Im Bereich der Computergraphik bilden die Nicht-Photorealistischen Renderingverfahren einen Schwerpunkt in der technischen und wissenschaftlichen Visualisierung, vor allem aber in den künstlerischen Bereichen. Verschiedene Kunststile, sowie Zeichenmaterialien und ihre Eigenschaften stellen unterschiedliche Herausforderungen dar. Eine dieser Herausforderungen ist hierbei die Simulation flüssiger Zeichenmittel. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Erstellung eines interaktiven Zeichensystems für ein flüssiges Zeichenmittel, der Aquarellmalerei. Für die Simulation wird eine raue Zeichengrundlage generiert, sowie die Fluid Simulation und das optische Farbverhalten der Aquarellmalerei implementiert.

This paper describes the robots TIAGo and Lisa used by team homer@UniKoblenz of the University of Koblenz-Landau, Germany, for the participation at the RoboCup@Home 2018 in Montreal, Canada. Further this paper serves as qualification material for the RoboCup-@Home participation in 2018. A special focus is put on novel system components and the open source contributions of our team. This year the team from Koblenz won the biggest annual scientianc robot competition in Montreal in the RoboCup@Home Open Platform track for the third time and also won the RoboCup@Home German Open for the second time. As a research highlight a novel symbolic imitation learning approach was demonstrated during the annals. The TIAGo robotic research platform was used for the first time by the team. We have released packages for object recognition, a robot face including speech synthesis, mapping and navigation, speech recognition interface via android and a GUI. The packages are available (and new packages will be released) on http://wiki.ros.org/agas-ros-pkg. Further information can be found on our project page http://homer.uni-koblenz.de.

Technologische Fortschritte auf dem Gebiet der integrierten Halbleitertechnik, die unter anderem auch zur gestiegenen Leistungsfähigkeit der Kamerasensoren beitragen, konzentrierten sich bisher primär auf die Schnelligkeit und das Auflösungsvermögen der Sensoren. Die sich ständig verändernde Entwicklung hat jedoch direkte Folgen auf das physikalische Verhalten einer Kamera und damit auch Konsequenzen für die erreichbare geometrische Genauigkeit einer photogrammetrischen 3D-Rekonstruktion. Letztere stand bisher nicht im Fokus der Forschung und ist eine Aufgabe, der sich diese Arbeit im Sinne der Photogrammetrie und Messtechnik stellt. Aktuelle Untersuchungen und Erfahrungen aus industriellen Projekten zeigen in diesem Zusammenhang, dass das geometrisch-physikalische Verhalten digitaler Kameras - für höchste photogrammetrische Ansprüche - noch nicht ausreichend modelliert ist. Direkte Aussagen zur erreichbaren Genauigkeit bei gegebener Hardware erweisen sich daher bislang als unzureichend. Ferner kommt es aufgrund der unpräzisen Modellierung zu Einbußen in der Zuverlässigkeit der erreichten Ergebnisse. Für den Entwickler präziser kamerabasierter Messverfahren folgt daraus, dass zu einer optimalen Schätzung der geometrischen Genauigkeit und damit auch vollständigen Ausschöpfung der Messkamera geeignete mathematische Modelle erforderlich sind, die das geometrisch physikalische Verhalten bestmöglich beschreiben. Diese Arbeit beschreibt, wie die erreichbare Genauigkeit einer Bündelblockausgleichung, schon a priori mithilfe des EMVA1288 Standards approximiert werden kann. Eine in diesem Zusammenhang wichtige Teilaufgabe ist die Schaffung einer optimalen Messanordnung. Hierzu gehören Untersuchungen der üblicherweise verwendeten Kalibrierkörper und die Beseitigung von systematischen Fehlern vor und nach der Bündelblockausgleichung. Zum Nachweis dieser Systematiken wird eine auf statistischem Lernen basierende Methode beschrieben und untersucht. Erst wenn alle genauigkeitsmindernden Einflüsse berücksichtigt sind, wird der Anteil des Sensors in den Messdaten sichtbar und damit auch mathematisch parametrisierbar. Die Beschreibung des Sensoreinflusses auf die erreichbare Genauigkeit der Bündelblockausgleichung erfolgt in drei Schritten. Der erste Schritt beschreibt den Zusammenhang zwischen ausgewählten EMVA1288-Kennzahlen und der Unsicherheit eines Grauwertes. Der zweite Schritt ist eine Modellierung dieser Grauwertunsicherheit als Zentrumsunsicherheit einer Zielmarke. Zur Beschreibung dieser Unsicherheit innerhalb der Bündelblockausgleichung wird ein stochastisches Modell, basierend auf dem EMVA1288-Standard, vorgeschlagen. Ausgehend vom Rauschen des Zielmarkenmittelpunktes wird im dritten Schritt die Unsicherheit im Objektraum beispielhaft mit Hilfe von physikalisch orientierten Simulationen approximiert. Die Wirkung der vorgeschlagenen Methoden wird anhand von Realkalibrierungen nachgewiesen. Abschließend erfolgt die Diskussion der vorgeschlagenen Methoden und erreichten Ergebnisse sowie ein Ausblick auf kommende Untersuchungen.

Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit war die Untersuchung verschiedener Methoden zur Ermittlung und Verbesserung der User Experience eines Softwareproduktes einer mittelständigen Firma. Hierzu wurde zunächst ein geeignetes Designkonzept und dazu passende Methoden der Evaluation und des Testings ermittelt und dann auf das Produkt angewendet. Mit dem Leitgedanken des User-Centered-Designs wurden Methoden ausgewählt, welche die Nutzerinnen/Nutzer ins Zentrum der Untersuchung stellten. So konnte mit Hilfe der Nutzerinnen/Nutzer des Produktes herausgefunden werden, wie die User-Experience ausfällt und wie diese noch verbessert werden kann. In einer Fokusgruppe sind Prototypen für die Verbesserung und Weiterentwicklung der Software entstanden. Diese Bachelorarbeit ist sowohl für Sofwaredesignerinnen/-designer, als auch für Studentinnen/Studenten der Mensch-Maschine-Kommunikation interessant.

The cytological examination of bone marrow serves as clarification of variations in blood smears. It is also used for the clarification of anemia, as exclusion of bone marrow affection at lymphoma and at suspicion of leukemia. The morphological evaluation of hematopoietic cells is the basis for the creation of the diagnosis and for decision support for further diagnostics. Even for experienced hematologists the manual classification of hematopoietic cells is time-consuming, error-prone and subjective. For this reason new methods in the field of image processing and pattern recognition for the automatic classification including preprocessing steps are developed for a computer-assisted microscopy system. These methods are evaluated by means of a huge reference database. The proposed image analysis procedures comprise methods for the automated detection of smears, for the determination of relevant regions, for the localization and segmentation of single hematopoietic cells as well as for the feature extraction and classification task. These methods provide the basis for the first system for the automated, morphological analysis of bone marrow aspirates for leukemia diagnosis and are therefore a major contribution for a better and more efficient patient care in the future.

In this bachelor thesis a system for the simulation of the movements of molecules is developed. The calculation of the forces between chemically bonded atoms as well as intermolecular forces is done almost entirely on the GPU. The visualization of the simulation happens at an interactive framerate. To achieve rendering in realtime on off-the-shelf graphics cards, apt optimizations and slight abstractions of the underlying physical models are needed. One can control the execution speed or completely stop the simulation at any given moment. Some of the parameters of the underlying physical models of the simulation can be modified at runtime. With the right settings for the parameters, some phenomena of molecular dynamics can be observed, for example the spacial structure of the molecules.

This thesis addresses the automated identification and localization of a time-varying number of objects in a stream of sensor data. The problem is challenging due to its combinatorial nature: If the number of objects is unknown, the number of possible object trajectories grows exponentially with the number of observations. Random finite sets are a relatively new theory that has been developed to derive at principled and efficient approximations. It is based around set-valued random variables that contain an unknown number of elements which appear in arbitrary order and are themselves random. While extensively studied in theory, random finite sets have not yet become a leading paradigm in practical computer vision and robotics applications. This thesis explores random finite sets in visual tracking applications. The first method developed in this thesis combines set-valued recursive filtering with global optimization. The problem is approached in a min-cost flow network formulation, which has become a standard inference framework for multiple object tracking due to its efficiency and optimality. A main limitation of this formulation is a restriction to unary and pairwise cost terms. This circumstance makes integration of higher-order motion models challenging. The method developed in this thesis approaches this limitation by application of a Probability Hypothesis Density filter. The Probability Hypothesis Density filter was the first practically implemented state estimator based on random finite sets. It circumvents the combinatorial nature of data association itself by propagation of an object density measure that can be computed efficiently, without maintaining explicit trajectory hypotheses. In this work, the filter recursion is used to augment measurements with an additional hidden kinematic state to be used for construction of more informed flow network cost terms, e.g., based on linear motion models. The method is evaluated on public benchmarks where a considerate improvement is achieved compared to network flow formulations that are based on static features alone, such as distance between detections and appearance similarity. A second part of this thesis focuses on the related task of detecting and tracking a single robot operator in crowded environments. Different from the conventional multiple object tracking scenario, the tracked individual can leave the scene and later reappear after a longer period of absence. Therefore, a re-identification component is required that picks up the track on reentrance. Based on random finite sets, the Bernoulli filter is an optimal Bayes filter that provides a natural representation for this type of problem. In this work, it is shown how the Bernoulli filter can be combined with a Probability Hypothesis Density filter to track operator and non-operators simultaneously. The method is evaluated on a publicly available multiple object tracking dataset as well as on custom sequences that are specific to the targeted application. Experiments show reliable tracking in crowded scenes and robust re-identification after long term occlusion. Finally, a third part of this thesis focuses on appearance modeling as an essential aspect of any method that is applied to visual object tracking scenarios. Therefore, a feature representation that is robust to pose variations and changing lighting conditions is learned offline, before the actual tracking application. This thesis proposes a joint classification and metric learning objective where a deep convolutional neural network is trained to identify the individuals in the training set. At test time, the final classification layer can be stripped from the network and appearance similarity can be queried using cosine distance in representation space. This framework represents an alternative to direct metric learning objectives that have required sophisticated pair or triplet sampling strategies in the past. The method is evaluated on two large scale person re-identification datasets where competitive results are achieved overall. In particular, the proposed method better generalizes to the test set compared to a network trained with the well-established triplet loss.

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.

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.

In this bachelor thesis a code for astrophysical self-gravitating fluid simulation is developed. The code runs mainly on the GPU. Minimal simplifications of the physical model and some parameters for accuracy and tuning allow simulations to be performed at interactive framerates on most modern consumer grade computers that feature a dedicated graphics card. It is used to simulate the birth of stars from a turbulent molecular cloud. Multiple features of star formation, like accretion discs and fragmentation, can be observed in the simulation, even when low particle counts are used.

In no other field of computer science has the hardware been evolved more quickly than in computer graphics. Therefore the GPU offers, aside from the pure rendering of triangles, a bunch of further pipeline steps that allows visualisation of other graphics objects, like freeform surfaces. This bachelor’s thesis is about the rendering of freeform surfaces, in particular bezier surfaces. For that reason an implementation for management and visualisation of bézier surfaces was created for the rendering framework of the university Koblenz (CVK). For this purpose first a triangulation was implemented and finally a tesselation of bezier surfaces with normals and texture coordinates, as well as the handling of trim curves.

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.

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.

In der Computergrafik stellte das echtzeitfähige Rendern von Haaren und Fell ein Problem dar. Die Berechnung der Beleuchtung, Schattierung und Transparenz erfordert einen hohen Rechenaufwand, welcher sich negativ auf die Performanz auswirkt. Doch durch verbesserte Hardware und neue Verfahren ist es möglich, solch komplexe Effekte in Echtzeit zu simulieren. In folgender Arbeit werden die Grundlagen des Renderings von Haaren erläutert. Außerdem wurde im Rahmen der Arbeit eine echtzeitfähige Demo implementiert, deren zugrunde liegende Verfahren und Funktionalitäten beschrieben werden. Um die Demo zu evaluieren wurde die mögliche Anzahl an Bildern pro Sekunde bei Modellen unterschiedlicher Komplexität gemessen. Schließlich wurden die Ergebnisse mit Bildern von echten Haaren verglichen.

Die vorliegende Masterarbeit thematisiert die Evaluation einer sprachgesteuerten Lösung in der Produktion mit multimodaler Eingabe. Dabei wurden die Usability und die Benut-zerfreundlichkeit eines gewählten Sprachdialogsystems bewertet. Die Bewertung wurde mit Hilfe von Benutzertests und eines modifizierten SASSI-Fragebogens durchgeführt. Weiterhin wurden auch technische Kriterien, wie die Wortfehlerrate und die Out-of-grammar Rate zur Hilfe gezogen. Für den Versuch wurden zwei verschiedene Szenarien aus einer realen Produktionsum-gebung definiert. Dabei sollten die Teilnehmer verschiedene Aufgaben mit Hilfe des Testsystems erledigen. Die Interaktion mit dem Sprachdialogsystem fand anhand von ge-sprochenen Befehlen statt, welche durch eine Grammatik definiert wurden. Die Sprach-kommandos wurden durch die Zuhilfenahme eines WLAN-Headsets an das Sprachsys-tem übertragen. Während des Versuchs wurden Aussagen der Teilnehmer protokolliert und die technischen Kriterien notiert. Das Ergebnis der Evaluation verdeutlicht, dass das Sprachdialogsystem eine hohe Quali-tät bezüglich Usability und Benutzerfreundlichkeit aufweist. Dabei sind die Wortfehler-rate und die Out-of-grammar Rate sehr niedrig ausgefallen und das System wurde von den Benutzern deutlich positiv bewertet. Nichtsdestotrotz wurden einige Kritikpunkte ge-nannt, die zu einer Verbesserung des Systems beitragen können.

This paper describes the robot Lisa used by team homer@UniKoblenz of the University of Koblenz Landau, Germany, for the participation at the RoboCup@Home 2016 in Leipzig, Germany. A special focus is put on novel system components and the open source contributions of our team. We have released packages for object recognition, a robot face including speech synthesis, mapping and navigation, speech recognition interface via android and a GUI. The packages are available (and new packages will be released) on http://wiki.ros.org/agas-ros-pkg.

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.

This thesis presents two methods for the computation of global illumination. The first is an extension of Reflective Shadow Maps with an additional shadow test in order to handle occlusion. The second method is a novel, bidirectional Light-Injection approach. Rays originating from the light source are traced through the scene and stored inside the shafts of the Linespace datastructure. These shafts are a discretization of the possible spatial directions. The Linespaces are embedded in a Uniform Grid. When retrieving this pre-calculated lightning information no traversal of datastructures and no additional indirection is necessary in the best-case scenario. This reduces computation time and variance compared to Pathtracing. Areas that are mostly lit indirectly and glas profit the most from this. However, the result is only approximative in nature and produces visible artifacts.

The market for virtual reality is rapidly evolving regarding its hardware components. Further applications are the result of this progress. In addition to the gaming market virtual reality offers further possibilities and advantages in research. That way this technology provides the investigation of perceptual phenomena. Therefore the present thesis aimed to examine the induced roelofs effect in a virtual environment and in reality in front of a computer screen. The roelofs effect describes a misperception that occurs if a persons midline and a target surrounding frame are offset, which results in a false localisation of the object. Thus the present study provides insight into the influence of a computer screen regarding this effect. Moreover, conclusions concerning the suitability of virtual reality in perceptual research are drawn. The results obtained by the virtual reality indicated a greater degree of perceptual distortion. Therefore the fixed frame of the computer screen can be assumed as an additional orientation.

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.

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.

In scientific data visualization huge amounts of data are generated, which implies the task of analyzing these in an efficient way. This includes the reliable detection of important parts and a low expenditure of time and effort. This is especially important for the big-sized seismic volume datasets, that are required for the exploration of oil and gas deposits. Since the generated data is complex and a manual analysis is very time-intensive, a semi-automatic approach could on one hand reduce the time required for the analysis and on the other hand offer more flexibility, than a fully automatic approach. This master's thesis introduces an algorithm, which is capable of locating regions of interest in seismic volume data automatically by detecting anomalies in local histograms. Furthermore the results are visualized and a variety of tools for the exploration and interpretation of the detected regions are developed. The approach is evaluated by experiments with synthetic data and in interviews with domain experts on the basis of real-world data. Conclusively further improvements to integrate the algorithm into the seismic interpretation workflow are suggested.

This thesis presents a novel technique in computer graphics to simulate realtime global illumination using path tracing. Path tracing is done with compute shaders on the graphics card (GPU) to perform rendering in a highly parallelized manner. To improve the overall performance of tracing rays, the Line Space is used as an acceleration data structure in different variations, resulting in better empty space skipping. The Line Space saves scene information based on a previous voxelization in direction-dependent shafts and is generated and traversed on the GPU. With this procedure, indirect lighting and soft shadows can be computed in a physically correct way. Furthermore, using the Line Space, path tracing can be performed mostly independent of the complexity of the scene geometry with over 100 frames per second, which is truly real-time and much faster than using a comparable voxel grid. The image quality is not affected negatively by this technique and the shadow quality is in most cases much better compared to shadow-mapping.

Augmented Reality has many areas of application. It can be used to simplify everyday life as well as working processes. However, since there are many manufacturers that offer greatly varying systems, choosing the correct system according to application as well as cross-platform development are dfficult. This thesis attempts to develop an application which can be used to simulate Augmented Reality devices on Virtual Reality systems. This should simplify the processes of choosing a system as well as cross-platform development. Since the simulation will be designed to run on mobile devices, it should be possible to render high quality, realistic environments in advance, using a panoramic image. On a Virtual Reality device, they need to be displayed as a stereoscopic image. To achieve this, several methods are presented that can be used to perform this conversion. An editor will be created which will allow the creation of scenes, configuration of Augmented Reality devices and displaying them on a Virtual Reality system. For closing this thesis a test will be performed, to check the quality of the simulation as well as improvements that can be made.

Ray Tracing als Bildsyntheseverfahren ist relevant für viele Anwendungsbereiche, da es Aspekte des Lichttransports physikalisch korrekt simulieren kann. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands sind der Einsatz von Datenstrukturen zur Beschleunigung und die parallele Verarbeitung notwendig. GPUs sind inzwischen hoch parallele, programmierbare Prozessoren mit zahlreichen Kernen und eignen sich aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit dazu, aufwändige, parallelisierbare Probleme zu lösen. In dieser Arbeit geht es um GPU Ray Tracing, beschleunigt durch Bounding Volume Hierarchien (BVH). Auf Basis relevanter Veröffentlichungen zu Aufbau und Traversierung von BVHs und der Abbildung des Ray Tracing Prozesses auf die GPU Architektur wird ein GPU Ray Tracer konzeptioniert und entwickelt. Während der BVH Aufbau vorab auf dem Host stattfindet, wird der gesamte Ray Tracing Prozess durch mehrere Kernel komplett auf der GPU ausgeführt. Die Implementierung der Kernel erfolgt in Form von OpenGL Compute Shader Programmen, und die Aufteilung des Ray Tracers auf mehrere Kernel ist durch die GPU Achitektur und das SIMT Ausführungsmodell motiviert. Für die Speicherorganisation der binären BVHs werden zwei Varianten betrachtet, klassisch und als MBVH, wobei sich die MBVH Organisation als effizienter erweist. Zudem werden verschiedene Varianten für die Traversierung ohne Stack und für die Stack-basierte Traversierung umgesetzt und bewertet. Der in mehrere Kernel strukturierte GPU Ray Tracer wird zudem mit einer Einzelkernel Version verglichen. Die besten Ergebnisse erreicht die Traversierung ohne Stack mit einem while-while Ablauf und MBVH im Rahmen des aufgeteilten GPU Ray Tracers.