen ermöglicht. Daran angebunden sollte ein Datenbanksystem die Bilder samt ihrer Analyseergebnisse verwalten und darstellen können. Eine einfach zu bedienende grafische Benutzeroberfläche soll verschiedene Methoden anbieten, die mit jeweils unterschiedlichen Bildverarbeitungsverfahren eine robuste Klassifikation der Rissmuster und den anschließenden Transfer in die Datenbank ermöglichen. Zunächst werden die aktuelle Situation des Projektes Primus und dessen grundlegende Strukturen dargestellt, unter besonderer Berücksichtigung der verwendeten Programmiersprache Qt. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet das Redesign der Benutzeroberfläche und deren Erweiterung um neue Komponenten wie Qt-Objekte und einen separaten Tracer.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein Raytracer auf Voxel-Octrees für SSE-fähige CPUs implementiert. Als Grundlage diente das Augenblick-SDK der Firma Numenus. Es konnte gezeigt werden dass das Raytracing von Volumendaten exzellent skaliert und sich vor allem für sehr große, statische Datenmengen eignet.
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.
Point Rendering
(2009)
Das Ziel dieser Arbeit war es, bestehende Point Rendering Verfahren zu untersuchen und darauf aufbauend einen eigenen Point Renderer zu entwickeln. Mit diesem sollte dann die Anwendbarkeit auf weniger komplexe Modelle geprüft werden. Dabei galt es auftretende Probleme zu analysieren und gegebenenfalls Lösungsansätze zu finden.
In dieser Arbeit werden drei Verfahren zur Objektentfernung aus Bildern einander gegenübergestellt. Zwei der ausgewählten Verfahren stammen aus dem Bereich der sogenannten Inpainting-Verfahren, während das dritte dem Forschungsgebiet der medizinischen Bildverarbeitung entnommen ist. Die Evaluation dieser Verfahren zeigt ihre jeweiligen Vor- und Nachteile auf und prüft ihre Anwendbarkeit auf das spezifische Problem, ein Farbkalibriermuster aus strukturdominierten Bildern zu entfernen. Auf der Grundlage dieser Eigenschaften werden abschließend mehrere Erweiterungen vorgestellt, die eine verbesserte Anwendbarkeit auf das gestellte Problem erreichen.
Zielsetzung Ziel der Diplomarbeit ist die Erforschung und Evaluation verschiedener multimodaler Interaktions- und Präsentationstechniken mit der Nintendo Wii Fernbedienung. Der zentrale Ansatz besteht darin, die verschiedenen alternativen Ein- und Ausgabemöglichkeiten der Nintendo Wiimote für Multimediapräsentationen im Bereich Bildung und Lehre nutzbar zu machen. Gesucht ist eine möglichst benutzerfreundliche Kombination verschiedener Präsentationslösungen in einem Eingabegerät, zu einem Bruchteil der Kosten existierender Lösungen. WiinterAct Um die Verbindung zwischen den multimodalen Interaktionsmöglichkeiten der Nintendo Wii Fernbedienung und den gewünschten Präsentationstechniken am Computer herzustellen, wurde die Software WiinterAct entwickelt. Mit Hilfe von WiinterAct lässt sich eine beliebige Präsentationssoftware über die Bedienknöpfe der Wiimote oder per Gestenerkennung steuern. Zusätzlich wurden alternative Mauszeigermanipulationsmöglichkeiten implementiert. So kann der Mauszeiger per interaktiver Laserpointer Metapher oder über ein interaktives Whiteboard auf Basis der Wiimote bewegt werden. Die hierfür nötige 4-Punkt-Kalibrierung wurde dabei stark vereinfacht. Neben einer intuitiven Visualisierung der Accelerometer- und Infrarotdaten aus der Wiimote wurde ferner eine Demoapplikation (FittsLaWii) zum Messen der Eingabegeschwindigkeit und Benutzerfreundlichkeit verschiedener Interaktionsmethoden bzw. Interaktionsgeräten entwickelt. Fazit Zusammenfassend lassen sich die Ergebnisse der Arbeit in viele andere Bereiche der Mensch-Computer-Interaktion übertragen.
Die Koloskopie ist der Goldstandard zur Aufspürung von gefährlichen Darmpolypen, die sich zu Krebs entwickeln können. In einer solchen Untersuchung sucht der Arzt in den vom Endoskop gelieferten Bildern nach Polypen und kann diese gegebenenfalls entfernen. Um den Arzt bei der Suche zu unterstützen, erforscht die Universität Koblenz-Landau zur Zeit Methoden, die zur automatischen Detektion von Polypen auf endoskopischen Bildern verwendet werden können. Wie auch bei anderen Systemen zur Mustererkennung werden hierzu zunächst Merkmale aus den Bildern extrahiert und mit diesen ein Klassifikator trainiert. Dieser kann dann für die Klassifikation von ihm unbekannten Bildern eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurde das vorhandene System zur Polypendetektion um Merkmalsdetektoren erweitert und mit den bereits vorhandenen verglichen. Implementiert wurden Merkmale basierend auf der Diskreten Wavelet-Transformation, auf Grauwertübergangsmatrizen und auf Local Binary Patterns. Verschiedene Modifikationen dieser Merkmale wurden getestet und evaluiert.
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.
In den systematischen Neurowissenschaften werden oft Experimente durchgeführt, welche die Kommunikation von Hirnarealen bei der Bewältigung einer bestimmten Aufgabe untersuchen. Dabei wird angenommen, dass Neuronenverbände, die ihre Aktivität synchronisiert haben, an dieser Aufgabe beteiligt sind. In den aufgezeichneten EEG-Daten kann diese Zusammenarbeit anhand von interregionaler Kohärenz als Phasensynchronizität der Hirnstromfrequenz nachgewiesen bzw. quantifiziert werden. Ziel der Arbeit ist die Implementierung einer Software, welche die notwendigen Schritte der Kohärenzanalyse durchführt und die Ergebnisse statistisch aufbereitet und darstellt. Da die Verfahren und der Ablauf weitgehend durch die Anforderungsspezifikation vorgegeben sind, liegt ein Schwerpunkt der Arbeit auf dem Entwurf und der Programmierung einer intuitiv zu bedienenden Benutzeroberfläche, die den automatisierten Ablauf der Analyse ermöglicht. Ein Statistik-Toolkit soll die Überprüfung von Arbeitshypothesen ermöglichen (Signifikanz). Weiterhin soll die Darstellung den Transport und die Diskussion der Ergebnisse erleichtern.
In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Ansätze zur Kalibrierung eines optischen Mikroskops behandelt. Dabei werden sowohl State-of-the-Art-Verfahren der Literatur implementiert als auch Verbesserungen an diesen Algorithmen durchgeführt, um die Ergebnisse stabiler und die Kalibrierung flexibler zu gestalten. Hierzu werden Algorithmen entwickelt, die einzelne Parameter der Kalibrierung vorkalibrieren können und somit das Endergebnis der eigentlichen Kalibrierung verbessern. Des weiteren werden diverse Techniken behandelt, die Störungen in den Eingabedaten unterdrücken und dadurch eine korrekte Modellschätzung für die Kalibrierung ermöglichen. Die Algorithmen werden dabei sowohl auf realen als auch auf synthetischen Daten untersucht und miteinander verglichen.
The goal of this thesis was to develop an interactive cloud simulation based on physical laws from fluid and cloud dynamics that can be used to visualize the physical processes involved in the cloud formation process. Chapter 2 showed that a great number of cloud modeling methods already exist, both procedural and physically motivated. Since the simulation developed in this thesis is based on computational fluid dynamics, the most influential works in this field in relation to computer graphics were also identified. Next, the cloud formation process in the atmosphere was explained, demonstrating the connections between air pressure, temperature and humidity. The temperature distribution of the atmosphere was identified as the most significant factor in cloud formation, before two different kinds of cloud classifications were introduced. The following chapter was dedicated to formulating the previously described cloud formation process in terms of physics. It presented the Navier- Stokes equations of incompressible fluid motion as the method of describing the movement of air masses in the atmosphere and explained how they can be simplified. Furthermore, this chapter was used to introduce concepts from thermodynamics that are necessary for the description of cloud dynamics, and to present a water continuity model that defines the state changes of water in the atmosphere. It was also explained where and how the presented concepts abstract from reality. In chapter 5, it was first described how the cloud model was developed based on the concepts evaluated before, identifying the temperature, water vapor, cloud water, and velocity as the state variables necessary for a cloud simulation. Next, the unconditionally stable implicit semi-Lagrangian method for the solution of the Navier-Stokes equation was presented, and it was explained how the equations for the water continuity, latent heat, and buoyant force computations are solved. All the steps were then summarized and put into context by describing the simulation loop that is executed for every step of the cloud simulation. In the following, details were given about the simple rendering method for the clouds, and the visualization methods for the velocity field and the temperature were evaluated. Finally, the user interface that controls the parameters of the simulation was explained. Chapter six showed the results of the simulation of convective and stratus clouds and commented on the performance of the system.