Studienarbeit
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Die Entwicklung im Bereich der Videospiele generierte in den letzten Monaten durch innovative Konzepte und neue Steuerungsmöglichkeiten ein hohes Maß an Aufmerksamkeit. Einen Meilenstein setzte die Firma Nintendo R mit dem sogenannten WiiTM Balance BoardTM . Dies ist ein Eingabegerät in Form eines Brettes, auf das sich der Spieler stellen muss, um ein Spiel mittels seiner Körperbalance steuern zu können. Mit dieser Form der Steuerung konnten neue Spielkonzepte erstellt und umgesetzt werden. Dadurch wurden erstmals Personengruppen angesprochen, die zuvor wenig bis gar kein Interesse an Videospielen hatten. Die Computerspielebranche hingegen verfolgt weiter das Ziel eine möglichst reale Spielumgebung zu schaffen und hält an ihren gewöhnlichen Steuerungen mittels Tastatur, Maus und Joystick fest. Im Rahmen dieser Studienarbeit wurde ein 3D-Computerspiel entwickelt, welches das Konzept der Videospiele verfolgt und die Möglichkeit bietet, mittels eigener Körperbalance zu steuern.
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.
Globale Beleuchtung im Bildraum unter besonderer Berücksichtigung der Sichtbarkeitsbestimmung
(2009)
Die Simulation einer globalen Beleuchtung im dreidimensionalen Objektraum ist sehr rechenintensiv und hängt von der Komplexität der Szene ab. Dabei ist besonders die Berechnung der Sichtbarkeit aufwändig, also der Test, ob sich zwei Punkte in der Szene gegenseitig sehen können. Verfahren, die die globale Beleuchtung vom Objektraum in den Bildraum verlagern (Screen-Space, Image-Space), umgehen das Problem der Szenenkomplexität und haben somit einen wesentlichen Geschwindigkeitsvorteil. Auf diese Weise erzeugte Effekte sind zwar naturgemäß nicht physikalisch korrekt, da die aus Sicht der Kamera verdeckte Geometrie ignoriert wird, dennoch können sie für die menschliche Wahrnehmung überzeugend sein und realistisch wirken. Schlagworte hierfür sind "Fake-"Global-Illumination oder auch "Quasi-"Global-Illumination. Ein bekanntes Beispiel für ein bildraum-basiertes Verfahren zur Annäherung einer globalen Beleuchtung mithilfe weicher Schatten ist Screen Space Ambient Occlusion (SSAO). In dieser Studienarbeit wird untersucht, inwieweit sich die Sichtbarkeitsbestimmung im Bildraum nicht nur für nah gelegene Geometrie wie beim Ambient Occlusion, sondern in Bezug auf die gesamte Szene realisieren lässt. Aktuelle Ansätze werden dahingehend untersucht und das geeignetste Verfahrend wird als Grundlage für die Implementierung eines Testszenarios für Screen-Space Global Illumination genutzt. Das umgesetzte Verfahren wird anhand verschiedener Testszenen bewertet.
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.
In dieser Arbeit wird die Implementierung des SURF-Feature-Detektors auf der GPU mit Hilfe von CUDA detailliert beschrieben und die Ergebnisse der Implementation ausgewertet. Eine Einführung in das Programmiermodell von CUDA sowie in die Funktionsweise des Hesse-Detektors des SURF-Algorithmus sind ebenfalls enthalten.
"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 Visualisierung von Volumendaten findet unter anderem in der Medizin, bei der Abbildung von Geodaten oder bei Simulationen ihre Anwendung. Ein effizientes Verfahren zur Darstellung von Volumendaten bietet das Raycasting, das durch die hohe Leistung von Consumerhardware hervorragende Qualität und große Flexibilität in Echtzeit ermöglicht. Beim Raycasting-Verfahren werden Strahlen durch ein Volumen verfolgt und anhand (regelmäßiger) Samples entlang des Strahles Farbund Opazitätswerte bestimmt. "Ray Textures" [Raspe et al. 2008] sind ein Konzept zur Steuerung verschiedener Strahlparameter durch das Einzeichnen beliebiger Bereiche auf einer Textur. Der bisherige Ansatz ist jedoch softwarebasiert und umfasst nur einen begrenzten Funktionsumfang. Ziel dieser Studienarbeit ist eine eigenständige Implementation eines GPU-Volumen-Raycasters und die Umsetzung des RayTexture Ansatzes komplett auf der GPU. Im Vordergrund steht dabei die Unterstützung (nahezu) beliebiger Pinselformen und -modi, das Mapping der 2D-Interaktion auf das 3D-Rendering und die Steuerung weiterer Strahlparameter in Echtzeit. Die Schwerpunkte der Studienarbeit sind im Einzelnen die Implementation eines GPUVolumen- Raycasters, die Umsetzung des Ray Texture Ansatzes komplett auf der GPU, die Vorstellung der Ergebnisse anhand mehrerer Beispielszenarien und die Dokumentation der Ergebnisse.
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.
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.
In dieser Arbeit wird ein neuer Algorithmus zur Detektion von Räumen in Gebäudegrundrissen beschrieben. Der in dieser Arbeit vorgestellte Algorithmus liefert bei akzeptabler Laufzeit im Allgemeinen ein stabiles intuitiv erwartetes Resultat. Die ermittelte Einteilung eines Gebäudegrundrisses in Räume kann dazu verwendet werden, eine Identifikation räumlich zuzuordnen und erfüllt damit die in Kapitel 1 an den Algorithmus gestellten Anforderungen. In Kapitel 2 wird der aktuelle Stand der Wissenschaft durch relevante bisherige Lösungsansätze und Resultate beschrieben bevor in Kapitel 3 die Schritte des neu entwickelte Algorithmus theorisch und visuell im Detail vorgestellt werden. Dabei befasst sich Kapitel 3.1 mit grundlegenden Definitionen, Kapitel 3.2 mit der Beschreibung der einzelnen Schritte und Kapitel 3.3 mit der gewählten Implementationsform. Eine Übersicht über erzielte Ergebnisse und deren Aufwände liefert Kapitel 4. Neben guten Resultaten werden an dieser Stelle auch Zwischenergebnisse, Besonderheiten und Seiteneffekte diskutiert. Abschließend wird in Kapitel 5 eine Zusammenfassung der vorliegenden Arbeit (Kapitel 5.1) sowie ein Ausblick über mögliche Ansatzpunkte für Verbesserungen und Erweiterungen (Kapitel 5.2) präsentiert.