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In dieser Bachelorarbeit wird ein System zur Simulation der Bewegung von Molekülen entworfen. Die Berechnungen der Kräfte zwischen chemisch gebundenen Atomen sowie zwischenmolekularer Kräfte werden fast vollständig auf der GPU durchgeführt. Die Visualisation der Simulation findet in einer interaktiven Bildwiederholrate statt. Um eine Darstellung in Echtzeit auf den meisten handelsüblichen Grafikkarten zur ermöglichen, sind geschickte Optimierungen und leichte Abstraktionen der physikalischen Modelle notwendig. Zu jeder Zeit kann die Ausführungsgeschwindigkeit der Simulation verändert oder vollständig gestoppt werden. Außerdem lassen sich einige Parameter der zugrundeliegenden physikalischen Modelle der Simulation zur Laufzeit verändern. Mit den richtigen Einstellung der Parametern lassen sich bestimmte Phänomene der Molekulardynamik, wie zum Beispiel die räumliche Struktur der Moleküle, beobachten.
Die folgende Arbeit beschreibt die prototypische Konzeption und Entwicklung des Stat-Raising Spiels "Adventurer's Guild" mithilfe der Spielengine Ren'Py. Das Spiel soll eine durch Spielentscheidungen und Planung von Aktivitäten beeinflussbare Narrative haben und Spaß machen sowie optisch ansprechend sein.
Nach einem Überblick über das "Stat-Raising" als Genre sollen die existierenden Spiele "Dandelion - Wishes Brought to You", "Pastry Lovers", "Long Live the Queen" und "Magical Diary" analysiert werden, um anhand dessen die Schwächen und Stärken der verschiedenen Umsetzungen herauszufiltern.
Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden für die anschließende Konzeption eines neuen Stat-Raising Spiels genutzt.
Die Spielmechaniken und die getroffenen Designentscheidungen des resultierenden Spiels werden anschließend mit Screenshots gezeigt und ausführlich erklärt.
In einer finalen Bewertung wird das Spiel hinsichtlich der Aufgabenstellung untersucht. Im Ausblick werden weitere Ausbau- und Verbesserungsmöglichkeiten des Spiels aufgezeigt.
Das fotorealistische Rendering von Fell ist ein oft gesehenes Problem in der Computergrafik und wird besonders bei Animationsfilmen häufig gebraucht. In dieser Arbeit werden zwei Beleuchtungsmodelle, ursprünglich zum Rendern von menschlichen Haaren, vorgestellt. Dies ist zum einen das Modell von Marschner et al. aus dem Jahr 2003, welches als Grundlage für viele neuere Modelle gilt, sowie das Modell von d’Eon et al. aus dem Jahr 2011. Beide Modelle werden innerhalb eines Pathtracers, welcher globale Beleuchtung simuliert, implementiert. Es werden die Besonderheiten von Haar-Fasern aus Fell im Gegensatz zu menschlichen Haar-Fasern aufgezeigt und folglich erläutert, warum die präsentierten Modelle auch für viele Fellarten genutzt werden können. Dabei liegt der Fokus auf einer realistischen visuellen Darstellung. Zusätzlich wird die Performance beider Modelle verglichen und Verbesserungsvorschläge durch die Nutzung von zylinder förmigen Schnittpunktobjekten für den Pathtracer gegeben und anhand der Implementation evaluiert.
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.
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 vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines OpenGL-basierten Tools zur Visualisierung von Hohlräumen in Proteinen, welche während eines statischen Dockings beobachtet werden können. Ziel ist es, anhand von Informationen über Abstände zwischen Proteinen und Liganden, Schluss- folgerungen über Interaktionen zu ziehen, um daraus Ansätze für die Entwicklung künstlicher Liganden zu gewinnen. Zunächst wird auf chemische Grundlagen eingegangen, die das Thema motivieren und für das Verständnis der Thematik und der genutzten Algorithmen wichtig sind. Des Weiteren wird bestehende Software vorgestellt, die ähnliche Sachverhalte löst. Anschließend werden die Voraussetzungen zur Entwicklung des Programmes genannt, woraufhin dieses detailliert beschrieben wird. Zum Abschluss wird das Tool in Hinblick auf Performance und Nutzen evaluiert und ein zusammenfassendes Fazit getroffen, in dem sich das Programm als gute Hilfe für bestehende Forschungen und gute Basis für weitere, tiefergehende Forschungsprojekte erweist.
Das Ziel dieser Bachelorarbeit bestand darin, die Verbindung zwischen den Technologien Augmented und Virtual Reality zu veranschaulichen und ein sinnvolles Zusammenspiel der beiden Darstellungsformen zu kreieren. Hierfür wurde eine Anwendung im Bereich der Innenarchitektur implementiert, bei welcher man einen Raumplan mittels Augmented Reality intuitiv gestalten und sich anschließend einen realitätsnahen Eindruck des eingerichteten Zimmers mit einer Virtual Reality Simulation machen kann. Auf Basis des nötigen Grundwissens wurde ein Konzept für dieses Projekt ausgearbeitet und anschließend mit verschiedenen Entwicklungssystemen realisiert. Diese Implementierung wurde im Rahmen einer Evaluationsreihe getestet und darauffolgend optimiert. Das Ergebnis bestätigt die Annahme, dass sich Augmented und Virtual Reality mit ihren jeweiligen Stärken evident miteinander verbinden lassen. Diese Arbeit ist sowohl für Studierende im Bereich Informatik als auch für Interessenten an innovativen Lösungen relevant.
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.
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.
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.
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 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.
Diese Arbeit zeigt eine neue Technik der Computergrafik zur Simulation von globaler Beleuchtung durch Path Tracing in Echtzeit. Das Path Tracing wird dafür mit Compute Shadern auf der Grafikkarte (GPU) realisiert, um das Rendering hoch parallelisiert auszuführen. Zur Beschleunigung der Strahlverfolgung wird dabei der
Line Space in verschiedenen Varianten als Datenstruktur verwendet, um leere Bereiche in der Szene schneller zu überspringen. Der Line Space speichert Szeneninformationen basierend auf einer Voxelisierung in richtungsabhängige Shafts und wird sowohl auf der GPU generiert, als auch traversiert. Mit diesem Verfahren kann eine Szene physikalisch korrekt indirekt beleuchtet und mit weichen Schatten schattiert werden. Außerdem kann das Path Tracing damit weitgehend unabhängig von der Polygonanzahl mit über 100 Bildern pro Sekunde klar in Echtzeit durchgeführt werden und ist somit deutlich schneller als mit einem vergleichbaren Voxel-Gitter. Die Bildqualität wird davon nicht negativ beeinflusst und die Schattenqualität ist in den meisten Fällen deutlich besser als bei der Verwendung von Shadow-Mapping.
Diese Arbeit befasst sich mit verschiedenen Möglichkeiten zur Interaktion
mit dreidimensionalen, virtuellen Objekten in der realen Umgebung des
Nutzers. Im Vordergrund stehen Interaktionsmöglichkeiten, welche durch
neue AR-Technologien aufkommen.
Dazu wird ein spielerischer Prototyp einer Applikation für die von Microsoft
entwickelte HoloLens konzipiert und implementiert. Der Prototyp
des Spiels besteht aus drei Phasen. Die erste Phase ist die Aufnahme der
realen Umgebung des Nutzers. In der zweiten Phase kann der Nutzer die
reale Umgebung mit der Hilfe von virtuellen Objekten erweitern. In der
dritten Phase muss der Nutzer einen virtuellen Avatar durch die reale Umgebung
navigieren.
Die Interaktionsmöglichkeiten der HoloLens wie Gaze, Gesture und VoiceInput
werden in den Kategorien Menüführung, Positionierung von virtuellen
Objekten im dreidimensionalen Raum und Steuerung eines Avatars einer
Evaluation unterzogen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Ansätzen zur Beschleunigung von Raytracing Berechnungen auf dem Grafikprozessor (GPU). Dazu wird ein Voxelgrid verwendet, welches durch die Linespace-Datenstruktur erweitert wird. Der Linespace besteht aus richtungsbasierten Schäften (Shafts) und speichert die in ihm liegenden Objekte in einer Kandidatenliste. Es werden unterschiedliche Methoden zur Sortierung und Traversierung des Linespace vorgestellt und evaluiert. Die Methoden können keinen Anstieg der Bildfrequenz erreichen, ohne gleichzeitig in einer Verringerung der Bildqualität zu resultieren.
Diese Arbeit zeigt die Verwendung einer lokalen Linespace Datenstruktur, welche auf Basis eines bestehenden GPU-basierten Raytracers mit globa- ler Linespace Datenstruktur konzipiert und implementiert wird. Für jedes Szenenobjekt wird ein N-Tree generiert, dessen Knoten jeweils einen Line- space besitzen. Dieser speichert in seinen SchäftenInformationen über exis- tierende Geometrie. Ein Schaft stellt ein Volumen zwischen zwei Flächen auf der Knotenaußenseite dar. Dies ermöglicht bei der Strahlverfolgung ein schnelleres Überspringen leerer Räume. Identische Objekte können auf bereits berechnete Linespaces zurückgreifen, wodurch der Speicherbedarf um bis zu 94,13% und die Initialisierungszeit der Datenstruktur um bis zu 97,15% vermindert werden kann. Aufgrund der lokalen Zugriffsmöglich- keiten könnendynamische Szenen visualisiertwerden. Dabei ist ebenso ein Anstieg der Qualität zu beobachten.
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Anwendung für die HoloLens von Microsoft. Die Anwendung dient der Vermarktung von Werbeflächen der Firma awk AUSSSENWERBUNG GmbH. Anhand der Entwicklung wird die Frage beantwortet, welches die Möglichkeiten und Grenzen der HoloLens in Verbindung mit der Mixed Reality Platform sind. Dabei wird auch auf die Probleme eingegangen, welche bei der Ent- wicklung einer Anwendung für eine neue Technologie, wie die HoloLens auftreten. Neben der neuen Technologie, ergeben sich auch durch den Ein- satzort der Anwendung weitere Herausforderungen. Diverse Anwendungs- beispiele und Präsentationen lassen vermuten, dass die HoloLens primär für Anwendungen innerhalb von Räumen ausgelegt ist. Die zu entwickeln- de Anwendung ist dagegen für die Verwendung außerhalb geschlossener Räume konzipiert. Bei der Entwicklung konnten Erkenntnisse über die- se neue Technologie gewonnen werden. Zum einen wurde deutlich, dass sowohl die HoloLens, als auch die Entwicklungsumgebung noch an eini- gen Stellen verbessert werden können. Zum anderen, dass die HoloLens nicht für den Einsatz im Freien geeignet ist. Trotz der Schwierigkeiten bei der Entwicklung konnten auch die vielen Möglichkeiten der HoloLens be- leuchtet werden.
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.
Augmented Reality besitzt viele denkbare Anwendungsbereiche, in denen Alltag oder Arbeitsprozesse vereinfacht werden können. Dadurch, dass viele Hersteller sehr unterschiedliche Augmented Reality Brillen anbieten, wird die Auswahl des richtigen Systems und eine systemübergreifende Entwicklung jedoch erschwert. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird daher eine Anwendung entwickelt, mit der Augmented Reality Brillen auf einem Virtual Reality System simuliert werden können. Damit soll eine plattformübergreifende Entwicklung sowie die Auswahl des richtigen Systems vereinfacht werden.
Da die Simulation für mobile Endgeräte konzipiert werden soll, sollen möglichst realistische Umgebungen als Panorama vorgerendert werden können. Um diese auf Virtual Reality Systemen als stereoskopische Bilder darstellen zu können, werden verschiedene Verfahren zur Konvertierung in solche vorgestellt. Es wird ein Editor entwickelt, mit dem verschiedene Szenarien erstellt, Augmented Reality Systeme konfiguriert und schließlich auf einem Virtual Reality System angezeigt werden können. Abschließend wird untersucht, wie gut die Simulation gelungen ist und welche Verbesserungsmöglichkeiten es gibt.