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- Institut für Computervisualistik (282) (remove)
MoleARlert is the result of a study-project of the Computer Graphics Working Group of the University of Koblenz-Landau. The project was led by Prof. Dr. Stefan Müller and Dipl.-Inf. Stefan Rilling. The system has been devolped by twelve students. This paper describes the developed system and focuses on the further developments made by the author in order to improve the degree of maturity of the system. Another important aspect of this work is the realtime access to a webcam from the open source 3D game engine OGRE.
Diese Arbeit soll das von Dietz und Oppermann entwickelte Planspiel „Datenschutz 2.0“ an den heutigen Alltag der Schüler anpassen, die Benutzung in der Sekundarstufe II ermöglichen und die technischen und gesetzlichen Problematiken des Planspiels beheben. Das mit dem Planspiel aufgegriffene Thema Datenschutz ist im rheinland-pfälzischen Informatik-Lehrplan für die Sekundarstufe II verankert. Hier wird der Begriff Datenschutz in der Reihe „Datenerhebung unter dem Aspekt Datenschutz beurteilen“ genannt. Jedoch werden in dem Planspiel keine Daten erhoben, sondern die selbst hinterlassenen Datenspuren untersucht. Diese Form des Datenschutzes ist im Grundkurs in der vorgeschlagenen Reihe „Datensicherheit unter der Berücksichtigung kryptologischer Verfahren erklären und beachten“ unter dem Thema Kommunikation in Rechnernetzen zu finden. Im Leistungskurs steht die Datensicherheit in gleichbenannter Reihe und Thema und in der Reihe „Datenerhebung unter dem Aspekt Datenschutz beurteilen“ im Thema Wechselwirkung zwischen Informatiksysteme, Individuum und Gesellschaft.
VR Fresken
(2018)
Das Projekt VR Fresken setzte sich zum Ziel, mit Hilfe von virtueller Realität im Rahmen einer Museumsausstellung historisch rekonstruierte Räume und deren Deckenfresken interaktiv erlebbar zu machen. In dieser Arbeit werden die eingesetzten Techniken und Technologien beleuchtet, der Anwendungsfall der VR für den Einsatz im Museum untersucht, sowie eine Evaluation der Software im Alltagsbetrieb im Museum durchgeführt.
Für die realistische Betrachtung einer virtuellen Szene spielt neben der direkten Beleuchtung auch die Ausbreitung des indirekten Lichtes eine wichtige Rolle. Die Berechnung der indirekten Beleuchtung benötigt grundsätzlich Informationen über die gesamte Szene, nicht nur über den für die Kamera sichtbaren Ausschnitt, der in bildraumbasierten Techniken zum Einsatz kommt. Mittels Voxelisierung kann die Szene in eine dreidimensionale, diskrete und GPU-freundliche Repräsentation überführt werden. In dieser Arbeit werden Voxelrepräsentationen hinsichtlich ihrer Eignung für den globalen Lichtaustausch in dynamischen und großen Szenen untersucht. Nach einer Einführung und einem Literaturüberblick über existierende Voxelisierungs- und Beleuchtungsverfahren, die Voxel als Grundlage nutzen, wird ein Voxelisierungsverfahren entwickelt, das sich für Szenen mit dynamischen Objekten eignet. Auf der Grundlage des Strahlenschnitt-Tests mit binärer Voxelhierarchie werden dann zwei Beleuchtungsalgorithmen umgesetzt, implementiert und evaluiert: Monte-Carlo-Integration der Hemisphäre eines Szenenpunktes und Beleuchtung der Szenenpunkte mit virtuellen Punktlichtquellen.
Volumetrische Beleuchtung
(2018)
Volumetric lighting is a common lighting phenomena in nature and carries an important role in the realistic appearance of computergenerated images. This thesis explains the physical background of this phenomena and lists common modells for visualising volumetric lighting in Computergraphics. Following this, this thesis compares three methods for visualising volumetric lighting with modern graphics hardware and compares these according to their abilities, restrictions and performance in an OpenGL implementation.
live video performances at cultural events since 2005. Until now, we have been developing single video-performance applications that mostly met the demands of a certain project. What we did not achieve so far is a) a modular software design and, b) a feature for deskewing planar surfaces that are projected at a non perpendicular angle (assuming the use of visual projectors). This paper deals with solving the first problem by desiging a modular framework and the second problem by implementing an user-friendly module for deskewing planar surfaces. The deskewing process is completely manual, letting the user edit the coordinates of the surfaces" cornerpoints by dragging the points with the mouse. For this, the cornerpoints" x- and y-values are manipulated and the z-value is left constant. While in this way, the 3D-interaction with a 2D-interface can be avoided, the exclusivley two-dimensional transformation of planar surfaces introduces undesired texture-mapping artifacts produced by the triangulation-based rendering of graphic-cards. In order to avoid these artifacts, a selected method called "adaptive subdivision" is presented that corrects the introduced rendering errors.
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.
Virtueller Dirigent
(2016)
Ihm Rahmen einer Bachelorarbeit wurde eine "Virtual Reality"-Anwendung entwickelt. Ein Benuzter erhält die Möglichkeit die Rolle eines Dirigenten zu übernehmen und ein virtuelles Orchester zu leiten. Die Leitung erfolgt mit Hilfe von Handgesten. Mithilfe einer Evaluation der Anwendung wurden allgemeine Anforderungen an "Virtual Reality"-Spiele festgehalten.
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.
This thesis imparts a general view of the mechanics and implementation of latest voxelization strategies using the GPU. In addition to established voxelization procedures using the rasterization pipeline, new possibilities arising from GPGPU programming are examined. On the basis of the programming language C++ and the graphics library OpenGL the implementation of several methods is explained. The methods are compared in terms of performance and quality of the resulting voxelization and are evaluated critically with regards to possible use cases. Furthermore, two exemplary applications are detailed that use a voxelized scene in such a way that the augmentation of established techniques of real time graphics are facilitated. To this end, the concepts and the implementations of Transmittance Shadow Mapping and of Reflective Shadow Mapping utilizing a voxel based ambient occlusion effect is explained. Finally, the prolonging relevance of voxelization is put into prospect, by addressing latest research and further enhancements and applications of the presented methods.
Diese Arbeit behandelt einen Vergleich verschiedener Algorithmen zur Vorhersage der Bewegung einer Person bei der Ausführung einer sportlichen Aktivität. Als Grundlage für die Vorhersage dienen Bildströme, welche mittels zweier Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet wurden. Im Laufe der Arbeit werden Vor- und Nachteile der umgesetzten Ansätze theoretisch erläutert und anschliessend an einer Reihe von Messergebnissen nachgewiesen. Für die Messungen wurde eine Anwendung eingesetzt, welche ebenfalls im Rahmen der Arbeit entwickelt wurde. Neben realen Aufnahmen, wurden zusätzlich synthetische Bildfolgen betrachtet, um Erkenntnisse über das Verhalten der betrachteten Algorithmen unter optimalen Bedingungen zu erlangen.
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.
Für diese Studienarbeit können zwei Schwerpunkte genannt werden. Einerseits sollten verschiedene Verfahren zur Fluchtpunktschätzung aus Wissenschaft und Forschung eingänglich untersucht und erörtert werden. Dies im Hinblick auf ein detaillierteres Analyseverfahren, das die Möglichkeit bietet, mehrere Gebäudeseiten automatisiert entzerren zu können. Andererseits sollten sich die gewünschten Verbesserungen in das bereits vorhandene Gesamtsystem des Projekts Ornamente eingliedern, um so das Endergebnis der Klassifizierung von Ornamenten zu verbessern. Daraus entstanden die in Kapitel 1 genannten Hauptaufgaben. Neben dem TAM-Verfahren, dass im vorhandenen Teilprozess der Entzerrung bereits zum Einsatz kam, wurde in Kapitel 2 das Verfahren KHT nach Tuytelaars beschrieben. Ansätze der KHT waren im Bestehenden zu erkennen, wie sich während der anfänglichen Einarbeitung in das Themengebiet Fluchtpunktfindung und dem Gesamtsystem der Ornamentklassifizierung herausstellte. Allerdings waren einige Aspekte, wie sie von Tytelaars et al. in [TGPM98] zur KHT beschrieben sind, nicht enthalten. Der erste Lösungsansatz zur Entzerrung von mehreren Gebäudeseiten bestand darin, die KHT unabhängig von allen Prozessen des Gesamtsystems zu implementieren, um so die Genauigkeit der Fluchtpunktdetektion zu erhöhen. Mit dieser detaillierteren Fluchtpunktfindung sollte das bereits bestehende Modul der Entzerrung zu besseren Ergebnissen führen. Um die Entzerrung für sich alleine nutzen zu können, musste sie vorerst von der vorhandenen Fluchtpunktschätzung isoliert werden. Während der in Kapitel 3 beschriebenen Umstrukturierung und Trennung der beiden Prozesse wurde das eigentliche Problem der Verarbeitung von mehreren Gebäudeseiten erkannt. Nicht die Fluchtpunkte und die Verfahren für ihre Detektion sind ausschlaggebend, weitere Ebenen im Bild erkennen zu können. Vielmehr verhindert dies der fehlende Rückschluss von extrahierten Kanten auf die Lage, Größe und Anzahl der im Bild vorhandenen Gebäudeseiten. Wären hierzu Informationen bekannt, könnten, wie auch für ornamentale Bereiche, ROIs festgelegt werden, die mit einer hohen Wahrscheinlichkeit eine abgegrenzte Gebäudeseite beinhalten. Um diese daraufhin zu entzerren, kann das jetzt isolierte Programm zur Entzerrung genutzt werden. Die KHT umzusetzen, wurde als Lösungsweg verworfen und der eigene Lösungsansatz "Level of Detail" aus Kapitel 3 wurde entwickelt. Die entstandenen Programme wurden wie gefordert in PUMA, der "Programmierumgebung für die Musteranalyse" eingebunden. Wie die Test aus Kapitel 4 jedoch zeigen, konnte damit keine Verbesserung erzielt werden.
Global-Illumination is an important part of the rendering of realistic images. However, the computational complexity of an accurate simulation of these effects is too high for the use in real time applications. In this paper Light-Propagation-Volumes, Screen-Space-Reflections and multiple variants of Screen-Space-Ambient-Occlusion are investigated as a solution for real time rendering. It is shown that they are fast enough for the use in real time applications. The various techniques approximate only a few aspects of the light transport, but complement each other.
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.
There are a few systems high and low-cost ones for gaze tracking. Normally low-cost systems go in hand with low-resolution cameras. Here the image quality is poor, so the algorithms for detecting the gaze have to work more precisely. But how to test and analyse them correctly, when there is a bad image quality and no reference point known? The idea of this work is, to generate synthetic eye images, where the reference points are known, because they are mainly manually set and then to test and analyse the algorithms with these synthetic images. By switching on features like gaussian noise or a second glint-like reflection point, it is possible to stepwise approximate the synthetic images close to reality. In fact the experiments will lead to an improvement of the algorithms used in a low-resolution system environment.
In the context of augmented reality we define tracking as a collection of methods to obtain the position and orientation (pose) of a user. By means of various displaying techniques, this ensures a correct visual overlay of graphical information onto the reality perceived. Precise results for calculation of the camera pose are gained by methods of image processing, usually analyzing the pixels of an image and extracing features, which can be recognized over the image sequence. However, these methods do not regard the process of image synthesis or at least in a very simplyfied way. In contrast, the class of model-based methods assumes a given 3D model of the observed scene. Based on the model data features can be identified to establish correspondences in the camera image. From these feature correspondences the camera pose is calculated. An interesting approach is the strategy of analysis-by-synthesis, regarding the computer graphics rendering process for extending the knowledge about the model by information from image synthesis and other environment variables.
In this thesis the components of a tracking system are identified and further it is analyzed, to what extend information about the model, the rendering process and the environment can contribute to the components for improvement of the tracking process using analysis-by-synthesis. In particular, by using knowledge as topological information, lighting or perspective, the feature synthesis and correspondence finding should lead to visually unambiguous features that can be predicted and evaluated to be suitable for stable tracking of the camera pose.
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.
Die Computergrafik befasst sich mit der Erzeugung von virtuellen Bildern. Im Bereich der 3D-Computergrafik werden die dargestellten Objekte im dreidimensionalen Raum beschrieben. Dazu bedient man sich diverser Generierungsverfahren. Einer dieser so genannten Renderer ist das Raytracing-Verfahren. Es erfreut sich in der Computergrafik wegen der erreichten Bildqualität bei ueberschaubarer Komplexität großer Beliebtheit. Dabei wird versucht, immer realistischere Ergebnisse zu erreichen. In der Vergangenheit wurde Raytracing deswegen beispielsweise um globale Beleuchtungsmodelle oder um reflektierende beziehungsweise um transparente Objekte erweitert. Dabei wurde aber ein wichtiger Punkt häufig vernachlässigt, welcher ebenfalls den Grad an Realismus deutlich erhöhen kann: die Kamera. Meistens geht man auch heutzutage von einem vereinfachten Lochkameramodell aus. Aus diesem Grund genügen solche Modelle nicht den Ansprüchen physikalisch-korrekter Renderingverfahren. Eine wirklich umfassend korrekte Abbildung von Szenen darf also nicht vernachlässigen, dass ein generiertes Bild durch ein Linsensystem noch einmal entscheidend beeinflusst wird. In dieser Arbeit wird deswegen ein physikalisch korrektes Kameramodell vorgestellt, welches die geometrischen Eigenschaften des Linsensystems berücksichtigt und die Belichtung auf der Bildebene korrekt berechnet.
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.
Die moderne Bildgebung in der Medizin arbeitet oft mit Daten höheren Tonwertumfangs. So haben beispielsweise Bilder aus CT-Geräten einen Dynamikbereich von 12 Bit, was 4096 Graustufen entspricht. Im Bereich der photorealistischen Computergrafik und zunehmend in der Bildverarbeitung sind Bilddaten viel höheren Tonwertumfangs üblich, die als HDR-Bilder (High Dynamic Range) bezeichnet werden. Diese haben eine Bittiefe von 16, oftmals sogar 32 Bit und können dadurch sehr viel mehr Informationen speichern, als herkömmliche 8-Bit-Bilder. Um diese Bilder auf üblichen Monitoren darstellen zu können, muss man die Bildinformation auf den Tonwertumfang des Ausgabegerätes abbilden, was man als Tonemapping bezeichnet. Es existieren zahlreiche solcher Tonemapping-Verfahren, die sich durch ihre Arbeitsweise, Geschwindigkeit und visuelle Qualität unterscheiden lassen. Im Rahmen dieser Studienarbeit sollen Tonemapping-Verfahren auf medizinische Bilddaten angewendet werden. Dabei soll sowohl die visuelle Qualität, als auch die Geschwindigkeit im Vordergrund stehen.
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.
Zur Erstellung von 3-D-Oberflächenmodellen real existierender Objekte wird häufig sehr teure Hardware eingesetzt, z.B. 3-D-Laser-Range-Scanner. Da diese keine Grauwert- oder Farbinformationen erfassen können, muss das Objekt zur Wiedergabe farbiger Strukturen zusätzlich abfotografiert und mit den Bildern registriert werden. Die Arbeit entwickelt demgegenüber ein Verfahren zum Einsatz eines kalibrierten Stereokamerasystems. Aus den erhaltenen Sequenzen zweidimensionaler Stereobilder kann ein texturiertes 3-D-Mesh rekonstruiert werden. Im Vergleich zum Einsatz eines Scanners ist dieses Verfahren zwar weniger genau, aber dafür preisgünstiger, platzsparend und schneller einsetzbar. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden die Fusionierung der Tiefenkarten und die Erstellung eines texturierten Meshs aus diesen.
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.
This bachelor thesis implements a system for camera tracking based on a particle filter. For this purpose, a marker tracking is realized and the camera position is calculated based on the marker position. The marker is to be found with a particle filter and in order to accomplish this possible marker positions are simulated, also called particles, and weighted with Likelyhood-Functions. The focus lies on the evaluation of different Likelihood-Functions of the particle filter. The Likelyhood functions were implemented in CUDA as part of the implementation.
Szeneneditor für ein Echtzeitanimationssystem und andere XML konfigurierte und erweiterbare Systeme
(2006)
In dieser Arbeit werden jeweils ein Verfahren aus den beiden Bereichen der Bildregistrierung implementiert und beschrieben. Eine direkte und eine merkmalsbasierte Methode werden verglichen und auf ihre Grenzen hin überprüft. Die implementierten Verfahren funktionieren gut und registrieren beide verschiedene Bildserien subpixelgenau. Bei der direkten Methode ist vor allem die Wahl des Transformationsmodells ausschlaggebend. Auch das Einbetten der Methode in eine Gaußpyramidenstruktur hat sich als wichtig herausgestellt. Da die merkmalsbasierte Methode aus verschiedenen Komponenten aufgebaut ist, kann jeder einzelne Schritt durch unterschiedliche Verfahren ausgetauscht werden, so z.B. die Detektion der Merkmale durch Tomasi-Kanade, SIFT oder Moravec. In der direkten Methode kann die Genauigkeit der Ergebnisse zum einen durch den gewählten Schwellwert und zum anderen durch die Anzahl der Pyramidenstufen beeinflusst werden. Bei der merkmalsbasierten Methode wiederum können unterschiedlich viele Merkmale benutzt werden, die einen unterschiedlich hohen Schwellwert besitzen können. Es wird gezeigt, dass beide Methoden zu guten Ergebnissen führen, wenn davon ausgegangen wird, dass die Verschiebung sowie die Rotation gering sind. Bei stärkeren Veränderungen jedoch wird die direkte Methode recht ungenau, während die merkmalsbasierte Methode noch gute Ergebnisse erzielt. An ihre Grenze gerät sie erst, wenn entweder der Bildinhalt sich stark ändert, oder die Rotationen einen Winkel von 20° überschreitet. Beide Verfahren arbeiten also subpixelgenau, können aber unter verschiedenen Voraussetzungen zu Ungenauigkeiten führen. Werden die jeweiligen Probleme der beiden Methoden beachtet und am besten bei der Aufnahme oder vor der Registrierung eliminiert, so können sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Stylized image triangulation
(2019)
Stylized image triangulation is a popular tool of image processing. Results can be found on magazine covers or bought as a piece of art. Common use cases are filters by mobile apps or programs dedicated to automated triangulation. This thesis is based upon a paper that achieves new results formulating the adaptive dynamic triangulation as optimization problem. With this approach, new results concerning visual and technical quality are accomplished. One aim of this thesis is to make this approach accessible to as many users as possible. To reach users, a mobile app called Mesh is designed and implemented. A client-host-system is presented which relieves the app from computing the result requiring a lot of resources. Therefore, transferring the approach to a CPU based solution is part of the thesis. Also, a webserver is implemented that handles the communication between app and algorithm. “Mesh” enables the user to send a arbitrary image to the server whose result can be downloaded.
Part of the research deals with optimizing the method. As the main step, the gradient descent method, which minimizes an approximation error, is examined with three different approaches re-defining the movement of a point: The limitation of the directions of movement in a meaningful manner, diagonal directions and a dynamically repositioning of points are analyzed. Results show no improvement of visual quality using diagonal instead of horizontal and vertical steps. Disallowing a point to take its last position, the limitation of step opportunities results in a loss of visual quality but reaches an intended global error earlier. The dynamically repositioning rests upon a vectorbased solution that weights the directions and applies a factor to each of them. This results in a longer computational time but also in a higher visual quality.
Inspired by the work of Josh Bryan, another part of research aims at imitating an artists style. With the use of pseudo-random events combined with a geometryshader, a more natural look shall be achieved. This method illustrates a way of adding minor details to a rendering. To imitate an artist's work, a more complex and more precise triangulation is needed. As the last aspect, a renderstyle is presented. The style uses a center for its effect moving the triangles of a triangulation apart. The arbitrary choice of placing the centrum enables the renderstyle to be used in animations.
One of the greatest goals in computer graphics is the aesthetic representation of objects. In addition to conventional methods, another field focuses on non-photorealistic renderings. The so-called example-based rendering is an area where users can transfer their art style to a pre-computed 3D rendering, using a hand-painted template. There are some algorithms that already provide impressive results, but their problem is that most of these procedures count as offline methods and are not able to produce results in real-time. For this reason, this work show a method that satisfies this condition. In addition, the influence of the run-time reduction on the results is investigated. Requirements are defined, to which the method and its results are examined. Other methods in this field are referenced and compared with their results.
In dieser Arbeit wird ein System zur Erzeugung und Darstellung stereoskopischen Video-Panoramen vorgestellt. Neben der theoretischen Grundlagen werden der Aufbau und die Funktionsweise dieses Systems erläutert.
Dazu werden spezielle Kameras verwendet, die Panoramen aufnehmen
können und zur Wiedergabe synchronisiert werden. Anschließend wird ein Renderer implementiert, welcher die Panoramen mithilfe einer VirtualReality Brille stereoskopisch darstellen kann. Dafür werden separate Aufnahmen für die beiden Augen gemacht und getrennt wiedergegeben. Zum Abschluss wird das entstandene Video-Panorama mit einem Panorama eines schon bestehenden Systems verglichen.
Die folgende Arbeit soll einen Überblick über bestehende Lösungen zur Interaktion in Erweiterten Realitäten (Augmented Reality) schaffen. Hierzu werden anhand dreier grundlegender Betrachtungsweisen unterschiedliche Interaktionskonzepte und -umsetzungen sowohl von der technischen, als auch von der konzeptuellen Seite her, vorgestellt. Neben Fragen der Visualisierung werden unterschiedliche Typen von Benutzungsschnittstellen vorstellt. Den größten Teil nehmen die drei typischen Interaktionsaufgaben Selektion- und Manipulation, Navigation und Systemkontrolle und die damit verbundenen Interaktionstechniken ein. Die Inhalte des Arbeitsberichts beschränken sich auf den Einsatz von Interaktionelementen in Augmented Reality Umgebungen. Dies geschieht in Abgrenzung zu Forschungsarbeiten auf dem Gebiet zu Interaktionstechniken in Virtual Reality Umgebungen (vollimmersiv oder auch desktoporientiert). Zwar standen und stehen viele Interaktionstechniken aus dem Bereich VR in der AR Pate, doch haben sich gerade im Bereich der AR neue Techniken und Konzepte entwickelt. Folglich sollen VR Techniken nur dann betrachtet werden, wenn Sie in AR Anwendungen angewendet wurden bzw. wenn ihre Anwendung sinnvoll erscheint.
Die Studienarbeit analysiert mit Hilfe einer erweiterten Balancetheorie die Relationen des Roboters zu den Personen im Kamerabild und den Personen untereinander. Es wurde gezeigt, dass die Abstraktion der Balancetheorie auf eine konkrete Anwendung übertragen werden kann. Allerdings muss die Theorie erweitert und teilweise eingeschränkt werden, um sie flexibler, aber gleichzeitig passend zur Anwendung zu gestalten. Dadurch wird die theoretische Grundlage, auf der die Arbeit beruht, ebenfalls verändert. Damit diese Modifikationen nicht den Rahmen der psychologischen Grundlage verlassen, müssen sie wiederum mit psychologischen Mitteln untersucht werden. Das würde allerdings den Umfang dieser Arbeit überschreiten, aber bietet ein Ansatz für eine interdisziplinäre Zusammenarbeit der Psychologie und Robotik. Die Interaktion und das Verhalten der Maschinen nach menschlicher Vorlage zu gestalten, ist für beide Disziplinen von Interesse. Im Kontext der Entwicklung einer ausreichenden Interaktion zwischen der Maschine und dem Menschen, wäre es interessant zu erforschen, welche sozialen Merkmale detektiert werden müssten, zum Beispiel im Spektrum der Mimik. Darüberhinaus ermöglicht die Recognize-Pipeline ein Ansatz, die Interaktion über das Kamerabild hinaus zu verfolgen. Dadurch kann der Roboter das Gesicht mit vergangenen Interaktionen assoziieren und dem entsprechend agieren. Allerdings bedarf die Pipeline-Struktur weiterer Arbeit. So werden bestehende Datenbanken über ein Gesicht nicht mit neuen Bildern erweitert, so fern sie notwendig sind. Auch kann keine automatische Korrektur erfolgen, falls fehlerhafte Informationen in die Datenbank gelangen. So kann es vorkommen, dass das selbe Gesicht zwei unterschiedliche IDs erhält, wenn das Gesicht nicht wiedererkannt wird. Auch können sehr ähnliche Gesichter zusammenfallen zu einer ID. Solche Fehler müssten für eine stabile Anwendung selbständig korrigierbar sein.
The animation of models has become an important part in different areas of everyday life. It is a demanding task for computer graphics to generate
a natural deformation of organic models. Skinning is a common method to animate models without animating each vertex individually. The skin of the model deforms automatically by manipulating individual bones of a skeleton.
This bachelor thesis deals with the most common algorithm, linear blend skinning and aims to find some optimizations regarding the visual effect
and performance. Additionally it presents certain instancing methods which are combined with the skinning methods in the application to show the advantages and disadvantages of the latter.
The present work starts with an introduction of methods for three-dimensional curve skeletonization. Different kinds of historic and recent skeletonization approaches are analysed in detail. Later on, a state-of-the-art skeletonization algorithm is introduced. This algorithm deals as a basis for the own approach presented subsequently. After the description and definition of a new method improving the state-of-the-art algorithm, experiments are conducted to get appraisable results. Next, a ground truth is described which has been set up manually by humans. The human similarity evaluations are compared with the results of the automatic computer-based similarity measures provided by the own approach. For this comparison, standard evaluation criteria from the field of information retrieval have been used.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung einer Simulationsumgebung zur Darstellung von Objekten im Weltraum und ihrer gravitativen Wechselwirkung zu einander.
Vorab werden in Kapitel 1 Motivation und Zielsetzung der Arbeit erläutert, des Weiteren werden die verwendeten Werkzeuge benannt. Die nötigen astronomischen Grundlagen werden in Form von Begriffserklärungen und der Vorstellung der dieser Arbeit zugrunde liegenden physikalischen Gesetze in Kapitel 2 beschrieben.
Kapitel 3 befasst sich mit dem Aufbau der einzelnen Klassen. Hier wird insbesondere auf die Berechnung der Positionen und Geschwindigkeiten der simulierten Himmelskörper und den Aufbau und die Funktionsweise der verwendeten Elemente der Graphikengine Ogre3D eingegangen.
Im Kapitel 4 wird der Einsatz des Werkzeugs 3ds Max zur Erstellung der Geometrieobjekte und Materialien erläutert.
Abschließend wird in Kapitel 5 ein Fazit gezogen und mögliche zukünftige Erweiterungen erwogen.
This work presents an application for simulation objects, which can change their aggregate states between solid and liquid using a temperature system. The focal points are the simulation of fluids with a particle system, the generation of a surface and the visualization of metal. The application should be interactive and match the real time conditions. Different types of Shader are used for the parallelized computations on the GPU. Also more options to use the application and possible improvements are presented.
Simulation von Schnee
(2015)
Physic simulations allow the creation of dynamic scenes on the computer. Computer generated images become lively and find use in movies, games and engineering applications. GPGPU techniques make use of the graphics card to simulate physics. The simulation of dynamic snow is still little researched. The Material Point Method is the first technique which is capable of showing the dynamics andrncharacteristics of snow.
The hybrid use of Lagrangian particles and a regular cartesian grid enables solving of partial differential equations. Therefore articles are transformed to the grid. The grid velocities can then be updated with the calculation of gradients in an FEM-manner (finite element method). Finally grid node velocities are weight back to the particles to move them across the scene. This method is coupled with a constitutive model to cover the dynamic nature of snow. This include collisions and breaking.
This bachelor thesis connects the recent developments in GPGPU techniques of OpenGL with the Material Point Method to efficiently simulate visually compelling, dynamic snow scenes.
Simulation von Schnee
(2019)
Using physics simulations natural phenomena can be replicated
with the computer. The aim is to calculate a physical feature as correclty as
possible in order to draw conclusions for the real world. Fields of Application
are, for example, medicine, industry, but also games or films.
Snow is a very complex natural phenomenon due to its physical structure
and properties. To simulate snow, different material properties have to be
considered.
The most important method that deals with the simulation of snow and its
dynamics is the material point method. It combines the Lagrangian particles
based on continuum mechanics with a Cartesian grid. The grid enables
communication between the snow particles, which are not actually connected.
For calculation of particles data is transferred from these particles to
the grid nodes. There, calculations are carried out with information about
neighboring particles. The results are then transferred back to the original
particles. Using GPGPU techniques, physical simulations can be implemented
on the graphics card. Procedures like the material point method
can be parallelized well with these techniques.
This paper deals with the physical basics of the material point method and
implements them on the graphics card using compute shaders. Then performance
and quality are evaluated.
Simulation von Rauch
(2019)
This bachelor thesis deals with the simulation of smoke in a particle
system. Here the possibilities are investigated to implement smoke as
realistically as possible in a particle system and to calculate it in real time.
The physical simulation is based on the work of Müller and
Ren, who deal with the physical properties of fluids and gases.
The simulation was implemented on the GPU using C++, OpenGL and
the compute shaders available in OpenGL. Special attention was paid
to the performance of the simulation. Hoetzlein techniques are
used to accelerate the particle system. Two acceleration methods were
then implemented and compared. The runtime, but also the used memory
space of the GPU is discussed.
In this work has been examined, how the existing model of the simulation of cables and hoses can be advanced. Therefore an investigation has been made on the main influences to the shape simulation and the factors of constraints and side conditions were analyzed. For the validation of the accuracy, the simulation has to be compared to real specimen behavior. To obtain a very precise digitalization of the shape, the choice was made to use a laser scanner that converts the pointcloud into a .vrml file which can be imported into the simulation environment. The assumption was that the simulation method itself has the highest impact to the simulated shape. This is why the capabilities of the most sophisticated methods have been analyzed. The main criterion for the success of a simulation approach proved not to be accuracy, as expected. Process integration and usability showed to be of higher interest for the efficient exertion. Other factors like the pricing, the functionality and the real-time capability were assayed as well. The analyzed methods are based on the solution of the equations of elasticity with different ways of discetization, finite-elements and a spring-impulse-system. Since the finite-element-system takes several minutes for the computation of the shape and the spring-impulse-system reacts retarded on user manipulation, the competitiveness of these approaches is low. The other methods distinguish more in real-time performance, data interfaces and functionality than in accuracy. For the accuracy of a system, the consideration of other factors proved to be very important. As one of these main factors, the accurate assignment of the material properties was indicated. Until the start of this work, only the finite-element-approach dealt with this factor, but no documentation or validation is provided. In the publications of the other methods, the material properties are estimated to obtain a plausible simulation shape. Therefore the specific material values of real specimen have been measured and assigned to the simulation. With the comparison to the real shape it has been proven that the accuracy is very high with the measured properties. Since these measurements are very costly and time consuming, an investigation on a faster and cheaper way to obtain these values has been made. It has been assumed that with the knowledge of the cross-section it should be possible to compute the specimen behavior. Since the braid distribution changes individually from specimen to specimen, a more general way to obtain the values needed to be found. The program composer has been developed, where only the number of the different braids and the taping is entered. It computes with very high precision the stiffness, the density and the final diameter of the bundle. With the measured values and the fitting to the real shape it has been proven that the simulation approach reflects the precise behavior of cables and hoses. Since the stiffness of the single braids is wasteful to measure, a measurement setup was created where the stiffness has a large impact to the shape. With known density, the stiffness of the specimen can be reconstructed precisely. Thus a fast and beneficial way of obtaining the stiffness of a cable has been invented. The poissons ratio of cables and bundles cannot be measured with a tensile test, since the inner structure is very complex. For hoses, the variation of the inner diameter has been measured during the tensile test as well. The resulting values were reasonable, but their accuracy could not be proven. For cables and hoses, it has been tried to obtain the poissons ratio via the computation of the cross section, but the influence of individual changes and the crosstalk of the braids is very high. Therefore a setup was constructed where the torsion stiffness can be measured. For cables and hoses, the individual cross-sections and taping lead to varying results. For hoses, expected and repeatable good values for the poissons ratio were obtained. The low influence of the poisons ratio in the range between 0 and 0.5 has been proven. Therefore we decided to follow the advice of [Old06] and our own experiences to set the poisons ratio for cables and bundles to 0.25. With the knowledge of the measurability and the capabilities of the developed program composer, a procedure to obtain material properties for bundles has been designed. 1. Measurement of the braid density with via pyknometer or mass, length and diameter. 2. Empirical reconstruction of the stiffness with the designed setup. 3. Composing the bundle with the program composer. 4. Adding a factor for the taping and transfer the values to the simulation. The model of the cable simulation has been improved as follows: The main influences in the simulation of cables and hoses are the simulation method, the material properties and the geometric constraints. To obtain higher accuracy, an investigation on the correct material properties is indispensable. The scientific determination of material properties for the simulation of cables, bundles and hoses has been performed for the first time. The influence of geometrical constraints has been analyzed and documented. The next steps are the analysis of pre-deformation and further investigations to the determination of the poisons ratio with a more precise torsion test. All analysis were made with the simulation approach fleXengine. A comparison to other simulation methods would be of high interest.
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 akademic Work presents a Particelsystem for firesimulation, as well as the required technics.(such as FBO's, VBO's, MRT, etc...). The Particelsystem is exclusively implemented on the GPU and is for this reason a GPGPU application. It uses the newest technichs, such as Vertexshader texturaccess. After a view over several different Particelsystemtypes, many of thiese technics are described, bevor the Implementation is focused.
In no field of computer science has the hardware developed as rapidly as in the field of computer graphics. Today, we can display complex, geometric scenes in real time in immersive systems and also integrate elaborate simulations.
The aim of this work is to realize the simulation of paint splashes in a virtual world. For this purpose, an application will be implemented with the help of Unity, that uses three different techniques to color the environment with the help of paint splashes. Based on this application, the limits and possibilities of the techniques in virtual environments are examined more closely.
This examination shows that an inverse projection produces the best results.
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.
Tiny waves driven by wind, shallow, long waves, head overlapping sea, all of these waves occur in every ocean and even in small lakes. The surface of water is one of the most versatile phenomenas of nature. Not only the movement of waves, but also the reflection of sky, sun and coastline makes the surface of water unique. Exactly this complexity is what brings its own challenges to the simulation of water surfaces. That is why simulation of water occupies mathematicians with a challenge for nearly 400 years now.
In the last fifty years this challenge has more and more shifted to computer science. Computer graphic designers have tried to visualise water in a realistic manner for centuries. Science in this field expends from simple noise filters to mathematically complex solutions like Fourier Transformation.
In the following work historical background of todays wave theories, as well as mathematical fundamentals are given. The focus of this work is set on the implementation of these methods in OpenGL 3.3.
The student research project presents a 3D real-time solution of grid-based navier-stokes computational fluid dynamics. Current features are dynamic voxelization of objects in the fluid volume taking influence on the fluid flow, simulation of temperature changes depending on the global environment temperature, the local temperature and local density, dynamic illumination approximating light-scattering effects and real-time volume visualization, using a view-aligned volume slicing technique combined with trillinear interpolation of density values between voxels of the fluid volume. With these features we are able to simulate and render high-quality smoke, fire, vapor and clouds in real-time. We used the GPU for all dynamic fluid computations and additional rendering features. In addition, we created a small OpenGL rendering application, demonstrating the possibility of integration of the fluid solver into a real-time application.