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Das Rendering-Verfahren des Ray-Tracings ermöglicht die realitätsnahe Umsetzung der Bildgenerierung einer modellierten Szene und ist aufgrund seiner Arbeitsweise in der Lage, optische Phänomene und komplexe Beleuchtungsszenarien darzustellen. Allerdings bedarf es bei der Bilderzeugung einer enormen Anzahl an Berechnungen pro Pixel, wodurch Realisierungen eines Ray-Tracers in der Praxis Ergebnisse erzielen, die weit unter der in der Computergraphik angestrebten Echzeitdarstellung von 60 Bildern pro Sekunde entfernt liegen. Aktuelle Modelle der Graphics Processing Unit (GPU) ermöglichen die hochgradige Parallelisierung der Ausführung von allgemeinen Berechnungen. Mit Hilfe der Graphik-API OpenGL wird diese Parallelisierung nutzbar gemacht und ein vollständig auf der GPU ausgeführter Ray-Tracer entworfen und realisiert. Der entwickelte Ansatz wird durch die Integration eines Uniform Grids - einer beschleunigenden Datenstruktur des Ray-Tracings - erweitert, woraus eine Steigerung der Performanz zu erwarten ist.
Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung eines auf der GPU ausgeführten Ray-Tracers und die Erweiterung des Ansatzes durch die Verwendung eines Uniform Grids. Die Ermittlung der erzielbaren Leistung wird im Anschluss durchgeführt. Bei der Entwicklung und Implementierung werden mögliche Probleme bei der Umsetzung bezüglich der GPU-Programmierung aufgezeigt und analysiert.
Simulation von Schnee
(2015)
Physik-Simulationen erlauben die Erstellung dynamischer Szenen auf dem Rechner. Sie lassen die Computergrafik lebendig werden und finden unter anderem Anwendung in Film, Spiel und Ingenieurswesen. Durch GPGPU-Techniken kann diese Arbeit erstmals auf der Grafikkarte stattfinden. Die dynamische Simulation von Schnee ist ein Gebiet, das aufgrund seiner physikalischen Komplexität noch wenig erforscht ist. Die Materie-Punkt-Methode ist das erste Modell, dass in der Lage ist die Dynamik und verschiedenen Arten von Schnee darzustellen.
Die hybride Nutzung von Lagrange-Partikeln und einem kartesischen Euler-Gitter ermöglichen das Lösen der partiellen Differentialgleichungen. Die Partikel werden dazu auf die Gitterknoten transformiert. Durch Anwendung der Finite-Elemente-Methode auf das Gitter können Gradienten zur Aktualisierung der Geschwindigkeit berechnet werden. Die Geschwindigkeiten werden dann auf die Partikel zurückgewichtet, um diese in der Simulation voranschreiten zu lassen. Gepaart mit einem spezifischen Materialmodell wird die dynamische Natur von Schnee erlangt. Diese schließt Kollision und Bruch mit ein.
Diese Bachelorarbeit verbindet die kürzlich erschienenen GPGPU-Techniken von OpenGL mit der Materie-Punkt-Methode, um die verschiedenen Schneearten dynamisch, visuell ansprechend und effizient zu simulieren
In dieser Diplomarbeit wurde eine Applikation implementiert, mit der es auch ungeübten Nutzern möglich ist, 3D Modelle zu texturieren. Dies erfolgt durch direktes Bemalen des Modells, so genanntes 3D Painting. Verschiedene Möglichkeiten hierzu werden untersucht, so das projektive Malen, sowie Octree Texturen.
Der Zwang zur Entwicklung immer neuer Technologien hat den Entwicklungsaufwand vieler Spiele enorm in die Höhe getriebenen. Aufwändigere Grafiken und Spiele-Engines erfordern mehr Künstler, Grafiker, Designer und Programmierer, weshalb die Teams immer größer werden. Bereits jetzt liegt die Entwicklungszeit für einen Ego-Shooter bei über 3 Jahren, und es entstehen Kosten bis in den zweistelligen Millionenbereich. Neue Techniken, die entwickelt werden sollen, müssen daher nach Aufwand und Nutzen gegeneinander abgewogen werden. In dieser Arbeit soll daher eine echtzeitfähige Lösung entwickelt werden, die genaue und natürlich aussehende Animationen zur Visualisierung von Charakter-Objekt-Interaktionen dynamisch mithilfe von Inverser Kinematik erstellt. Gleichzeitig soll der Aufwand, der für die Nutzung anfällt, minimiert werden, um möglichst geringe zusätzliche Entwicklungskosten zu generieren.
Raytracing von NURBS
(2019)
NURBS sind eine Art von Splines, die besondere Eigenschaften besitzen.
Das ray tracen von NURBS ist eine der Darstellungsmöglichkeiten von NURBS.
Dies ist durch das konkrete berechnen von Schnittpunkten mit Strahlen
möglich. Durch die vielseitige Möglichkeiten der Modellierung mittels NURBS
sind diese beliebt in Anwendungen die im Maschinenbau verwendet werden
und auch anderen CAD-Programmen. Diese Arbeit befasst sich mit der
Berechnung von NURBS-Kurven und -Oberflächen, dem direkten rendern
von diesen und wägt ab ob sich der Aufwand dafür im Vergleich zu Tesselierung
lohnt.
Im Rahmen dieser Masterarbeit wird das Prinzip des hybriden Ray Tracing, einer Kombination einer Rasterisierungs-Pipeline mit Ray Tracing-Verfahren für einzelne Effekte, vorgestellt und eine Anwendung implementiert, welche innerhalb einer hybriden Ray Tracing-Pipeline Schatten, Umgebungsverdeckung
und Reflexionen berechnet und diese Effekte mit der direkten Beleuchtung kombiniert.
Das hybride Ray Tracing basiert auf der Idee, die Performance und Flexibilität von Rasterisierungs-Pipelines mit Ray Tracing zu kombinieren, um die Limitation der Rasterisierung, nicht auf die gesamte Umgebungsgeometrie an jedem Punkt zugreifen zu können, aufzuheben.
Im Rahmen der Implementation wird in die verwendete RTX-API sowie die Grafikschnittstelle Vulkan eingeführt und diese anhand der Implementation erklärt. Auf Grundlage der Ergebnisse und der Erkenntnisse bei der Nutzung der API wird diese, ihre Einsatzzwecke und Ausgereiftheit belangend, eingeschätzt.
Thematik dieser Arbeit ist das dreidimensionale Image-Warping für diffuse und reflektierende Oberflächen. Das Warpingverfahren für den reflektierenden Fall gibt es erst seit 2014. Bei diesem neuen Algorithmus treten Artefakte auf, sobald ein Bild für einen alternativen Blickwinkel auf eine sehr unebene Fläche berechnet werden soll.
In dieser Arbeit wird der Weg von einem Raytracer, der die Eingabetexturen erzeugt, über das Warpingverfahren für beide Arten der Oberflächen, bis zur Optimierung des Reflective-Warping-Verfahrens erarbeitet. Schließlich werden die Ergebnisse der Optimierung bewertet und in den aktuellen sowie zukünftigen Stand der Technik eingeordnet.
Virtual Reality ist ein ein Bereich wachsenden Interesses, da es eine besonders intuitive Art der Benutzerinteraktion darstellt. Noch immer wird nach Lösungen zu technischen Problemstellungen gesucht, wie etwa der Latenz zwischen der Nutzereingabe und der Reaktion der Darstellung oder dem Kompromiss zwischen der visuellen Qualität und der erreichten Framerate. Dies gilt insbesondere für visuelle Effekte auf spekularen und halbtransparenten Oberflächen und in Volumen. Eine Lösung stellt das in dieser Arbeit vorgestellte verteilte Rendersystem dar, in dem die Bildsynthese in einen präzisen, aber kostenaufwändigen physikbasierten Renderthread mit niedriger Bildwiederholrate und einen schnellen Reprojektionsthread mit hoher Bildwiederholrate aufgeteilt wird, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit und Interaktivität erhalten bleiben. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Reprojektionsverfahren vorgestellt, die einerseits Reflexionen und Refraktionen auf geraytracten Oberflächen und andererseits volumetrische Lichtausbreitung beim Raymarching abdecken. Das vorgestellte Setup kann in verschiedenen Gebieten zum Einsatz kommen um das VR Erlebnis zu verbessern. Im Zuge dieser Arbeit wurden drei innovative Trainingsanwendungen umgesetzt, um den Mehrwert von Virtual Reality im Bezug auf drei Stufen des Lernens zu untersuchen: Beobachtung, Interaktion und Zusammenarbeit. Für jede Stufe wurde ein interdisziplinäres Curriculum, das bislang mit traditionellen Medien unterrichtet wurde, in eine VR Umgebung übertragen, um zu untersuchen, wie gut sich virtuelle Realität als eine natürliche, flexible und effiziente Lernmethode eignet.
Die Mitralklappe ist eine der vier Herzklappen des Menschen und in der linken Herzkammer zu finden. Ihre Funktion ist es, den Blutfluss vom linken Atrium zum linken Ventrikel zu regeln. Pathologien können zu eingeschränker Funktionalität der Klappe führen, sodass Blut zurück ins Atrium fließen kann. Patienten, die von einer Fehlfunktion betroffen sind, leiden möglicherweise an Erschöpfung und Schmerzen in der Brust. Die Funktionalität kann chirurgisch wiederhergestellt werden, was meist ein langer und anstrengender Eingriff ist. Eine gründliche Planung ist daher nötig, um eine sichere und effektive Operation zu garantieren. Dies kann durch prä-operative Segmentierungen der Mitralklappe unterstützt werden. Eine post-operative Analyse kann den Erfolg eines Eingriffs feststellen. Diese Arbeit wird bestehende und neue Ideen zu einem neuen Ansatz kombinieren, der zur (semi-)automatischen Erstellung solcher Mitralmodelle dienen kann. Der manuelle Anteil garantiert ein Modell hoher Qualität, während der automatische Teil dazu beiträgt, wertvolle Arbeitszeit zu sparen.
Die Hauptbeiträge des automatischen Algorithmus sind eine ungefähre semantische Trennung der beiden Mitralsegel und ein Optimierungsprozess, der in der Lage ist, eine Koaptations-Linie und -Fläche zwischen den Segeln zu finden. Die Methode kann eine vollautomatische Segmentierung der Mitralsegel durchführen, wenn der Annulusring bereits gegeben ist. Die Zwischenschritte dieses Vorgangs werden in eine manuelle Segmentierungsmethode integriert, so dass ein Benutzer den Gesamtprozess beeinflussen kann. Die Qualität der generierten Mitralmodelle wird durch das Vergleichen mit vollständig manuell erstellten Modellen gemessen. Dies wird zeigen, dass übliche Methoden zur Bestimmung der Qualität einer Segmentierung zu allgemein gefasst sind und nicht ausreichen, um die echte Qualität eines Modells widerspiegeln zu können. Folglich führt diese Arbeit Messungen ein, die in der Lage sind, eine Segmentierung der Mitralklappe detailliert und unter Betracht anatomischer Landmarken bewerten zu können. Neben der intra-operativen Unterstützung eines Chirurgen liefert eine segmentierte Mitralklappe weitere Vorteile. Die Möglichkeit, die Anatomie einer Klappe patientenspezifisch aufzunehmen und objektiv zu bewerten, könnte als Grundlage für zukünftige medizinische Forschung in diesem Bereich dienen. Die Automatisierung erlaubt dabei das Bearbeiten großer Datenmengen mit reduzierter Abhängigkeit von Experten. Desweiteren könnten Simulationsmethoden, welche ein segmentiertes Modell als Eingabe nutzen, das Ergebnis einer Operation vorhersagen.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer interaktiven Applikation unter Android, welche das Spielen eines Kartenspiels ermöglicht. Exemplarisch wurde das hebräische Spiel Yaniv implementiert. Schwerpunkt ist die Herausarbeitung benötigter Hintergrundkomponenten und die dazugehörige Umsetzung in jener Applikation. Benötigte Spielprozesse werden durchleuchtet und eine mögliche Lösungsvariante aufgezeigt.
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.
In dieser Diplomarbeit wurde eine Echtzeitanwendung entwickelt, die Gras darstellt und zugleich äußere Einflüsse wie Wind oder Kollisionen auf das Gras berücksichtigt. Ein Level-of-Detail-System ermöglicht die Darstellung und Physiksimulation einer großen Wiese in drei Stufen. Semi-transparente Texturquads zur Darstellung und Partikel mit Constraints an der Stelle der Graspatches stellen die feinste Detailstufe in allernächster Nähe zum Betrachter dar. Die Partikel, die nur auf der feinsten Detailstufe verwendet werden, werden mittels einer Physik-Engine berechnet und reagieren auf verschiedene Starrkörper. Die zweite Detailstufe besteht ebenfalls aus Texturquads, die um das erste Detaillevel herum generiert werden. Diese sind jedoch spärlicher verteilt, sehen auf Grund der Distanz zum Betrachter allerdings identisch mit denen aus der ersten Stufe aus. Als letzte Repräsentationsform von Gras kommt eine einfache Bodentextur zur Anwendung. Durch dieses Level-of-Detail-System ist es möglich eine unendlich große Wiese zu simulieren, da die Gräser zur Laufzeit generiert werden. Ein umfangreiches Benutzerinterface ermöglicht die Veränderung einiger Simulationsparameter in Echtzeit und die Generierung verschieden großer Rasenflächen. Zusätzlich lassen sich verschiedene Objekte in der Simulationsumgebung bewegen um die Kollisionsbehandlung testen zu können.
Die Leistungsfähigkeit moderner Graphikkarten steigt zur Zeit schneller an, als die von CPUs. Dabei kann diese Leistung nicht nur zur Darstellung von 3D Welten, sondern auch für allgemeine Berechnungen (GPGPU) verwendet werden. Diese Diplomarbeit untersucht daher, ob mit Hilfe der GPU Volumendaten schneller gefiltert werden können, als mit der CPU. Dies soll insbesondere am Beispiel von Rausch-Filtern, die auf Videosequenzen angewendet werden, untersucht werden. Dabei soll das Video als Volumen repräsentiert und mit Volumenfiltern gefiltert werden. So soll eine höhere Qualität und eine kürzere Berechnungszeit als mit herkömmlichen CPU und Frame-basierten Verfahren erreicht werden, insbesondere auch bei den z.Z. stark aufkommenden hochauflösenden HDTV-Standards. Das Framework soll jedoch nicht auf Videosequenz-Bearbeitung beschränkt sein, sondern so konzipiert werden, dass es z.B. in bestehende Volumenvisualisierungssysteme integriert werden kann. Das Ziel der Arbeit ist die Einarbeitung in die notwendigen theoretischen Grundlagen, daran anschließend die prototypische Implementierung des Frameworks mit abschließender Bewertung der erreichten Ergebnisse insbesondere der Geschwindigkeit im Vergleich zu existierenden Systemen.
Die Herzkranzgefäße sind verantwortlich für die Blutversorgung des Herzmuskels. Eine Störung des Blutflusses durch Verengungen oder gar Verstopfungen dieser Gefäße kann Herzerkrankungen bis hin zum Herzinfarkt auslösen. Eine Analyse dieser Strukturen ist damit von vitalem Interesse für die Diagnostik solcher Erkrankungen als auch die Planung einer möglichen Therapie. Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll ein Verfahren entwickelt und implementiert werden, das es ermöglicht, einzelne Projektionsbilder aus der Angiographie mit tomographischen Volumendaten (CT, MR) in Deckung zu bringen, d.h. zu matchen. Die Fragestellung dahinter ist die nach der Korrelation der aus den Volumendaten gewonnenen Informationen über die Herzkranzgefäße mit dem gegenwärtigen "Gold-Standard" - der Angiographie. Dazu notwendig ist die Entwicklung eines Ansatzes zur Generierung von, den Angiographiebildern entsprechenden, künstlichen Projektionsbildern aus den (bereits segmentierten) Volumendaten. Die Festlegung der Projektionsparameter sowie das Matching selbst sollen automatisch erfolgen.
Simulationen in der Computergraphik haben das Ziel, die Realität so genau wie möglich in einer Szene einzufangen. Dafür werden intern und extern wirkende Kräfte berechnet, aus denen Beschleunigungen berechnet werden. Mit diesen werden letztendlich die Positionen von Geometrien oder Partikeln verändert.
Position Based Dynaimcs arbeitet direkt auf den Positionen. Durch Constraints wird eine Menge von Regeln aufgestellt, die zu jedem Zeitpunkt in der Simulation gelten sollen. Ist dies nicht der Fall, so werden die Positionen so verändert, dass sie den Constraints entsprechen. In dieser Arbeit wird ein PBD-Framework implementiert, in dem Solide und Fluide simuliert werden. Die Constraints werden durch ein Gauss-Seidel-Lösungsverfahren und ein Gauss-Jakobi-Lösungsverfahren gelöst. Die Berechnungen finden dabei komplett auf der GPU statt. Die Ergebnisse sind physikalisch plausible Simulationen, die in Echtzeit laufen.
In keinem Bereich der Informatik hat sich die Hardware so rasant entwickelt wie im Bereich der Computergrafik. So können wir heute komplexe, geometrische Szenen in Echtzeit in immersiven Systemen darstellen und auch aufwendige Simulationen integrieren.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Simulation von Farbspritzern in einer virtuellen Welt zu realisieren. Hierzu wird mithilfe von Unity eine Anwendung umgesetzt, die drei verschiedene Techniken verwendet, mit denen die Umgebung mithilfe von Farbspritzern eingefärbt werden kann. Auf Basis dieser Anwendung werden die Grenzen und Möglichkeiten der Techniken in virtuellen Umgebungen genauer untersucht.
Diese Untersuchung zeigt, dass eine inverse Projektion die besten Ergebnisse vorweist.
Innerhalb dieser Arbeit wird die Theorie des Video-Seethroughs anhand einer Panoramaerstellung aus mehreren Kamerabildern verschiedener Perspektiven grundlegend dargestellt. Darauf basierend wurde ein System konzipiert und umgesetzt, bei dem Videostreams durch perspektivische Verzerrung zu einem Panoramabild zusammengesetzt werden. Anschließend wird dieses auf die Innenseite eines Zylinders projiziert, in dessen Mitte sich die virtuelle Position des Betrachters befindet. Schließlich
sollen die entstandenen Videopanoramen in einer VR-Brille dargestellt werden. Innerhalb der Implementierung werden außerdem einige Optimierungen vorgestellt, unter anderem solche, die das System - über die Aufgabenstellung hinaus - echtzeitfähig machen. Des Weiteren wird das erarbeitete
System bewertet und mit zwei anderen Verfahren verglichen.
Molecular dynamics (MD) as a field of molecular modelling has great potential to revolutionize our knowledge and understanding of complex macromolecular structures. Its field of application is huge, reaching from computational chemistry and biology over material sciences to computer-aided drug design. This thesis on one hand provides insights into the underlying physical concepts of molecular dynamics simulations and how they are applied in the MD algorithm, and also briefly illustrates different approaches, as for instance the molecular mechanics and molecular quantum mechanics approaches.
On the other hand an own all-atom MD algorithm is implemented utilizing and simplifying a version of the molecular mechanics based AMBER force field published by \big[\cite{cornell1995second}\big]. This simulation algorithm is then used to show by the example of oxytocin how individual energy terms of a force field function. As a result it has been observed, that applying the bond stretch forces alone caused the molecule to be compacted first in certain regions and then as a whole, and that with adding more energy terms the molecule got to move with increasing flexibility.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Anwendung und Optimierung globaler Beleuchtung in dreidimensionalen Szenen. Dabei wird nicht nur die direkte Beleuchtung in Abhängigkeit einer oder mehrerer Lichtquellen, sondern auch indirekte Beleuchtung durch umliegende Objekte berücksichtigt. Schwerpunkt dieser Arbeit ist es, die Ergebnisse eines globalen Beleuchtungsverfahrens durch die Implementation unter OpenGL 4.4 zu verbessern. Dies geschieht mithilfe einer Voxelisierung der Szene. Durch eine Traversierung der entstehenden Voxel-Struktur werden zusätzliche Informationen der Szene entnommen, was zu einer realistisch wirkenden globalen Beleuchtung beiträgt.
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.