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Institut
Entwicklung eines augmentierten Montageszenarios mit Lego-Bausteinen für die Microsoft HoloLens
(2017)
Augmented Reality ist schon seit einigen Jahren in verschiedenen Formen verfügbar. Durch Fortschritte in der Technik können nun auch kompakte Augmented Reality Brillen hergestellt werden, wodurch sich viele neue Möglichkeiten der Interaktion und Anwendung von Augmented Reality eröffnen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Microsoft HoloLens und den Möglichkeiten, welche die Brille für Verbraucher und Industrie bieten kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine interaktive und augmentierte Anwendung entwickelt, um die Grenzen und Möglichkeiten der Microsoft HoloLens zu bewerten. Dazu wurde exemplarisch ein Montageszenario nachgestellt, bei dem ein Modell aus Lego-Bausteinen zusammengesetzt wird. Die HoloLens zeigt dabei schrittweise an, wo die nächsten Bausteine platziert werden sollen. Dabei stellte sich heraus, dass die HoloLens schon heute Vorteile bei der Montage bietet und gut zur Unterstützung von Arbeitsschritten verwendet werden kann, es wurden allerdings auch einige Schwächen deutlich.
Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Implementation einer virtuellen Realitätserfahrung. Ziel ist es, zwei Fragen zu beantworten: Ist es möglich, eine immersive virtuelle Anwendung zu erschaffen, die hauptsächlich Impulse und Trigger benutzt, um Angst und Schrecken bei den Benutzern zu erzeugen? Zweitens, ist diese Immersion ausreichend, die Benutzer so zu illusionieren, dass sie die virtuelle Welt für die Reale halten. Zur Erschaffung dieser Erfahrung wurde die Programmierumgebung Unity3D sowie Visual Studios 2017 verwendet. Um festzustellen, ob diese VR-Anwendung tatsächlich immersiv für den Anwender ist, wurde ein Experiment mit sieben Probanden durchgeführt. Nach der Spieltestung wurden die Probanden zu Ihren Erfahrungen mittels eines Fragebogens befragt. Es konnte dadruch gezeigt werden, dass diese Anwendungen Tendenzen zur Immersion aufweisen. Jedoch waren sich die Benutzer der Situation, in der sie sich befanden, stets bewusst. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Immersion nicht stark genug war, um die Probanden bezüglich der virtuellen und realen Welt zu täuschen.
In dieser Arbeit werden zwei Verfahren zur Berechnung der globalen Beleuchtung vorgestellt. Das Erste ist eine Erweiterung von Reflective Shadow-Maps um einen Schattentest, womit Verdeckungsbehandlung erreicht wird. Das zweite Verfahren ist ein neuer, auf Light-Injection basierender, bidirektionaler Ansatz. Dabei werden Strahlen aus Sicht der Lichtquelle verfolgt und in der Linespace Datenstruktur in Schächten gespeichert, die eine Diskretisierung der Raumrichtungen darstellen. Die Linespaces sind dabei in ein Uniform Grid eingebettet. Beim Auslesen der vorberechneten indirekten Beleuchtung sind im Idealfall keine Traversierung der Datenstruktur und keine weitere Strahlverfolgung mehr notwendig. Damit wird eine Varianzreduzierung und eine schnellere Berechnung im Vergleich zu Pathtracing erzielt, wobei sich insbesondere Vorteile in stark indirekt beleuchteten Bereichen und bei Glas ergeben. Die Berechnung der globalen Beleuchtung ist allerdings approximativ und führt zu sichtbaren Artefakten.
In dieser Arbeit wurden effektive und flexible Ansätze zur Erstellung von Shaderprogrammen für grafikkartenbasiertes Volumenrendering untersucht sowie ein Framework mit diesem Einsatzzweck konzipiert und prototypisch umgesetzt. Dazu wurden zunächst Ansätze zur Metaprogrammierung von Shadern vorgestellt, die Programmiersprachen für Shader um zusätzliche Möglichkeiten zur Kapselung von Code erweitern. Eine Umfrage zu Anforderungen an Volumenrendering bei MEVIS zeigte, dass dort ein Shaderframework für Volumenrendering ein Expertenwerkzeug wäre.Der Analyseteil stellte die zentralen Anforderungen an das zu erstellende Framework vor: Erstellung von Shadern des Volumenrenderers mittels Rapid Prototyping, modularer Aufbau der Shaderprogramme, Eignung für verschiedene Volumenrendering-Algorithmen und die Möglichkeit detaillierter Anpassungen am Volumenrendering-Shader, um für den Einsatz durch Experten geeignet zu sein.
Hubschrauber sind aus heutiger Sicht unverzichtbar. Eine Reihe von Anwendungsgebieten zeigt das Einsatzspektrum, die andere Flugmuster im Vergleich zum Hubschrauber nicht leisten können. Allerdings handelt es sich bei einem Hubschrauber um ein sowohl technologisch als auch physikalisch hochkomplexes System. Entsprechend aufwendig ist die Aus- und Weiterbildung von Piloten. Gerade in den letzten zwei Jahrzehnten hat sich daher die Flugsimulation als wertvolle Ergänzung zum klassischen Training herausgestellt. Mittels Flugsimulatoren ist es möglich, schwierige oder gar gefährliche Situationen bedarfsgerecht nachzuempfinden und zu üben. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein vereinfachter Hubschraubersimulator, basierend auf Starkörperkinematik, entwickelt werden. Dabei wird ein idealisiertes Rotormodell angenommen und auf komplexe strömungsmechanische Phänomene verzichtet, um eine Implementation übersichtlich zu illustrieren und echtzeitfähig zu sein. Dabei sind die Module dementsprechend in der Unreal Engine umgesetzt, dass eine Adaption an andere Flugmuster ohne großen Aufwand möglich ist.
Soll die Inneneinrichtung eines Raums geplant werden, stehen verschiedene
Programme für Computer, Smartphones oder Head-Mounted Displays
zur Verfügung. Problematisch ist hierbei der Transfer der Planung in die
reale Umgebung. Deshalb wird ein Ansatz mit Augmented Reality entwickelt,
durch den die Planung des Raums unter realen Umständen veranschaulicht
wird. Möchten mehrere Personen ihre Ideen beitragen, erfordern
herkömmliche Systeme die Zusammenarbeit an einem Endgerät. Ziel dieser
Masterarbeit ist es, eine kollaborative Anwendung zur Raumplanung
in Augmented Reality zu konzipieren und zu entwickeln. Die Umsetzung
erfolgt in Unity mit ARCore und C#.
In der Computergrafik stellte die Berechnung von Reflexionen lange ein
Problem dar. Doch mit der ständigen Weiterentwicklung der Hardware
und Vorstellung neuer Verfahren ist eine realitätsnahe,
echtzeitfähige(durchschnittlich 60 FPS) Berechnung von Reflexionen möglich. In der folgenden Ausarbeitung werden verschiedene Reflexionsverfahren vorgestellt. Alle mathematischen und physikalischen Grundlagen werden gegeben, um die Algorithmen nachvollziehen zu können. Da eine Reflexion immer das Abtasten eines reflektierten Vektors bedeutet, werden zwei verschiedene Abtastungsverfahren für blickabhängige Reflexionen vorgestellt und anschließend implementiert. Zuletzt werden die Verfahren auf Basis von Qualität und Performance gegenübergestellt.
In dieser Arbeit werden Methoden und Maße getestet, nach denen beim Pathtracing eine Auswahl zwischen Line Space und Bounding Volume Hierarchie getroffen werden kann, die die Vorteile der beiden Datenstrukturen ausnutzen. Die Strukturen sind innerhalb der Bounding Box jedes Objekts (Objektlokal) definiert und jeder Line Space enthält in den Shafts jeweils eine Kandidaten-ID. Als Implementations- basis dient ein eigenes C++ und OpenGL Framework, in dem das Pathtracing und die Line Space Generierung über Compute Shader stattfindet. Die Maße schließen die Wahrscheinlichkeitsverteilung, die Effektabhängigkeit, sowie einen Distanz- grenzwert ein und werden gegen verschiedene Szenen getestet. Die Ergebnisse zeigen in den meisten Situationen einen deutlichen Geschwindigkeitszuwachs bei teils nur geringen visuellen Unterschieden, wobei das Wahrscheinlichkeitsmaß die qualitativ hochwertigsten Bilder für den gegebenen Leistungszuwachs erbringt. Die grundlegenden Probleme des Line Space im Vergleich mit der BVH, nämlich der hohe Speicherverbrauch und die lange Generierungszeit, bleiben aber trotz der objektlokalen Struktur, der minimalen Datenmenge pro Shaft und der Compute Shader Implementierung, erhalten.
The goal of this thesis was to develop an interactive cloud simulation based on physical laws from fluid and cloud dynamics that can be used to visualize the physical processes involved in the cloud formation process. Chapter 2 showed that a great number of cloud modeling methods already exist, both procedural and physically motivated. Since the simulation developed in this thesis is based on computational fluid dynamics, the most influential works in this field in relation to computer graphics were also identified. Next, the cloud formation process in the atmosphere was explained, demonstrating the connections between air pressure, temperature and humidity. The temperature distribution of the atmosphere was identified as the most significant factor in cloud formation, before two different kinds of cloud classifications were introduced. The following chapter was dedicated to formulating the previously described cloud formation process in terms of physics. It presented the Navier- Stokes equations of incompressible fluid motion as the method of describing the movement of air masses in the atmosphere and explained how they can be simplified. Furthermore, this chapter was used to introduce concepts from thermodynamics that are necessary for the description of cloud dynamics, and to present a water continuity model that defines the state changes of water in the atmosphere. It was also explained where and how the presented concepts abstract from reality. In chapter 5, it was first described how the cloud model was developed based on the concepts evaluated before, identifying the temperature, water vapor, cloud water, and velocity as the state variables necessary for a cloud simulation. Next, the unconditionally stable implicit semi-Lagrangian method for the solution of the Navier-Stokes equation was presented, and it was explained how the equations for the water continuity, latent heat, and buoyant force computations are solved. All the steps were then summarized and put into context by describing the simulation loop that is executed for every step of the cloud simulation. In the following, details were given about the simple rendering method for the clouds, and the visualization methods for the velocity field and the temperature were evaluated. Finally, the user interface that controls the parameters of the simulation was explained. Chapter six showed the results of the simulation of convective and stratus clouds and commented on the performance of the system.
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.
In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit der Frage, ob die empfundene Herausforderung, der Flow-Zustand und der Spielspaß in Computerspielen miteinander zusammenhängen und welchen Einfluss die motivationspsychologischen Komponenten Erfolgsmotivation, Misserfolgsmotivation und Erfolgswahrscheinlichkeit dabei haben. Außerdem wollen wir wissen, ob eine freie Wahl des Schwierigkeitsgrads der optimale Weg zum Flow-Zustand ist. Um diese Theorien zu untersuchen, wurde eine Studie anhand einer Online-Umfrage durchgeführt, in welcher die Probanden das Spiel “flOw“ spielten. Die Ergebnisse wurden ausgewertet mithilfe einer zweifaktoriellen Varianzanalyse mit Messwiederholung und Tests auf Korrelation. Dabei fanden wir heraus, dass tatsächlich ein Zusammenhang zwischen Herausforderung, Flow und Spaß existiert und die Motivation dabei indirekt eine Rolle spielt.
Vereine, wie zum Beispiel die Pfadfinder, stützen sich auf die Arbeit ihrer ehrenamtlichen Mitglieder, welche eine Vielzahl von Aufgaben zu erledigen haben. Oftmals kommt es in den Reihen der Mitglieder zu plötzlichen Änderungen in den Organisationsteams und Ämtern, wobei Planungsschritte verloren gehen und Unerfahrenheit bezüglich der Planung besteht. Da die speziellen Anforderungen durch bereits existierende Tools nicht abgedeckt werden, wird zur Unterstützung von Vereinen in Bezug auf die genannte Problematik in dieser Arbeit ScOuT, ein Planungstool für die Organisationsverwaltung, konzipiert und entwickelt. Der Schwerpunkt lag darauf verschiedene geeignete Richtlinien und heuristische Methoden zu identifizieren und zu verwenden, um eine gebrauchstaugliche Benutzeroberfläche erstellen zu können. Das entwickelte Produkt wurde im Rahmen der Arbeit empirisch durch eine Benutzerumfrage bezüglich der Gebrauchstauglichkeit ausgewertet. Das Ergebnis dieser Studie zeigt, dass bereits ein hohes Maß des angestrebten Ziels durch den Einbezug der Richtlinien und Methoden erreicht werden konnte.
Daraus lässt sich im großen Kontext schließen, dass mithilfe von benutzerspezifischen Konzeptideen und der Anwendung geeigneter Richtlinien und Methoden eine zielführende Grundlage für eine gebrauchstaugliche Anwendung zur Unterstützung von Vereinen erstellt werden kann.
In dieser Arbeit wird eine interaktive Applikation für das Android OS entwickelt. Bei der Applikation handelt es sich um ein Virtual-Reality-Spiel. Das Spiel gehört zum Ego-Shooter-Genre und spielt in einem Weltraumszenario. Durch den Einsatz eines Stereo-Renderers ist es möglich, das Spiel in Kombination mit einer Virtual-Reality-Brille zu spielen.
Diese Arbeit behandelt die Konzeption und Implementation eines Action-Rollenspiels mithilfe der Game Engine Unity. Im Rahmen einer Evaluation sollte das Spiel hinsichtlich der Bedienbarkeit der integrierten Steuerungsarten, der visuellen Überzeugung der Animationen und der Benutzerfreundlichkeit über zur Verfügung gestellte Hilfsmittel und Visualisierungen bewertet werden. Zusätzlich sollten Schwachstellen und Probleme im Spiel über offenes Feedback herausgefunden werden. Die Auswertung der Evaluation ergab, dass das Spiel im Hinblick auf die Bedienbarkeit und Benutzerfreundlichkeit zwar noch ausbaufähig ist, aber insgesamt einen guten Eindruck bei den Probanden hinterlassen hat.
Zusätzlich zum Rendern wird die Rechenleistung moderner Grafikkarten immer häufiger auch für allgemeine Berechnungen (GPGPU) genutzt. Für die Umsetzung stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, die von der Verwendung der Renderingpipeline bis zu eigenständigen Schnittstellen reichen. In dieser Arbeit werden mit Render-To-Texture, Transform Feedback, Compute Shader und OpenCL vier verschiedene GPGPU-Methoden untersucht. Anhand von Partikelsystemen werden sie hinsichtlich der benötigten Berechnungszeit, der GPU-Auslastung, Lines of Code und Portierbarkeit miteinander verglichen. Dazu wurden sowohl das N-Körper Problem, Smoothed Particle Hydrodynamics und ein Partikelschwarm als Partikelsysteme umgesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass insbesondere OpenCL und Compute Shader sehr gute Ergebnisse liefern.
In dieser Arbeit wird die Konzeption, Implementierung und Evaluierung einer Augmented Reality-App beschrieben. Diese wurde mit dem Ziel entwickelt, Objekte im realen Raum mit virtuellen Hilfsmitteln auszumessen, sodass diese Anwendung einen Holzgliedermaßstab ersetzen kann. Hinzu kommt die praktische Speicherung der Messwerte. Angefertigt wurde die App mit der Unity Engine und programmiert in C#.
Schwerpunkte dieser Arbeit sind die Benutzerfreundlichkeit der App, sowie die Eignung von AR Foundation für das Ausmessungstool.
Die Anwendung wird auf die genannten Kriterien im Rahmen eines Nutzertests in einer abschließenden Evaluation bewertet.
Als Ergebnis ließ sich festhalten, dass sich die AR-App noch im Prototyp-Stadium befindet, aber im Allgemeinen schon als benutzerfreundlich gilt. Kleinere Änderungen sollen und müssen noch vorgenommen werden, um auch den Umgang mit dem AR-Tool zu vereinfachen.
In der vorliegenden Diplomarbeit wurde gezeigt, wie sich Ambient Occlusion in einer Szene aus frei transformierbaren Starrkörpern unter Verwendung von Coherent Shadow Maps in interaktiven Frameraten berechnen und darstellen lässt. Die Vorteile von Ambient Occlusion im Vergleich zu klassischen lokalen Beleuchtungsmodellen wurden aufgezeigt - den Ansatzpunkt bildet die Approximation von Umgebungslicht und indirekter Beleuchtung durch einen konstanten Farbwert - und die vereinfachenden Annahmen, die im Vergleich zu einer Simulation globaler Beleuchtung gemacht werden, wurden nachgezeichnet - Die Gültigkeit von Ambient Occlusion beschränkt sich demnach eigentlich auf eine direkte Beleuchtung diffuser Materialien mit konstanter Leuchtdichte. Um einen umfassenden Überblick zu gewährleisten, wurden zahlreiche existierende Ansätze zur Berechnung von Ambient Occlusion ausführlich vorgestellt. Anschließend wurde auf die Berechnung der Visibilität mittels CSMs eingegangen. Es wurde gezeigt wie sich die Komprimierungsrate von CSMs durch eine gleichmäßige Verteilung der zu komprimierenden Depth Maps deutlich erhöhen lässt und ein XML-konformes Dateiformat, das die beliebige Wiederverwendung einmal komprimierter Depth Maps erlaubt, wurde eingeführt.
Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz zur Optimierung der Berechnung von Halbschatten flächiger Lichtquellen. Die Lichtquelle wird durch Sampling uniform abgetastet. Als Datenstruktur wird ein N-tree verwendet, durch den die Strahlen als Paket traversiert werden. Der N-tree speichert in seinen Knoten einen Linespace, der Informationen über Geometrie innerhalb eines Schaftes bietet. Diese Sichtbarkeitsinformation wird als Kriterium für eine Terminierung eines Strahles genutzt. Zusätzlich wird die Grafikkarte (kurz GPU – engl. „graphics processing unit“) zur Beschleunigung durch Parallelisierung benutzt. Die Szene wird zunächst mit OpenGL gerendert und anschließend der Schattenwert für jedes Pixel auf der GPU berechnet. Im Anschluss werden die CPU- und GPU-Implementationen verglichen. Dabei zeigt die GPU-Implementation eine Beschleunigung von 86% gegenüber der CPU-Implementation und bietet eine gute Skalierung mit zunehmender Dreieckszahl. Die Verwendung des Linespace beschleunigt das Verfahren gegenüber der Durchführung von Schnitttests und zeigt für eine große Anzahl an Strahlen keine visuellen Nachteile.