Institut für Computervisualistik
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In dieser Arbeit wird das Echtzeitrendering von Wolken von der Theorie bis hin zur Entwicklung derselben behandelt. Dabei sollen die visuellen Eigenschaften der Wolken sowie die unterschiedliche Wolkentypen simuliert werden. Dabei ist die Berechnung der Beleuchtung essentiell für ein glaubwürdiges Ergebnis. Die Rendertechniken nutzen dabei unterschiedliche Noise-Texturen; für die Modulierung der Wolken sind es hauptsächlich Perlin- und Perlin-Worley-Texturen. Das Rendern der Wolken wird per Compute-Shader durchgeführt um die Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten. Um die Performance zu steigern, werden Temporal Reprojektion und andere Optimierungstechniken angewendet.
Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Implementation einer virtuellen Realitätserfahrung. Ziel ist es, zwei Fragen zu beantworten: Ist es möglich, eine immersive virtuelle Anwendung zu erschaffen, die hauptsächlich Impulse und Trigger benutzt, um Angst und Schrecken bei den Benutzern zu erzeugen? Zweitens, ist diese Immersion ausreichend, die Benutzer so zu illusionieren, dass sie die virtuelle Welt für die Reale halten. Zur Erschaffung dieser Erfahrung wurde die Programmierumgebung Unity3D sowie Visual Studios 2017 verwendet. Um festzustellen, ob diese VR-Anwendung tatsächlich immersiv für den Anwender ist, wurde ein Experiment mit sieben Probanden durchgeführt. Nach der Spieltestung wurden die Probanden zu Ihren Erfahrungen mittels eines Fragebogens befragt. Es konnte dadruch gezeigt werden, dass diese Anwendungen Tendenzen zur Immersion aufweisen. Jedoch waren sich die Benutzer der Situation, in der sie sich befanden, stets bewusst. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Immersion nicht stark genug war, um die Probanden bezüglich der virtuellen und realen Welt zu täuschen.
In dieser Bachelorarbeit wird ein System zur Kameratracking implementiert, dass auf Basis eines Partikelfilters arbeitet. Dazu wird ein Markertracking realisiert und anhand der Markerposition die Kameraposition errechnet. Der Marker soll mit ein Partikelfilter gefunden werden und um das zu bewerkstelligen werden mögliche Markerpositionen simuliert, auch Partikel genannt, und mit Likelyhood Funktionen gewichtet. Fokus liegt auf der Evaluation von verschiedenen Likelyhood-Funktionen des Partikelfilters. Die Likelyhood-Funktionen wurden in CUDA umgesetzt als Teil der Implementation.
Diese Arbeit behandelt die Konzeption und Implementation eines Action-Rollenspiels mithilfe der Game Engine Unity. Im Rahmen einer Evaluation sollte das Spiel hinsichtlich der Bedienbarkeit der integrierten Steuerungsarten, der visuellen Überzeugung der Animationen und der Benutzerfreundlichkeit über zur Verfügung gestellte Hilfsmittel und Visualisierungen bewertet werden. Zusätzlich sollten Schwachstellen und Probleme im Spiel über offenes Feedback herausgefunden werden. Die Auswertung der Evaluation ergab, dass das Spiel im Hinblick auf die Bedienbarkeit und Benutzerfreundlichkeit zwar noch ausbaufähig ist, aber insgesamt einen guten Eindruck bei den Probanden hinterlassen hat.
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.
In dieser Bachelorarbeit geht es um den Einsatz des Wii Balance Boards
in -Realität-Anwendungen. Als Anwendungsbeispiel wird ein Snowboard
Spiel implementiert, in dem der virtuelle Avatar mit den Drucksensoren
des Wii Balance Board gesteuert werden kann. Der Anwender soll mit seiner
Körperbalancierung, spielerisch und intuitiv in der virtuellen Umgebung
manövrieren. Es werden die Immersion und der Einfluss auf Motion-
Sickness beziehungsweise Cybersickness erforscht. Außerdem wird dasWii
Balance Board mit dem Xbox Controller verglichen was die Steuerung betrifft.
Ziel der Arbeit ist es zu evaluieren, ob das Wii Balance Board in
der Lage ist, freies Bewegen in der virtuellen Umgebung zu ermöglichen.
Außerdem soll untersucht werden, welcher der beiden Geräte vorteilhafter
ist. Die Umfrageergebnisse laufen darauf hinaus, dass das Wii Balance
Board einen wesentlich positiveren Einfluss auf die Immersion hat, als der
Controller, trotz der besseren Spielergebnisse. Außerdem hat die Untersuchung
ergeben, dass die Verwendung des Wii Balance Board viel häufiger
für Motion-Sickness und Cybersickness Fälle verantwortlich ist.
Simulation von Rauch
(2019)
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Simulation von Rauch mittels einem Partikelsystem. Hierbei werden die Möglichkeiten untersucht Rauch möglichst realistisch in einem Partikelsystem zu implementieren und in Echtzeit berechnen zu lassen. Die physikalische Simulation basiert dabei auf den Arbeiten von Müller und Ren, welche sich mit den physikalischen Eigenschaften von Fluiden und Gasen beschäftigen. Die Simulation wurde mittels C++, OpenGL und der in OpenGL verfügbaren Compute-Shader auf der GPU implementiert. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk darauf gelegt, dass diese möglichst performant ist. Hierfür werden Techniken von Hoetzlein benutzt um das Partikelsystem zu beschleunigen. Daraufhin wurden zwei Beschleunigungsverfahren implementiert und werden noch gegenübergestellt. Dabei werden die Laufzeit, sowie verbrauchter Speicherplatz der GPU betrachtet.
Die Mitralklappe ist eine der vier Herzklappen des Menschen. Sie befindet sich in der linken Herzkammer und agiert als ein unidirektionales Ventil, welches den Blutfluss vom linken Atrium zum linken Ventrikel steuert. Eine funktionierende Mitralklappe verhindert den Rückfluss von Blut in den Lungenkreislauf, wodurch sie einen unverzichtbaren Anteil zu einem gesunden Herzkreislauf beiträgt. Pathologien der Mitralklappe können eine Reihe von Symptomen hervorrufen, welche in ihrer Schwere von Brustschmerzen und Ermüdung bis zum Lungenödem (dem Eindringen von Flüssigkeit in die Lunge) reichen können. Im schlimmsten Fall kann dieses zum Atemversagen führen.
Dysfunktionale Mitralklappen können mithilfe komplexer chirurgischer Eingriffe wiederhergestellt werden, welche in hohem Maße von intensiver Planung und präoperativer Analyse profitieren. Visualisierungstechniken eröffnen die Möglichkeit, solche Vorbereitungsprozesse zu unterstützen und können zudem einer postoperativen Evaluation dienlich sein. Die vorliegende Arbeit erweitert die Forschung in diesem Bereich. Sie stützt sich auf patientenspezifische Segmentierungen der Mitralklappe, wie sie am Deutschen Krebsforschungszentrum entwickelt werden. Solche Segmentierungen resultieren in 3D-Modellen der Mitralklappe. Der Kern dieser Arbeit wird sich mit der Konstruktion einer 2D-Ansicht dieser Modelle befassen. Die 2D-Visualisierung wird durch Methoden der globalen Parametrisierung erzeugt, welche es erlauben, bijektive Abbildungen zwischen einem planaren Parameterraum und Oberflächen in höheren Dimensionen zu erstellen.
Eine ebene Repräsentation der Mitralklappe ermöglicht Ärzten einen unmittelbaren Blick auf deren gesamte Oberfläche, analog zu einer Karte. Dies erlaubt die Begutachtung der Fläche und Form ohne die Notwendigkeit unterschiedlicher Blickwinkel. Teile der Klappe, die in der 3D-Ansicht von Geometrie verdeckt sind, werden in der 2D-Darstellung sichtbar.
Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist die Untersuchung verschiedener Visualisierungen der 3D- und 2D-Mitralklappenrepräsentationen. Merkmale der Klappe können durch Assoziation mit spezifizierten Farbschemata hervorgehoben werden. So können zum Beispiel Pathologie-Indikatoren direkt vermittelt werden.
Qualität und Wirkungsgrad der vorgestellten Methoden wurden in einer Studie am Universitätsklinikum Heidelberg evaluiert.
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.
Innerhalb dieser Arbeit wird die Theorie des Video-Seethroughs anhand einer Panoramaerstellung aus mehreren Kamerabildern verschiedener Perspektiven grundlegend dargestellt. Darauf basierend wurde ein System konzipiert und umgesetzt, bei dem Videostreams durch perspektivische Verzerrung zu einem Panoramabild zusammengesetzt werden. Anschließend wird dieses auf die Innenseite eines Zylinders projiziert, in dessen Mitte sich die virtuelle Position des Betrachters befindet. Schließlich
sollen die entstandenen Videopanoramen in einer VR-Brille dargestellt werden. Innerhalb der Implementierung werden außerdem einige Optimierungen vorgestellt, unter anderem solche, die das System - über die Aufgabenstellung hinaus - echtzeitfähig machen. Des Weiteren wird das erarbeitete
System bewertet und mit zwei anderen Verfahren verglichen.
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Konzeption, Implementierung und Evaluation eines Jump'n'Run Spiels und der Betrachtung des Einflusses von Erfolgssystemen auf Spieler. Im Spiel Age of Tunes spielt man Bardur, den bartlosen Barden und muss versuchen, die verfluchten magischen Geschöpfe in der Welt Harmonica zu befreien. Der Schwerpunkt der Arbeit lag bei der sauberen Konzeption und schrittweisen Entwicklung des Spiels, ansprechender graphischer Qualität, Einbindung von Gegnern, einem Minispiel und der Betrachtung von Auswirkungen eines Erfolgssystems auf Spieler. In einer abschließenden Evaluation konnten das Spiel und das Verhalten bezüglich der Erfolge bewertet werden.
Diese Bachelorarbeit beschreibt die Konzeption, Implementierung und Evaluation einer spielerischen Augmented Reality-Anwendung für mobile Endgeräte. Aufbauend auf dem ARCore SDK wurde das Spiel pARcours entwickelt, bei dem der Spieler virtuelle Objekte in der realen Umgebung platzieren kann, um sich so seinen eigenen Parcours aufzubauen. Dieser muss mit einem ebenfalls virtuellen Flugobjekt absolviert werden. Der Schwerpunkt bei der Umsetzung des Spiels lag auf der Interaktion mit den virtuellen Objekten und deren Kollisionserkennung mit realen Oberflächen. Weiterhin wurden verschiedene Eingabemöglichkeiten für das Aufbauen der Parcours und die Steuerung der Flugobjekte untersucht. Durch eine abschließende Evaluation konnten sowohl das Spiel und die verschiedenen Eingabemethoden als auch ARCore in Bezug auf die Entwicklung von Augmented Reality-Anwendungen bewertet werden.
Raytracing von NURBS
(2019)
NURBS sind eine Art von Splines, die besondere Eigenschaften besitzen.
Das ray tracen von NURBS ist eine der Darstellungsmöglichkeiten von NURBS.
Dies ist durch das konkrete berechnen von Schnittpunkten mit Strahlen
möglich. Durch die vielseitige Möglichkeiten der Modellierung mittels NURBS
sind diese beliebt in Anwendungen die im Maschinenbau verwendet werden
und auch anderen CAD-Programmen. Diese Arbeit befasst sich mit der
Berechnung von NURBS-Kurven und -Oberflächen, dem direkten rendern
von diesen und wägt ab ob sich der Aufwand dafür im Vergleich zu Tesselierung
lohnt.
Eine genaue Schneesimulation ist der Schlüssel zur Erfassung der charakteristischen Visualisierung von Schnee. Aufwendige Methoden existieren, die versuchen Schneeverhalten ganzheitlich zu ergreifen. Die Rechenkomplexität dieser Ansätze hindert sie daran, Echtzeitfähigkeit zu erreichen. Diese Arbeit stellt drei Methoden vor, die unter Verwendung der GPU eine echtzeitfähige Deformation einer Schneeoberoberfläche darstellen. Die Ansätze werden hinsichtlich ihrer wahrheitsgetreuen Schneedarstellung untersucht und nach ihrer Fähigkeit, mit einer zunehmenden Anzahl von schneeverformenden Objekten zu skalieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methoden bei mehreren hunderten schneeverformenden Objekten ihre Echtzeitfähigkeit beibehalten. Jedoch benachteiligen die charakteristischen Einschränkungen jener Methoden die visuellen Resultate. Ein experimenteller Ansatz ist es, die Anzahl der schneeverformenden Objekte zu reduzieren und durch Zusammenfügen der Methoden ein genaueres, kombiniertes Verformungsmuster zu erzeugen.
Ziel dieser Arbeit ist es, ein einfaches Konzept zur Überwachung von Hunden, die mehrere Stunden alleine zu Hause sind, zu entwickeln. Die prototypische Implementierung einer solchen„DogCam“ kann als Proof of Concept angesehen werden. Die Grundlage für die Implementierung des Prototypen sind die im Rahmen einer Anforderungsanalyse herausgearbeiteten Anforderungen. Weiterhin zeigt die vorliegende Arbeit auf, welche Verbesserungen und Erweiterungen der prototypischen „DogCam“ möglich sind und welche ähnlichen Projekte bereits existieren.
Ziel dieser Bachelorarbeit war es, in die Musiknoten-Erkennungs Software AudiVeris eine Bildvorverarbeitung einzubauen, damit auch aus fehlerbehafteten Notenbildern Daten extrahiert werden können. Der Ablauf startet mit einer Binarisierung durch ein regionales Otsu Verfahren. Daraufhin wird das Notenblatt nach etwaigen Krümmungen abgesucht, wie sie z.B. eine Buchfalz verursachen würde. Dazu wird die Hough-Transformation zur Linienfindung und der K-Means-Algorithmus zur Cluster-Detektion verwendet. Aufbauend wird das Notenbild unter Benutzung der gefundenen Krümmung geebnet.
Ist es möglich, allein mittels VR-Headset bei Nutzern Immersion zu
erzeugen? Zur Beantwortung dieser Frage werden zwei Simulationen einer
Achterbahnfahrt ohne haptisches Feedback mittels der Unreal Engine
4.20.3 für ein HTC-Vive VR Headset entwickelt und implementiert. Die
zweite Simulation unterscheidet sich von der ersten durch die Darbietung
außergewöhnlicher Ereignisse während der Fahrt, für die vermutet wird,
dass sie das Immersionserleben verstärken. Elf Probanden nahmen an der
Untersuchung teil. Die Auswertung eines Fragebogens zur Erfassung der
Intensität der Immersion und der Antworten auf offenen Fragen zeigt, dass
Immersion in beiden Simulation erfolgreich erzeugt werden konnte. Manche
Merkmale der Simulation vertieften bei einzelnen Probanden das immersive
Erleben, bei anderen dagegen nicht. Die Bedeutung der Ergebnisse
und Optimierungsmöglichkeiten für künftige Studien werden diskutiert.
Die folgende Bachelorarbeit gibt einen Überblick über verschiedene Ansätze und Verfahren zur prozeduralen Generierung von dreidimensionalen Stadtmodellen. Dabei wird vor allem die Nutzung generativer Grammatiken näher untersucht und in einer eigens implementierten Anwendung integriert. Der Schwerpunkt war es, ein vorgegebenes, primäres Straßennetz einzubinden und darauffolgend ein sekundäres Straßennetz sowie verschiedene Gebäude prozedural zu generieren. Die Anwendung ermöglicht es, umfangreiche und unterschiedlich strukturierte Stadtmodelle auf effiziente Weise zu erzeugen. Hinsichtlich des Realismus und Variantenreichtums weisen die Ergebnisse jedoch Grenzen auf.
Um realistische Bewegungsabläufe zu simulieren, müssen Muskeln anatomisch korrekt modelliert werden können. Bisher ist es in SimPack nur möglich, Muskeln als gerade Linie zwischen zwei Punkten zu definieren. In dieser Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, bei dem Ellipsen definiert werden können, durch die ein Muskel laufen muss. Dabei entsteht vor allem das Problem, die Länge dieses Muskels durch die Ellipsen zu berechnen. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der den kürzesten Weg eines Muskelpfades durch diese Ellipsen berechnet. Dieser Algorithmus wird anschließend in Fortran 90 umgesetzt und in ein bestehendes Muskelmodell in SimPack integriert.
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.
Global-Illumination ist eine wichtige Komponente beim Rendering von realistischen Bildern. Der Rechenaufwand für die akkurate Simulation dieser Effekte ist jedoch zu hoch für die Berechnung in Echtzeit. In dieser Arbeit werden Light-Propagation-Volumes, Scren-Space-Reflections und mehrere Varianten von Screen-Space-Ambient-Occlusion als Lösungen für Echtzeitrendering untersucht. Es wird gezeigt, dass alle schnell genug für den Einsatz in Echtzeitanwendungen sind. Die einzelnen Techniken approximieren nur einige Aspekte des Transports von Licht, ergänzen sich jedoch gegenseitig.
In keinem Bereich der Informatik hat sich die Hardware so rasant entwickelt wie im Bereich der Computergrafik. So können wir heute komplexe, geometrische Szenen in Echtzeit in immersiven Systemen darstellen und auch aufwendige Simulationen integrieren.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Simulation von Farbspritzern in einer virtuellen Welt zu realisieren. Hierzu wird mithilfe von Unity eine Anwendung umgesetzt, die drei verschiedene Techniken verwendet, mit denen die Umgebung mithilfe von Farbspritzern eingefärbt werden kann. Auf Basis dieser Anwendung werden die Grenzen und Möglichkeiten der Techniken in virtuellen Umgebungen genauer untersucht.
Diese Untersuchung zeigt, dass eine inverse Projektion die besten Ergebnisse vorweist.
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.