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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)
Volumetrische Beleuchtung ist ein verbreitetes Beleuchtungsphänomen in der Natur und trägt in weiten Teilen zu dem realistischen Erscheinen von computergenerierten Bildern bei. Diese Arbeit befasst sich mit den physikalischen Hintergründen dieses Phänomens, listet bekannte Modelle zur Visualisierung von volumetrischer Beleuchtung in der Computergrafik auf und vergleicht anschließend drei Verfahren, mit denen eine volumetrische Beleuchtung mit heutiger Grafikhardware visualisiert werden kann. Diese Verfahren werden anhand einer Implementation in OpenGL hinsichlich ihrer Möglichkeiten und Einschränkungen, sowie ihres Rechenaufwands miteinander verglichen.
Künstliche neuronale Netze sind ein beliebtes Forschungsgebiet der künst-
lichen Intelligenz. Die zunehmende Größe und Komplexität der riesigen
Modelle bringt gewisse Probleme mit sich. Die mangelnde Transparenz
der inneren Abläufe eines neuronalen Netzes macht es schwierig, effiziente
Architekturen für verschiedene Aufgaben auszuwählen. Es erweist sich als
herausfordernd, diese Probleme zu lösen. Mit einem Mangel an aufschluss-
reichen Darstellungen neuronaler Netze verfestigt sich dieser Zustand. Vor
dem Hintergrund dieser Schwierigkeiten wird eine neuartige Visualisie-
rungstechnik in 3D vorgestellt. Eigenschaften für trainierte neuronale Net-
ze werden unter Verwendung etablierter Methoden aus dem Bereich der
Optimierung neuronaler Netze berechnet. Die Batch-Normalisierung wird
mit Fine-tuning und Feature Extraction verwendet, um den Einfluss der Be-
standteile eines neuronalen Netzes abzuschätzen. Eine Kombination dieser
Einflussgrößen mit verschiedenen Methoden wie Edge-bundling, Raytra-
cing, 3D-Impostor und einer speziellen Transparenztechnik führt zu einem
3D-Modell, das ein neuronales Netz darstellt. Die Validität der ermittelten
Einflusswerte wird demonstriert und das Potential der entwickelten Visua-
lisierung untersucht.
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.
Diese Arbeit vermittelt einen grundlegenden Überblick über die Funktionsweise und Implementierung von aktuellen Voxelisierungsstrategien auf der GPU. Neben etablierten Voxelisierungsverfahren mithilfe der Rasterisierungspipeline werden neue Möglichkeiten mithilfe von GPGPU-Programmierung untersucht. Auf der Basis der Programmiersprache C++ und der Grafikbibliothek OpenGL wird die Implementierung mehrerer Verfahren erläutert.rnDie Verfahren werden hinsichtlich der Performanz und der Qualität der Voxelisierung verglichen und im Bezug auf mögliche Anwendungsfälle kritisch bewertet. Weiterhin werden zwei Beispielanwendungen beschrieben, in denen die Verwendung einer voxelisierten Szene eine Erweiterung von bestehenden Echtzeitgrafikverfahren ermöglicht. Zu diesem Zweck werden die Konzepte und die Implementierungen von Transmittance Shadow Mapping und von Reflective Shadow Mapping, das um voxelbasierte Umgebungsverdeckung erweitert wird, erläutert. Abschließend wird die anhaltende Relevanz von Voxelisierung in einem Ausblick auf aktuelle Forschungen und weitere Anwendungen und Erweiterungen der vorgestellten Verfahren aufgezeigt.
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.
Wie beeinflussen spieletechnische Eigenschaften eines Videospiels den Spielspaß? Diese Arbeit wird eine Antwort auf diese Frage suchen, indem sie ein selbst programmiertes Videospiel dafür nutzt, welches von Grund auf dafür erstellt wird. Das Videospiel wird in zwei Varianten programmiert, welche sich nur in seinen spieletechnischen Eigenschaften unterscheidet. Verschiedene Probanden werden das Videospiel dann spielen und im Nachhinein eine Umfrage diesbezüglich beantworten. Um möglichst fehlerfreie Umfragewerte zu bekommen, die lediglich Werteänderungen durch Änderung der spieletechnischen Eigenschaften aufzeigt, wurden gründliche Überlegungen zum Game Design und zum Spielkonzept gemacht. Die Ergebnisse vermuten, dass die spieletechnischen Eigenschaften eines Videospiels einen sehr großen Einfluss auf den Spielspaß haben. Jedoch sind diese Eigenschaften nicht allein dafür verantwortlich, warum ein Videospiel Spaß machen kann. Psychologische Aspekte sind auch bei Änderungen von spieletechnischen Eigenschaften zu beachten.
Im Kontext der Erweiterten Realität versteht man unter Tracking Methoden zur Bestimmung von Position und Orientierung (Pose) eines Betrachters, die es ermöglichen, grafische Informationen mittels verschiedenster Displaytechniken lagerichtig in dessen Sichtfeld einzublenden. Die präzisesten Tracking-Ergebnisse liefern Methoden der Bildverarbeitung, welche in der Regel nur die Pixel des Kamerabildes zur Informationsgewinnung heranziehen. Der Bildentstehungsprozess wird bei diesen Verfahren jedoch nur bedingt oder sehr vereinfacht miteinbezogen. Bei modellbasierten Verfahren hingegen, werden auf Basis von 3D-Modelldaten Merkmale identifiziert, ihre Entsprechungen im Kamerabild gefunden und aus diesen Merkmalskorrespondenzen die Kamerapose berechnet. Einen interessanten Ansatz bilden die Strategien der Analyse-durch-Synthese, welche das Modellwissen um Informationen aus der computergrafischen Bildsynthese und weitere Umgebungsvariablen ergänzen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird unter Anwendung der Analyse-durch-Synthese untersucht, wie die Informationen aus dem Modell, dem Renderingprozess und der Umgebung in die einzelnen Komponenten des Trackingsystems einfließen können. Das Ziel ist es, das Tracking, insbesondere die Merkmalssynthese und Korrespondenzfindung, zu verbessern. Im Vordergrund steht dabei die Gewinnung von visuell eindeutigen Merkmalen, die anhand des Wissens über topologische Informationen, Beleuchtung oder perspektivische Darstellung hinsichtlich ihrer Eignung für stabiles Tracking der Kamerapose vorhergesagt und bewertet werden können.
Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über die Rahmenbedingungen der Programmierung von Grafikkarten. Dazu werden die zur wichtigsten am Markt vorhandenen Application Programming Interfaces (APIs) vorgestellt und miteinander verglichen. Anschließend werden zwei Standardalgorithmen aus der Datenverarbeitung, Prefix Sum und Radixsort vorgestellt und im Hinblick auf die Implementierung mit paralleler Programmierung auf der GPU zu untersucht. Beide Algorithmen wurden unter Nutzung der OpenGL-API und OpenGL Compute Shadern implementiert. Abschließend wurden die Ausführungszeiten der beiden Algorithmen miteinander verglichen.
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.
Typischerweise erweitern Augmented Reality (AR)-Anwendungen die Sicht des Benutzers auf die reale Welt um virtuelle Objekte.
In den letzten Jahren hat AR zunehmend an Popularität und Aufmerksamkeit gewonnen. Dies hat zu Verbesserungen der benötigten Technologien geführt. AR ist dadurch für fast jeden zugänglich geworden.
Forscher sind dem Ziel einer glaubwürdigen AR, in der reale und virtuelle Welten nahtlos miteinander verbunden sind, einen großen Schritt näher gekommen. Sie konzentrieren sich hauptsächlich auf Themen wie Tracking, Anzeige-Technologien und Benutzerinteraktion und schenken der visuellen und physischen Kohärenz bei der Kombination realer und virtueller Objekte wenig Aufmerksamkeit. Beispielsweise sollen virtuelle Objekte nicht nur auf die Eingaben des Benutzers reagieren, sondern auch mit realen Objekten interagieren. Generell wird AR glaubwürdiger und realistischer, wenn virtuelle Objekte fixiert oder verankert in der realen Szene erscheinen, sich nicht von der realen Szene unterscheiden und auf Veränderungen dieser Szene reagieren.
Diese Arbeit untersucht drei Herausforderungen im Bereich Maschinelles Sehen um dem Ziel einer glaubwürdig kombinierten Welt näher zu kommen, in der virtuelle Objekte wie reale erscheinen und sich ebenso verhalten.
Diese Dissertation konzentriert sich als erstes auf das bekannte Tracking- und Registrierungsproblem. Hierzu wird die Herausforderung von Tracking und Registrierung diskutiert und ein Ansatz vorgestellt, um die Position und den Blickpunkt des Benutzers zu schätzen, so dass virtuelle Objekte in der realen Welt fest verankert erscheinen. Linienmodelle, die dem Erscheinungsbild entsprechen und nur für Trackingzwecke relevante Kanten beinhalten, ermöglichen eine absolute Registrierung in der realen Welt und ein robustes Tracking. Einerseits ist es nicht notwendig, viel Zeit in die manuelle Erstellung geeigneter Modelle zu investieren, andererseits ist das Tracking in der Lage mit Änderungen innerhalb des zu verfolgenden Objekts oder Szene umzugehen. Versuche haben gezeigt, dass die Verwendung von solchen Linienmodellen die Robustheit, Genauigkeit und Re-initialisierungsgeschwindigkeit des Tracking-Prozesses verbessert haben.
Zweitens beschäftigt sich diese Dissertation mit dem Thema der Oberflächenrekonstruk\-tion einer realen Umgebung und präsentiert einen Algorithmus zur Optimierung einer laufenden Oberflächenrekonstruktion. Vollständige 3D-Oberflächenrekonstruktionen einer Szene
eröffnen neue Möglichkeiten um realistischere AR-Anwendungen zu erstellen. Verschiedene Interaktionen zwischen realen und virtuellen Objekten, wie Kollisionen und Verdeckungen, können physikalisch korrekt behandelt werden. Während sich die bisherigen Methoden darauf konzentrierten die Oberflächenrekonstruktionen nach einem Aufnahmeschritt zu verbessern, wird die Rekonstruktion während der Aufnahme erweitert, Löcher werden geschlossen und Rauschen wird reduziert. Um eine unbekannte Umgebung zu erkunden muss der Benutzer keine Vorbereitungen treffen. Das Scannen der Szene oder eine vorhergehende Auseinandersetzung mit der zugrundeliegenden Technologie ist somit nicht notwendig.
In Experimenten lieferte der Ansatz realistische Ergebnisse, bei denen bekannte Oberflächen für verschiedene Oberflächentypen erweitert und Löcher plausibel gefüllt wurden.
Anschließend konzentriert sich diese Dissertation auf die Behandlung von realistischen Verdeckungen zwischen realer und virtueller Welt. Hierzu wird die Herausforderung der Verdeckung als Alpha Matting Problem formuliert. Die vorgestellte Methode überwindet die Grenzen moderner Methoden, indem ein Überblendungskoeffizienten pro Pixel der gerenderten virtuellen Szene schätzt wird, anstatt nur deren Sichtbarkeit zu berechnen. In mehreren Experimenten und Vergleichen mit anderen Methoden hat sich die Verdeckungsbehandlung durch Alpha Matting als robust erwiesen und kann mit Daten, die durch preiswerte Sensoren aufgenommen wurden, umgehen. Hinsichtlich der Qualität, des Realismus und der praktischen Anwendbarkeit übertrifft die Methode die Ergebnisse von bisherigen Ansätzen.
Des Weiteren kann die Methode mit verrauschten Tiefendaten umgehen und liefert realistische Ergebnisse in Regionen, in denen Vorder- und Hintergrund nicht strikt voneinander trennbar sind (z.B. bei Objekten mit einer undeutlichen Kontur oder durch Bewegungsunschärfe).
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.
Die Raytracing-Beschleunigung durch dedizierte Datenstrukturen ist schon lange ein wichtiges Thema der Computergrafik. Im Allgemeinen werden dafür zwei unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen: räumliche und richtungsbezogene Beschleunigungsstrukturen. Die vorliegende Arbeit stellt einen innovativen kombinierten Ansatz dieser beiden Bereiche vor, welcher weitere Beschleunigung der Strahlenverfolgung ermöglicht. Dazu werden moderne räumliche Datenstrukturen als Basisstrukturen verwendet und um vorberechnete gerichtete Sichtbarkeitsinformationen auf Basis von Schächten innerhalb einer originellen Struktur, dem Line Space, ergänzt.
Im Laufe der Arbeit werden neuartige Ansätze für die vorberechneten Sichtbarkeitsinformationen vorgeschlagen: ein binärer Wert, der angibt, ob ein Schacht leer oder gefüllt ist, sowie ein einzelner Vertreter, der als repräsentativer Kandidat die tatsächliche Oberfläche approximiert. Es wird gezeigt, wie der binäre Wert nachweislich in einer einfachen, aber effektiven Leerraumüberspringungs-Technik (Empty Space Skipping) genutzt wird, welche unabhängig von der tatsächlich verwendeten räumlichen Basisdatenstruktur einen Leistungsgewinn beim Raytracing von bis zu 40% ermöglicht. Darüber hinaus wird gezeigt, dass diese binären Sichtbarkeitsinformationen eine schnelle Technik zur Berechnung von weichen Schatten und Umgebungsverdeckung auf der Grundlage von Blockerapproximationen ergeben. Obwohl die Ergebnisse einen gewissen Ungenauigkeitsfehler enthalten, welcher auch dargestellt und diskutiert wird, zeigt sich, dass eine weitere Traversierungsbeschleunigung von bis zu 300% gegenüber der Basisstruktur erreicht wird. Als Erweiterung zu diesem Ansatz wird die repräsentative Kandidatenvorberechnung demonstriert, welche verwendet wird, um die indirekte Lichtberechnung durch die Integration von kaum wahrnehmbaren Bildfehlern signifikant zu beschleunigen. Schließlich werden Techniken vorgeschlagen und bewertet, die auf zweistufigen Strukturen und einer Nutzungsheuristik basieren. Diese reduzieren den Speicherverbrauch und die Approximationsfehler bei Aufrechterhaltung des Geschwindigkeitsgewinns und ermöglichen zusätzlich weitere Möglichkeiten mit Objektinstanziierungen und starren Transformationen.
Alle Beschleunigungs- und Speicherwerte sowie die Näherungsfehler werden gemessen, dargestellt und diskutiert. Insgesamt zeigt sich, dass durch den Line Space eine deutliche Erhöhung der Raytracing Leistung auf Kosten eines höheren Speicherverbrauchs und möglicher Annäherungsfehler erreicht wird. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen damit die Leistungsfähigkeit des kombinierten Ansatzes und eröffnen weitere Möglichkeiten für zukünftige Arbeiten.
Tracking ist ein zentraler Bestandteil vieler moderner technischer Anwendungen, insbesondere in den Bereichen autonome Systeme und Augmented Reality. Für Tracking gibt es viele unterschiedliche Ansätze. Ein erst seit kurzem verfolgter ist die Verwendung von Neuronalen Netzen. Im Rahmen dieser Masterarbeit wird eine eine Anwendung erstellt, welche für das Tracking ein Neuronales Netz verwendet. Dazu gehört ebenfalls die Erstellung von Trainingsdaten, sowie die Erstellung des Neuronalen Netzes und dessen Training.
Anschließend wird die Verwendung von Neuronalen Netzen für Tracking analysiert und ausgewertet. Hierunter fallen verschiedene Aspekte. Es wird für eine unterschiedliche Anzahl an Freiheitsgraden geprüft wie gut das Tracking funktioniert und wie viel Performance dieser Ansatz kostet. Des Weiteren wird die Menge der benötigten Trainingsdaten untersucht, der Einfluss der Architektur des Netzwerks und wie wichtig das Vorhandensein von Tiefendaten für die Funktion des Trackings ist. Dies soll einen Einblick ermöglichen wie relevant dieser Ansatz für den Einsatz in zukünftigen Produkten sein könnte.
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.
Eins der größten Ziele der Computergrafik ist die ästhetische Darstellung von Objekten. Neben herkömmlichen Verfahren existiert ein weiteres Feld, welches sich mit nicht-photorealistischen Renderings beschäftigt. Das Example-Based Rendering ist ein Gebiet, bei dem Benutzer ihren Kunststil, mit Hilfe einer handgemalten Vorlage, auf ein vorberechnetes 3D-Rendering übertragen können. Es existieren einige Algorithmen die bereits beeindruckende Ergebnisse liefern. Das Problem ist, dass die meisten Verfahren aus diesem Bereich zu den Offline-Verfahren zählen und nicht in der Lage sind Ergebnisse in Echtzeit zu produzieren. Aus diesem Grund zeigt diese Arbeit ein Verfahren, dass diese Bedingung erfüllt. Darüber hinaus wird untersucht, welchen Einfluss die Laufzeitminimierung auf die Resultate hat. Es sind Anforderungen definiert, auf die das Verfahren und dessen Ergebnisse überprüft werden. Dabei wird Bezug zu anderen Verfahren aus diesem Gebiet genommen und mit deren Resultaten verglichen.