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Institut
Konzept und Umsetzung eines E-Learning Nähkurses mit Integration von 3D-Modellen und Animationen
(2007)
Typischerweise erweitern Augmented Reality (AR)-Anwendungen die Sicht des Benutzers auf die reale Welt um virtuelle Objekte.
In den letzten Jahren hat AR zunehmend an Popularität und Aufmerksamkeit gewonnen. Dies hat zu Verbesserungen der benötigten Technologien geführt. AR ist dadurch für fast jeden zugänglich geworden.
Forscher sind dem Ziel einer glaubwürdigen AR, in der reale und virtuelle Welten nahtlos miteinander verbunden sind, einen großen Schritt näher gekommen. Sie konzentrieren sich hauptsächlich auf Themen wie Tracking, Anzeige-Technologien und Benutzerinteraktion und schenken der visuellen und physischen Kohärenz bei der Kombination realer und virtueller Objekte wenig Aufmerksamkeit. Beispielsweise sollen virtuelle Objekte nicht nur auf die Eingaben des Benutzers reagieren, sondern auch mit realen Objekten interagieren. Generell wird AR glaubwürdiger und realistischer, wenn virtuelle Objekte fixiert oder verankert in der realen Szene erscheinen, sich nicht von der realen Szene unterscheiden und auf Veränderungen dieser Szene reagieren.
Diese Arbeit untersucht drei Herausforderungen im Bereich Maschinelles Sehen um dem Ziel einer glaubwürdig kombinierten Welt näher zu kommen, in der virtuelle Objekte wie reale erscheinen und sich ebenso verhalten.
Diese Dissertation konzentriert sich als erstes auf das bekannte Tracking- und Registrierungsproblem. Hierzu wird die Herausforderung von Tracking und Registrierung diskutiert und ein Ansatz vorgestellt, um die Position und den Blickpunkt des Benutzers zu schätzen, so dass virtuelle Objekte in der realen Welt fest verankert erscheinen. Linienmodelle, die dem Erscheinungsbild entsprechen und nur für Trackingzwecke relevante Kanten beinhalten, ermöglichen eine absolute Registrierung in der realen Welt und ein robustes Tracking. Einerseits ist es nicht notwendig, viel Zeit in die manuelle Erstellung geeigneter Modelle zu investieren, andererseits ist das Tracking in der Lage mit Änderungen innerhalb des zu verfolgenden Objekts oder Szene umzugehen. Versuche haben gezeigt, dass die Verwendung von solchen Linienmodellen die Robustheit, Genauigkeit und Re-initialisierungsgeschwindigkeit des Tracking-Prozesses verbessert haben.
Zweitens beschäftigt sich diese Dissertation mit dem Thema der Oberflächenrekonstruk\-tion einer realen Umgebung und präsentiert einen Algorithmus zur Optimierung einer laufenden Oberflächenrekonstruktion. Vollständige 3D-Oberflächenrekonstruktionen einer Szene
eröffnen neue Möglichkeiten um realistischere AR-Anwendungen zu erstellen. Verschiedene Interaktionen zwischen realen und virtuellen Objekten, wie Kollisionen und Verdeckungen, können physikalisch korrekt behandelt werden. Während sich die bisherigen Methoden darauf konzentrierten die Oberflächenrekonstruktionen nach einem Aufnahmeschritt zu verbessern, wird die Rekonstruktion während der Aufnahme erweitert, Löcher werden geschlossen und Rauschen wird reduziert. Um eine unbekannte Umgebung zu erkunden muss der Benutzer keine Vorbereitungen treffen. Das Scannen der Szene oder eine vorhergehende Auseinandersetzung mit der zugrundeliegenden Technologie ist somit nicht notwendig.
In Experimenten lieferte der Ansatz realistische Ergebnisse, bei denen bekannte Oberflächen für verschiedene Oberflächentypen erweitert und Löcher plausibel gefüllt wurden.
Anschließend konzentriert sich diese Dissertation auf die Behandlung von realistischen Verdeckungen zwischen realer und virtueller Welt. Hierzu wird die Herausforderung der Verdeckung als Alpha Matting Problem formuliert. Die vorgestellte Methode überwindet die Grenzen moderner Methoden, indem ein Überblendungskoeffizienten pro Pixel der gerenderten virtuellen Szene schätzt wird, anstatt nur deren Sichtbarkeit zu berechnen. In mehreren Experimenten und Vergleichen mit anderen Methoden hat sich die Verdeckungsbehandlung durch Alpha Matting als robust erwiesen und kann mit Daten, die durch preiswerte Sensoren aufgenommen wurden, umgehen. Hinsichtlich der Qualität, des Realismus und der praktischen Anwendbarkeit übertrifft die Methode die Ergebnisse von bisherigen Ansätzen.
Des Weiteren kann die Methode mit verrauschten Tiefendaten umgehen und liefert realistische Ergebnisse in Regionen, in denen Vorder- und Hintergrund nicht strikt voneinander trennbar sind (z.B. bei Objekten mit einer undeutlichen Kontur oder durch Bewegungsunschärfe).
Die Leistungsfähigkeit moderner Graphikkarten steigt zur Zeit schneller an, als die von CPUs. Dabei kann diese Leistung nicht nur zur Darstellung von 3D Welten, sondern auch für allgemeine Berechnungen (GPGPU) verwendet werden. Diese Diplomarbeit untersucht daher, ob mit Hilfe der GPU Volumendaten schneller gefiltert werden können, als mit der CPU. Dies soll insbesondere am Beispiel von Rausch-Filtern, die auf Videosequenzen angewendet werden, untersucht werden. Dabei soll das Video als Volumen repräsentiert und mit Volumenfiltern gefiltert werden. So soll eine höhere Qualität und eine kürzere Berechnungszeit als mit herkömmlichen CPU und Frame-basierten Verfahren erreicht werden, insbesondere auch bei den z.Z. stark aufkommenden hochauflösenden HDTV-Standards. Das Framework soll jedoch nicht auf Videosequenz-Bearbeitung beschränkt sein, sondern so konzipiert werden, dass es z.B. in bestehende Volumenvisualisierungssysteme integriert werden kann. Das Ziel der Arbeit ist die Einarbeitung in die notwendigen theoretischen Grundlagen, daran anschließend die prototypische Implementierung des Frameworks mit abschließender Bewertung der erreichten Ergebnisse insbesondere der Geschwindigkeit im Vergleich zu existierenden Systemen.
Simulation von Schnee
(2015)
Physik-Simulationen erlauben die Erstellung dynamischer Szenen auf dem Rechner. Sie lassen die Computergrafik lebendig werden und finden unter anderem Anwendung in Film, Spiel und Ingenieurswesen. Durch GPGPU-Techniken kann diese Arbeit erstmals auf der Grafikkarte stattfinden. Die dynamische Simulation von Schnee ist ein Gebiet, das aufgrund seiner physikalischen Komplexität noch wenig erforscht ist. Die Materie-Punkt-Methode ist das erste Modell, dass in der Lage ist die Dynamik und verschiedenen Arten von Schnee darzustellen.
Die hybride Nutzung von Lagrange-Partikeln und einem kartesischen Euler-Gitter ermöglichen das Lösen der partiellen Differentialgleichungen. Die Partikel werden dazu auf die Gitterknoten transformiert. Durch Anwendung der Finite-Elemente-Methode auf das Gitter können Gradienten zur Aktualisierung der Geschwindigkeit berechnet werden. Die Geschwindigkeiten werden dann auf die Partikel zurückgewichtet, um diese in der Simulation voranschreiten zu lassen. Gepaart mit einem spezifischen Materialmodell wird die dynamische Natur von Schnee erlangt. Diese schließt Kollision und Bruch mit ein.
Diese Bachelorarbeit verbindet die kürzlich erschienenen GPGPU-Techniken von OpenGL mit der Materie-Punkt-Methode, um die verschiedenen Schneearten dynamisch, visuell ansprechend und effizient zu simulieren
Mit dem Aufkommen von Head-Mounted Displays (HMDs) der aktuellen Generation erlangt Virtual Reality (VR) wieder großes Interesse im Feld von medizinischer Bildgebung und Diagnose. Exploration von CT oder MRT Daten in raumfüllender Virtual Reality stellt eine intuitive Anwendung dar. Allerdings gilt in Virtual Reality, dass das Aufrechterhalten einer hohen Bildwiederholungsrate noch wichtiger ist als bei konventioneller Benutzerinteraktion, die sitzend vor einem Bildschirm erfolgt. Es existieren starke wissenschaftliche Hinweise, die nahelegen, dass geringe Bildwiederholungsraten und hohe Latenzzeit einen starken Einfluss auf das Auftreten von Cybersickness besitzen. Diese Abschlussarbeit untersucht zwei praktische Ansätze, um den hohen Rechenaufwand von Volumenrendering zu überkommen. Einer liegt in der Ausnutzung von Kohärenzeigenschaften des besonders aufwändigen stereoskopischen Rendering Set-ups. Der Hauptbeitrag ist die Entwicklung und Auswertung einer neuartigen Beschleunigungstechnik für stereoskopisches GPU Raycasting. Zudem wird ein asynchroner Renderingansatz verfolgt, um das Ausmaß von Latenz im System zu minimieren. Eine Auswahl von Image-Warping Techniken wurden implementiert und systematisch evaluiert, um die Tauglichkeit für VR Volumenrendering zu bewerten.
Diese Arbeit vermittelt einen grundlegenden Überblick über die Funktionsweise und Implementierung von aktuellen Voxelisierungsstrategien auf der GPU. Neben etablierten Voxelisierungsverfahren mithilfe der Rasterisierungspipeline werden neue Möglichkeiten mithilfe von GPGPU-Programmierung untersucht. Auf der Basis der Programmiersprache C++ und der Grafikbibliothek OpenGL wird die Implementierung mehrerer Verfahren erläutert.rnDie Verfahren werden hinsichtlich der Performanz und der Qualität der Voxelisierung verglichen und im Bezug auf mögliche Anwendungsfälle kritisch bewertet. Weiterhin werden zwei Beispielanwendungen beschrieben, in denen die Verwendung einer voxelisierten Szene eine Erweiterung von bestehenden Echtzeitgrafikverfahren ermöglicht. Zu diesem Zweck werden die Konzepte und die Implementierungen von Transmittance Shadow Mapping und von Reflective Shadow Mapping, das um voxelbasierte Umgebungsverdeckung erweitert wird, erläutert. Abschließend wird die anhaltende Relevanz von Voxelisierung in einem Ausblick auf aktuelle Forschungen und weitere Anwendungen und Erweiterungen der vorgestellten Verfahren aufgezeigt.
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.
Simulation von Schnee
(2019)
Mit Hilfe von Physiksimulationen lassen sich viele
Naturphänomene auf dem Rechner nachbilden. Ziel ist, eine physikalische
Gegebenheit möglichst korrekt zu berechnen, um daraus Schlüsse für die
reale Welt zu ziehen. Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Medizin,
die Industrie, aber auch Spiele oder Filme.
Schnee ist aufgrund seines physikalischen Aufbaus und seinen Eigenschaften
ein sehr komplexes Naturphänomen. Um Schnee zu simulieren, müssen
verschiedene Materialeigenschaften beachtet werden.
Die wichtigste Methode, die sich mit der Simulation von Schnee und seiner
Dynamik befasst, ist die Material-Point-Method. In ihr werden die auf
der Kontinuumsmechanik basierenden Lagrange-Partikel mit einem kartesischen
Gitter vereint. Das Gitter ermöglicht die Kommunikation zwischen
den eigentlich nicht verbunden Schneepartikeln. Zur Berechnung werden
Daten der Partikel auf die Gitterknoten übertragen. Dort werden Berechnungen
mit Informationen über benachbarte Partikel durchgeführt. Die Ergebnisse
werden danach zurück auf die Partikel übertragen.
Durch GPGPU-Techniken lassen sich physikalische Simulationen auf der
Grafikkarte implementieren. Verfahren wie die Material-Point-Method lassen
sich durch diese Techniken gut parallelisieren.
Diese Arbeit geht auf die physikalischen Grundlagen der Material-Point-
Method ein, und implementiert diese mit Hilfe von Compute-Shadern auf
der Grafikkarte. Anschließend werden Performanz und Qualität bewertet.
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.
Die Raytracing-Beschleunigung durch dedizierte Datenstrukturen ist schon lange ein wichtiges Thema der Computergrafik. Im Allgemeinen werden dafür zwei unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen: räumliche und richtungsbezogene Beschleunigungsstrukturen. Die vorliegende Arbeit stellt einen innovativen kombinierten Ansatz dieser beiden Bereiche vor, welcher weitere Beschleunigung der Strahlenverfolgung ermöglicht. Dazu werden moderne räumliche Datenstrukturen als Basisstrukturen verwendet und um vorberechnete gerichtete Sichtbarkeitsinformationen auf Basis von Schächten innerhalb einer originellen Struktur, dem Line Space, ergänzt.
Im Laufe der Arbeit werden neuartige Ansätze für die vorberechneten Sichtbarkeitsinformationen vorgeschlagen: ein binärer Wert, der angibt, ob ein Schacht leer oder gefüllt ist, sowie ein einzelner Vertreter, der als repräsentativer Kandidat die tatsächliche Oberfläche approximiert. Es wird gezeigt, wie der binäre Wert nachweislich in einer einfachen, aber effektiven Leerraumüberspringungs-Technik (Empty Space Skipping) genutzt wird, welche unabhängig von der tatsächlich verwendeten räumlichen Basisdatenstruktur einen Leistungsgewinn beim Raytracing von bis zu 40% ermöglicht. Darüber hinaus wird gezeigt, dass diese binären Sichtbarkeitsinformationen eine schnelle Technik zur Berechnung von weichen Schatten und Umgebungsverdeckung auf der Grundlage von Blockerapproximationen ergeben. Obwohl die Ergebnisse einen gewissen Ungenauigkeitsfehler enthalten, welcher auch dargestellt und diskutiert wird, zeigt sich, dass eine weitere Traversierungsbeschleunigung von bis zu 300% gegenüber der Basisstruktur erreicht wird. Als Erweiterung zu diesem Ansatz wird die repräsentative Kandidatenvorberechnung demonstriert, welche verwendet wird, um die indirekte Lichtberechnung durch die Integration von kaum wahrnehmbaren Bildfehlern signifikant zu beschleunigen. Schließlich werden Techniken vorgeschlagen und bewertet, die auf zweistufigen Strukturen und einer Nutzungsheuristik basieren. Diese reduzieren den Speicherverbrauch und die Approximationsfehler bei Aufrechterhaltung des Geschwindigkeitsgewinns und ermöglichen zusätzlich weitere Möglichkeiten mit Objektinstanziierungen und starren Transformationen.
Alle Beschleunigungs- und Speicherwerte sowie die Näherungsfehler werden gemessen, dargestellt und diskutiert. Insgesamt zeigt sich, dass durch den Line Space eine deutliche Erhöhung der Raytracing Leistung auf Kosten eines höheren Speicherverbrauchs und möglicher Annäherungsfehler erreicht wird. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen damit die Leistungsfähigkeit des kombinierten Ansatzes und eröffnen weitere Möglichkeiten für zukünftige Arbeiten.