Studienarbeit
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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.
Die Motivation für diese Arbeit bestand darin, den Studierenden in den Rechnerpools der Universität Koblenz die Möglichkeit zu geben, mit der Simulationssoftware VNUML (Virtual Network User Mode Linux) zu arbeiten. Eingesetzt wird diese Software in den Vorlesungen und Übungen zu Rechnernetzen I und II, was eine Anwendung der Software für die Studenten unumgänglich macht. In der Vergangenheit gab es jedoch immer wieder Probleme bei der Installation und Einrichtung auf den privaten Rechnern, obwohl in früheren Studienarbeiten mehrfach vereinfachte Installationsroutinen entwickelt worden waren. Ein weiteres Problem für die Verwendung von VNUML stellt auch die Tatsache dar, dass die Software nur in einer Linux-Umgebung lauffähig ist. Da aber nicht alle Studierenden das Betriebssystem Linux benutzen und viele vor einer Installation allein zur Verwendung von VNUML zurückschrecken, war es schon länger angedacht, diese Software an den Rechnern der Universität zur Verfügung zu stellen. In dieser Arbeit wird der Prozess beschrieben, wie eine Installation der VNUML-Software in den Rechnerpools möglich war, welche Probleme dabei aufgetreten sind und welche Alternativen zur gewählten Vorgehensweise möglich gewesen wären. Das Ergebnis bietet auch eine sehr einfache Installation für den privaten Anwender, ohne dass hierfür eine eigenständige Linux-Installation nötig wäre. Auch wurden während der Entwicklung immer weitere Verbesserungen vorgenommen, welche die Anwenderfreundlichkeit der endgültigen Lösung weiter erhöhten. Die Möglichkeiten und Ideen sind dabei auch so vielfältig, dass sich die Arbeitsgruppe noch weiter mit diesem Thema beschäftigen wird und weitere Optimierungen vorgenommen werden können.
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.
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.
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.
Die Studienarbeit soll eine Vorstellung davon vermitteln, in welcher ökonomischen Größenordnung Kopierschutzmaßnahmen anzusiedeln sind. Es wird erläutert, dass die Wirksamkeit von Schutzmechanismen neben der eigentlichen Funktionalität einen ausschlaggebenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit eines Produktes nimmt. Dieser Grundsatz liegt in der Verantwortung der Softwarehersteller. Gesetzliche Rahmenbedingungen im Urheberrecht regeln den Umgang mit digitalen Gütern von staatlicher Seite aus. Das Zusammenspiel der beiden Institutionen, Staat und Privatunternehmen, wird in dieser Arbeit untersucht. Beschrieben wird ein Überblick über Schutzmechanismen von Computerspielen, indem die aktuell gebräuchlichen Kopierschutzmechanismen in ihrer Funktionsweise und Wirksamkeit vorgestellt werden. Ein anschließender Vergleich soll Aufschluss auf mögliche Unterschiede oder Gemeinsamkeiten geben. Anhand der hierbei gewonnenen Erkenntnisse folgt dann eine kritische Beurteilung mit einem Ausblick auf zukünftige Trends und Entwicklungen zur Vermeidung der Softwarepiraterie. Diese Arbeit soll nicht als Anleitung zur Softwarepiraterie missverstanden werden und soll auch nicht als Anregung dazu missbraucht werden.