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Institut
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.
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.
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.
Ein Kinect-Sensor verfügt über die Fähigkeit, gleichzeitig Farb- und Tiefenbilder aufzunehmen. In dieser Bachelorarbeit wird versucht, das Tiefenbild zu nutzen, um Beleuchtungsinformationen und Materialeigenschaften im Farbbild zu manipulieren. Die vorgestellten Verfahren zur Beleuchtungs- und Materialmanipulation benötigen eine Lichtsimulation der Lichtverhältnisse zum Zeitpunkt der Aufnahme und übertragen dann Informationen aus einer neuen Lichtsimulation direkt zurück in das Farbbild. Da die Simulationen auf einem dreidimensionalen Modell durchgeführt werden, wird nach einem Weg gesucht, ein solches aus einem einzigen Tiefenbild zu erzeugen. Dabei wird auf Probleme der Tiefendatenerfassung des Kinect-Sensors eingegangen. Es wird ein Editor entwickelt, mit dem Beleuchtungsund Materialmanipulationen möglich gemacht werden sollen. Zum Erzeugen einer Lichtsimulation werden einfache, echtzeitfähige Renderingverfahren und Beleuchtungsmodelle vorgestellt. Mit ihnen werden neue Beleuchtungssituationen, Schatten und Spiegelungen in das Farbbild eingefügt. Einfache Umgebungen mit definierten Lichtverhältnissen werden in Experimenten manipuliert, um Grenzen und Möglichkeiten des Sensors und der verwendeten Verfahren aufzuzeigen.
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.
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.
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Konzeption, Implementierung und Evaluation eines Jump'n'Run Spiels und der Betrachtung des Einflusses von Erfolgssystemen auf Spieler. Im Spiel Age of Tunes spielt man Bardur, den bartlosen Barden und muss versuchen, die verfluchten magischen Geschöpfe in der Welt Harmonica zu befreien. Der Schwerpunkt der Arbeit lag bei der sauberen Konzeption und schrittweisen Entwicklung des Spiels, ansprechender graphischer Qualität, Einbindung von Gegnern, einem Minispiel und der Betrachtung von Auswirkungen eines Erfolgssystems auf Spieler. In einer abschließenden Evaluation konnten das Spiel und das Verhalten bezüglich der Erfolge bewertet werden.
Ein Gonioreflektometer ist ein Gerät zum Vermessen der Reflexionseigenschaften von Materialien. Ein solche Apparatur wird in dieser Arbeit mit handelsüblichen Bauteilen gebaut. Dafür werden drei Schrittmotoren und 809 Leuchtdioden mit einem Arduino-Mikrocontroller gesteuert. Als Reflexionsdaten werden RGB-Bilder mit einer industriellen Kamera aufgenommen. Zusätzlich wird eine Steuersoftware für verschiedene Aufnahmeprogramme sowie ein Renderer zum Anzeigen der vermessenen Materialien implementiert. Somit können komplette bidirektionale Reflektanz-Verteilungsfunktionen (BRDFs) aufgenommen und gerendert werden, wodurch selbst komplizierte anisotrope Materialeigenschaften repräsentierbar sind. Die Qualität der Ergebnisse ist aufgrund von Schattierungen zwar Artefakt-behaftet, jedoch können diese Artefakte durch entsprechende Algorithmen wie Inpainting weitestgehend behoben werden. Außerdem wurde das Gonioreflektometer auf andere Anwendungen übertragen. So sind ohne Veränderungen am Gerät auch 3D-Scans, Lichtfeldaufnahmen und Light-Staging möglich. Auch die Qualität der Ergebnisse dieser Aufnahmeverfahren entspricht den Erwartungen im positiven Sinne. Somit ist das in dieser Arbeit gebaute Gonioreflektometer im Vergleich zu anderen Publikationen eine breit anwendbare und kostengünstige Alternative.
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.
Diese Bachelorarbeit beschreibt die Konzeption, Implementierung und Evaluation einer spielerischen Augmented Reality-Anwendung für mobile Endgeräte. Aufbauend auf dem ARCore SDK wurde das Spiel pARcours entwickelt, bei dem der Spieler virtuelle Objekte in der realen Umgebung platzieren kann, um sich so seinen eigenen Parcours aufzubauen. Dieser muss mit einem ebenfalls virtuellen Flugobjekt absolviert werden. Der Schwerpunkt bei der Umsetzung des Spiels lag auf der Interaktion mit den virtuellen Objekten und deren Kollisionserkennung mit realen Oberflächen. Weiterhin wurden verschiedene Eingabemöglichkeiten für das Aufbauen der Parcours und die Steuerung der Flugobjekte untersucht. Durch eine abschließende Evaluation konnten sowohl das Spiel und die verschiedenen Eingabemethoden als auch ARCore in Bezug auf die Entwicklung von Augmented Reality-Anwendungen bewertet werden.
Mit dem Erscheinen moderner Virtual Reality (VR) Headsets auf dem Verbrauchermarkt, gab es den bisher größten Aufschwung in der Geschichte der VR Technologie. Damit einhergehend rücken aber auch die Problematiken aktueller VR Hardware immer mehr in den Vordergrund. Insbesondere die Steuerung in VR war schon immer ein komplexes Thema.
Eine mögliche Lösung bietet die Leap Motion: Ein Hand-Tracking Gerät, welches ursprünglich für den Desktop-Einsatz entwickelt wurde, aber mit dem letzten größeren Softwareupdate an üblichen VR Headsets angebracht werden kann. Dieses Gerät ermöglicht ein sehr genaues Tracking beider Hände und aller Finger. Damit ist es möglich, diese vollständig in der VR Welt zu replizieren und zur Steuerung zu verwenden.
Ziel dieser Arbeit ist es, virtuelle Benutzeroberflächen zu entwerfen, die mit der Leap Motion bedient werden können. Dies soll eine natürliche Interaktion zwischen dem Benutzer und der VR-Umgebung ermöglichen. Danach werden mit Hilfe einer Demoanwendung Probanden-Tests durchgeführt, um ihre Leistung zu bewerten und mit herkömmlichen VR-Reglern zu vergleichen.
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.
Gerade bei der Garten- und Landschaftsgestaltung eröffnen sich viele kreative Möglichkeiten, die zwar der Landschaftsarchitekt, aber nicht dessen Kunde auf Anhieb überblicken kann. Es fehlt eine strukturierte Anwendung mit dessen Hilfe der Kunde auch ohne Fachkenntnisse diese Möglichkeiten erkennen und nutzen kann. Ziel dieser Arbeit ist eine webbasierte Auswahlumgebung zu schaffen, die Benutzer Schritt für Schritt durch die Anwendung führt und dabei den gestalterischen Ansprüchen von Landschaftsarchitekten genügt. Für Nutzer ohne Fachkenntnisse soll eine leicht verständliche Selektion ermöglicht werden mit Hilfe themengebundener Einschränkungen (z.B. nur mediterane Objekte/Pflanzen), die jedoch auch Erweiterungen erlauben. Um dem Benutzer seine gewählten Pflanzen und Objekte auch anschaulich zu machen, soll jederzeit eine Vorschau zur Verfügung stehen. Je nach Auswahl, kann eine X3D-Datei dynamisch erzeugt und mittels X3D-Browser dargestellt werden.
Der natürliche Prozess der Verwitterung ist ein komplexer Vorgang, der von unterschiedlichsten Parametern beeinflusstwird. Hauptbestandteil dieses Prozesses ist das Zusammenziehen des Fruchtvolumens infolge von Wasserverlust durch Transpiration sowie die Veränderung der Fruchtfarbe und Oberfläche. Es wurden bereits Verfahren entwickelt, die diese Eigenschaften mit Hilfe von Parametrisierung sowie physikalischer Ansätze simulieren. Die in dieser Arbeit erstellte Anwendung simuliert das Fruchtfleisch durch ein Tetraedernetz und die Veränderung der Haut mit Hilfe von dynamischer Texturanpassung. Der entwickelte Algorithmus arbeitet in linearer Laufzeit und seine Ergebnisse werden anhand selbst erstellter Fruchtmodelle präsentiert.
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.
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.
Motion Capture bezeichnet das Aufnehmen, Weiterverarbeiten und auf ein 3D Modell Übertragen von reellen Bewegungen. Nicht nur in der Film- und Spieleindustrie schafft Motion Capture heute einen nicht mehr wegzudenkende Realismus in der Bewegung von Mensch und Tier. Im Kontext der Robotik, der medizinischen Bewegunsthearpie, sowie in AR und VR wird Motion Capture extensiv genutzt. Neben den etablierten optischen Verfah- ren kommen aber gerade in den letzen drei Bereichen auch vermehrt alternative Systeme, die auf Intertialsystemen (IMUs) basieren zum Einsatz, da sie nicht auf externe Kameras angewiesen sind und somit den Bewegungsraum deutlich weniger beschränken.
Schnell vorranschreitender technischer Fortschritt in der Herstellung solcher IMUs, erlaubt den Bau kleiner Sensoren die am Körper getragen werden können und die Bewegung an einen Computer übertragen. Die Entwicklung in der Anwendung von Inertialsystemen auf den Bereich des Motion Capture, steckt allerdings noch in den Kinderschuhen. Probleme wie Drift können bis- her nur durch zusätzliche Hardware, zur Korrektur der Daten, minimiert werden.
In der folgenden Masterarbeit wird ein IMU basiertes Motion Capture System aufgebaut. Dies umfasst den Bau der Hardware sowie die softwa- reseitige Verarbeitung der erhaltenen Bewegungsinformationen und deren Übertragung auf ein 3D Modell.