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Bildsynthese durch Raytracing gewinnt durch Hardware-Unterstützung in Verbraucher-Grafikkarten eine immer größer werdende Relevanz. Der Linespace dient dabei als eine neue, vielversprechende Beschleunigungsstruktur. Durch seine richtungsbasierte Natur ist es sinnvoll, ihn in andere Datenstrukturen zu integrieren. Bisher wurde er in ein Uniform-Grid integriert. Problematisch werden einheitlich große Voxel allerdings bei Szenen mit variierbarem Detailgrad. Diese Arbeit führt den adaptiven Linespace ein, eine Kombination aus Octree und Linespace. Die Struktur wird hinsichtlich ihrer Beschleunigungsfähigkeit untersucht und mit dem bisherigen Grid-Ansatz verglichen. Es wird gezeigt, dass der adaptive Linespace für hohe Grid-Auflösungen besser skaliert, durch eine ineffiziente GPU-Nutzung allerdings keine optimalen Werte erzielt.
Simulation of fractures
(2014)
Real-time computing often avoids the simulation of fractures due to its complexity. The field of engineering science provides methods to create these simulations to improve games and other applications. Steadily rising computer capacities allow suitable simulations on a real-time basis and make this aspect increasingly interesting. The topic and aim of this research is to simulate fractures of stiff bodies. The primary objective is the physical plausibility and performance of the application. This thesis analyses the potential of computer science to realize the simulation of fractures.
Three existing as well as one self-created were implemented and analysed. The works "Real time simulation of deformation and Fracture of stiff material" from Müller et al., "real time simulation of Brittle Fracture using Modal analysis" from Glondu et al. and "Fast and Controllable simulation of the Shattering of Brittle Objects" from Smith et al. form the basis of this thesis. The introduced methods use different computation of forces and fractures. The developed procedure uses the idea of generating secondary breaks. The approaches were implemented based on the Bullet physics-engine. The results of the work show that physically based breaks are realizable on a real-time basis.
The analysis of the physical methods demonstrates that their performance mainly depends on the constitution of the used objects. This thesis shows that the further investigation of this topic can discover new possibilities. The improvement of the realism in virtual worlds can be achieved by executing physically plausible methods.
This thesis tests several methods and measures in pathtracing for selecting either the Line Space or the Bounding Volume Hierarchy data structure to make use of the advantages of both. The structures are defined locally around each object and each Line Space shaft contains one candidate ID each. All implementation is done as a C++ and OpenGL framework with compute shaders handling the pathtracing and Line Space generation. The measures include the probability distribution, the effect dependency, as well as a distance threshold and are tested against several different scenes. In most situations, the results show a noticeable increase in performance, partly only with minor visual differences, with the probability measure producing the highest quality images for a given performance. The fundamental problems of the Line Space concering the high memory consumption and a long generation time compared to the BVH still persist, despite the object local structure, a minimal amount of data per shaft and the compute shader implementation.
In recent years head mounted displays (HMD) and their abilities to create virtual realities comparable with the real world moved more into the focus of press coverage and consumers. The reason for this lies in constant improvements in available computing power, miniaturisation of components as well as the constantly shrinking power consumption. These trends originate in the general technical progress driven by advancements made in smartphone sector. This gives more people than ever access to the required components to create these virtual realities. However at the same time there is only limited research which uses the current generation of HMDs especially when comparing the virtual and real world against each other. The approach of this thesis is to look into the process of navigating both real and virtual spaces while using modern hardware and software. One of the key areas are the spatial and peripheral perception without which it would be difficult to navigate a given space. The influence of prior real and virtual experiences on these will be another key aspect. The final area of focus is the influence on the emotional state and how it compares to the real world. To research these influences a experiment using the Oculus Rift DK2 HMD will be held in which subjects will be guided through a real space as well as a virtual model of it. Data will be gather in a quantitative manner by using surveys. Finally, the findings will be discussed based on a statistical evaluation. During these tests the different perception of distances and room size will the compared and how they change based on the current reality. Furthermore, the influence of prior spatial activities both in the real and the virtual world will looked into. Lastly, it will be checked how real these virtual worlds are and if they are sufficiently sophisticated to trigger the same emotional responses as the real world.
This thesis presents an approach to optimizing the computation of soft shadows from area lights. The light source is sampled uniformly by traversing shadow rays as packets through an N-tree. This data structure stores an additional line space for every node. A line space stores precomputed information about geometry inside of shafts from one to another side of the node. This visibility information is used to terminate a ray. Additionally the graphics processing unit (short GPU) is used to speed up the computations through parallelism. The scene is rendered with OpenGL and the shadow value is computed on the GPU for each pixel. Evaluating the implementation shows a performance gain of 86% by comparison to the CPU, if using the GPU implementation. Using the line space instead of triangle intersections also increases the performance. The implementation provides good scaling with an increasing amount of triangles and has no visual disadvantages for many rays.
Deformable Snow Rendering
(2019)
Accurate snow simulation is key to capture snow's iconic visuals. Intricate
methods exist that attempt to grasp snow behaviour in a holistic manner. Computational complexity prevents them from reaching real-time performance. This thesis presents three techniques making use of the GPU that focus on the deformation of a snow surface in real-time. The approaches are examined by their ability to scale with an increasing number of deformation actors and their visual portrayal of snow deformation. The findings indicate that the approaches maintain real-time performance well into several hundred individual deformation actors. However, these approaches each have their individual restrictions handicapping the visual results. An experimental approach is to combine the techniques at reduced deformation actor count to benefit from the detailed, merged deformation pattern.
The development of a game engine is considered a non-trivial problem. [3] The architecture of such simulation software must be able to manage large amounts of simulation objects in real-time while dealing with “crosscutting concerns” [3,p. 36] between subsystems. The use of object oriented paradigms to model simulation objects in class hierarchies has been reported as incompatible with constantly changing demands during game development [2, p. 9], resulting in anti-patterns and eventual, messy refactoring.[13]
Alternative architectures using data oriented paradigms revolving around object composition and aggregation have been proposed as a result. [13, 9, 1, 11]
This thesis describes the development of such an architecture with the explicit goals to be simple, inherently compatible with data oriented design, and to make reasoning about performance characteristics possible. Concepts are formally defined to help analyze the problem and evaluate results. A functional implementation of the architecture is presented together with use cases common to simulation software.
Im Laufe der Zeit fallen in einem Unternehmen große Mengen von Daten und Informationen an. Die Daten stehen im Zusammenhang mit unternehmensinternen Vorgängen, mit dem Marktumfeld, in dem das Unternehmen positioniert ist, und auch mit den Wettbewerbern. Sie sind vielfältiger Art, normalerweise inhomogen und aus verteilten Datenquellen zu beziehen. Um in dieser Flut von Daten die Übersicht zu behalten, die Menge an Informationen effektiv für das Unternehmen nutzbar zu machen, vor allem auch nachhaltig für kommende Entscheidungsfindungen, müssen die Daten analysiert und integriert werden. Diese Optimierung der Entscheidungsfindung durch Zugang zu Informationen, deren Analyse und Auswertung wird häufig unter dem Begriff "Business Intelligence" zusammengefasst. Der Wert der vorhandenen Informationen hängt stark von dem erwähnten Zugang und einer ausdrucksstarken Repräsentation ab. RIA-Techniken ermöglichen eine einfache Verfügbarkeit der verarbeiteten Geschäftsdaten über Inter- und Intranet ohne große Anforderungen an ihre Nutzbarkeit zu stellen. Sie bieten zudem spezialisierte leistungsfähige und in großem Maße programmierbare Visualisierungstechniken. Die Diplomarbeit soll zwei Schwerpunkte habe. Zum Einen wird sie sich mit Arten der Informationsvisualisierung im Allgemeinen und deren Eignung für Geschäfsdaten beschäftigen. Der Fokus liegt hierbei auf Daten und Informationen in Management-Informationsberichten. Ziel ist eine Visualisierungsform, die es dem Nutzer ermöglicht, die zu kommunizierenden Informationen effizient auszuwerten. Zum anderen untersucht die Diplomarbeit die Vor- und Nachteile des Einsatzes von RIAs. Der Implementierungsteil umfasst eine RIA als "Proof of Concept", deren Hauptaugenmerk auf eine dynamische Interaktion und optimierte Informationsvisualisierung gerichtet sein soll. Die Diplomarbeit wird bei der Altran CIS in Koblenz durchgeführt.
Dynamisches Tone Mapping einer High Dynamic Range Echtzeit 3D-Umgebung mit der Grafik Hardware
(2007)
This thesis explores different approaches for the acceleration of raytracing calculations on the graphics processing unit (GPU). For that a voxel grid is used and extended by the linespace data structure. The linespace consists of direction based shafts and stores the objects located in those shafts in a candidate list. Different methods for the sorting and traversal of the linespace are presented and evaluated. The shown methods cannot provide a speed up of the frame rate without resulting in a loss of image quality.
Shadows add a level of realism to a rendered image. Furthermore, they support the user of an augmented reality application through the interactions of virtual objects. The reason for this is that shadows make it easier to judge the position and the size of a virtual object. In 1978, Lance Williams published the shadow mapping algorithm with the aim to render a shadow of objects in a virtual scene. This master thesis presents a modified shadow mapping approach that can additionally be used in Augmented/Mixed Reality applications. First of all the standard algorithm ist extended by a PCF-filter. This filter is used to handle the aliasing-problem on the edges of the shadow and also to soften the shadow. Phantom objects are necessary to be able to operate this approach in a Mixed Reality application. These objects simulate the position and the geometry of the real objects for the algorithm. The approach consists of three steps: First the camera image is drawn into the framebuffer. After that a shadow map, of the virtual objects only, is created. When rendering these objects shadow mapping creates the shadows of virtual objects onto other virtual objects and on themselves. Afterwards the phantom objects are rendered. The depth test is performed on the fragment shader. If a fragment lies in a shadowed region it will get the color of the shadow. However, if it is beeing lit its transpareny value will be set to 1 so that it will not be seen. By applying this procedure all shadows from the virtual objects onto the real objects will be drawn. The results show that the approach can be used in real time in Mixed Reality environments. Additionally a comparison with a modified version of a shadow volume algorithm that can also be used for Mixed Reality applications shows that the approach of this master thesis casts a more realistic shadow in a shorter period of time. All in all this approach increases the level of realism in augmented reality applications and it helps the user measure distances and sizes of the virtual objects more easily.
In dieser Diplomarbeit wurde eine Echtzeitanwendung entwickelt, die Gras darstellt und zugleich äußere Einflüsse wie Wind oder Kollisionen auf das Gras berücksichtigt. Ein Level-of-Detail-System ermöglicht die Darstellung und Physiksimulation einer großen Wiese in drei Stufen. Semi-transparente Texturquads zur Darstellung und Partikel mit Constraints an der Stelle der Graspatches stellen die feinste Detailstufe in allernächster Nähe zum Betrachter dar. Die Partikel, die nur auf der feinsten Detailstufe verwendet werden, werden mittels einer Physik-Engine berechnet und reagieren auf verschiedene Starrkörper. Die zweite Detailstufe besteht ebenfalls aus Texturquads, die um das erste Detaillevel herum generiert werden. Diese sind jedoch spärlicher verteilt, sehen auf Grund der Distanz zum Betrachter allerdings identisch mit denen aus der ersten Stufe aus. Als letzte Repräsentationsform von Gras kommt eine einfache Bodentextur zur Anwendung. Durch dieses Level-of-Detail-System ist es möglich eine unendlich große Wiese zu simulieren, da die Gräser zur Laufzeit generiert werden. Ein umfangreiches Benutzerinterface ermöglicht die Veränderung einiger Simulationsparameter in Echtzeit und die Generierung verschieden großer Rasenflächen. Zusätzlich lassen sich verschiedene Objekte in der Simulationsumgebung bewegen um die Kollisionsbehandlung testen zu können.
Diese Arbeit macht sich zur Aufgabe, das effiziente Navigieren in virtuellen Szenen näher zu betrachten, um bereits bestehende Navigationsmetaphern genauer zu erforschen und für unterschiedliche Einsatzgebiete anwendbar zu machen. Betrachtet werden Softwareprodukte für durchschnittliche Desktop-Benutzer, die mit Standard-Eingabegeräten arbeiten. Hierzu werden zunächst bestehende Navigationsmetaphern analysiert und Möglichkeiten der Benutzerperspektive sowie andere Hilfsmittel im Hinblick auf ihr aktuelles Anwendungsgebiet diskutiert. Anschließend wird ein theoretisches Testszenario erstellt, in dem alle analysierten Metaphern betrachtet und verglichen werden können. Ein Teil dieses Szenarios wird praktisch umgesetzt, in eine Testumgebung integriert und anhand von Benutzertests evaluiert. Zuletzt werden Möglichkeiten aufgezeigt, inwiefern die betrachteten Navigationsmetaphern in verschiedenen Einsatzgebieten sinnvoll und effizient anwendbar gemacht werden können.
In dieser Arbeit wurden effektive und flexible Ansätze zur Erstellung von Shaderprogrammen für grafikkartenbasiertes Volumenrendering untersucht sowie ein Framework mit diesem Einsatzzweck konzipiert und prototypisch umgesetzt. Dazu wurden zunächst Ansätze zur Metaprogrammierung von Shadern vorgestellt, die Programmiersprachen für Shader um zusätzliche Möglichkeiten zur Kapselung von Code erweitern. Eine Umfrage zu Anforderungen an Volumenrendering bei MEVIS zeigte, dass dort ein Shaderframework für Volumenrendering ein Expertenwerkzeug wäre.Der Analyseteil stellte die zentralen Anforderungen an das zu erstellende Framework vor: Erstellung von Shadern des Volumenrenderers mittels Rapid Prototyping, modularer Aufbau der Shaderprogramme, Eignung für verschiedene Volumenrendering-Algorithmen und die Möglichkeit detaillierter Anpassungen am Volumenrendering-Shader, um für den Einsatz durch Experten geeignet zu sein.
This bachelor thesis investigates the utilization of the Wii Balance Board
in virtual reality applications. For the investigation a snowboard game is
implemented, in which the virtual avatar can be controlled with the pressure
sensors of the Wii Balance Board. The user should be able to move
playfully and intuitively through the virtual environment by balancing his
body. The immersiveness and the influence on motion sickness and cybersickness
will be investigated. In Addition, the Wii Balance Board will be
compared with the Xbox Controller. The aim of the work is to evaluate
whether the Wii Balance Board is able to allow free movement in virtual
environments and whether it is more advantageous to use it rather than
a conventional controller. The results of the survey indicate that the Wii
Balance Board has a positive influence on the immersivness of the game,
despite better game results by using a conventional controller. The survey
also reveals that the use of the Wii Balance Board is responsible for more
motion-sickness/cybersickness cases.
A special challenge of the basic musical education of children is to give them an understanding of reading and writing musical scores. During the training of young choristers it is furthermore important to educate them in directly transforming the written scores into sounds.
Therefore it is an interesting idea to play the sounds to the children via piano or keyboard and simultaneously present them on a screen in musical notation.
The aim of this bachelor thesis is the implementation of such a system that allows to enter scores using a MIDI-compatible keyboard and then depicting these as musical notation. The prototype of the application operates in three steps. It receives the musical scores via keyboard in form of MIDIdatasets. These MIDI-information are converted to the MusicXML-format. Based on this MusicXML-notation the software finally generates and displays the visual output.
Diese Arbeit beschreibt den Entwurf und die Umsetzung einer prototypischen Android-Applikation zum Dokumentieren von Reiserouten. Nach einer kurzen Einführung in die grundlegenden Aspekte des Reisens, der notwendigen Hilfsmittel sowie das Betriebssystem Android wird das Konzept und die Anforderungen an die Anwendung vorgestellt. Anschließend werden die Realisierung der Implementierung erläutert und die Ergebnisse der Evaluation offengelegt.