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Institut
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.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit einigen Problemen, die beim Rendern von stereoskopischen Inhalten auftreten können. Die Probleme werden dabei mit Hilfe eines selbstentwickelten Programms simuliert und von einer Gruppe von Testpersonen bewertet. Dabei soll festgehalten werden, wie stark die Fehler wahrnehmbar sind und welchen Einfluss sie auf den 3D-Eindruck haben. Des Weiteren soll untersucht werden, ob die verschiedenen Kameraanordnungen einen Einfluss auf die Wahrnehmung des 3D-Eindrucks und des Fehlers haben.
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.
Ray Tracing als Bildsyntheseverfahren ist relevant für viele Anwendungsbereiche, da es Aspekte des Lichttransports physikalisch korrekt simulieren kann. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands sind der Einsatz von Datenstrukturen zur Beschleunigung und die parallele Verarbeitung notwendig. GPUs sind inzwischen hoch parallele, programmierbare Prozessoren mit zahlreichen Kernen und eignen sich aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit dazu, aufwändige, parallelisierbare Probleme zu lösen. In dieser Arbeit geht es um GPU Ray Tracing, beschleunigt durch Bounding Volume Hierarchien (BVH). Auf Basis relevanter Veröffentlichungen zu Aufbau und Traversierung von BVHs und der Abbildung des Ray Tracing Prozesses auf die GPU Architektur wird ein GPU Ray Tracer konzeptioniert und entwickelt. Während der BVH Aufbau vorab auf dem Host stattfindet, wird der gesamte Ray Tracing Prozess durch mehrere Kernel komplett auf der GPU ausgeführt. Die Implementierung der Kernel erfolgt in Form von OpenGL Compute Shader Programmen, und die Aufteilung des Ray Tracers auf mehrere Kernel ist durch die GPU Achitektur und das SIMT Ausführungsmodell motiviert. Für die Speicherorganisation der binären BVHs werden zwei Varianten betrachtet, klassisch und als MBVH, wobei sich die MBVH Organisation als effizienter erweist. Zudem werden verschiedene Varianten für die Traversierung ohne Stack und für die Stack-basierte Traversierung umgesetzt und bewertet. Der in mehrere Kernel strukturierte GPU Ray Tracer wird zudem mit einer Einzelkernel Version verglichen. Die besten Ergebnisse erreicht die Traversierung ohne Stack mit einem while-while Ablauf und MBVH im Rahmen des aufgeteilten GPU Ray Tracers.
In dieser Arbeit wird ein erster Prototyp einer mobilen Lernplattform mit Mixed-Reality-Funktionalität (MR) entwickelt. Dieses System soll in den Arbeitsprozess integriertes, selbstbestimmtes Lernen, in Interaktion mit dem Arbeitsgegenstand ermöglichen. Dies entspricht einem situierten, gemäßigt konstruktivistischen Kompetenzbegriff zur beruflichen Weiterbildung, wie ihn Martens-Parree beschreibt. Anhand eines Probandentests in einer Beispieldomäne, der Ausbildung von Piloten auf Segelflugzeugen, wird untersucht, ob Kompetenzvermittlung im Sinne von Handlungskompetenz mit Hilfe des mobilen MR-Lernmediums unterstützt wird und, ob das System bei konkreten Arbeitsaufgaben arbeitserleichternd wirkt. Die Annahmen der erwachsenenpädagogischen Ausgangsthesen konnten grundsätzlich gestützt werden, auch wenn keine direkte Handlungskompetenz, sondern lediglich eine Wissensvermittlung nachgewiesen werden konnte.
Eine genaue Schneesimulation ist der Schlüssel zur Erfassung der charakteristischen Visualisierung von Schnee. Aufwendige Methoden existieren, die versuchen Schneeverhalten ganzheitlich zu ergreifen. Die Rechenkomplexität dieser Ansätze hindert sie daran, Echtzeitfähigkeit zu erreichen. Diese Arbeit stellt drei Methoden vor, die unter Verwendung der GPU eine echtzeitfähige Deformation einer Schneeoberoberfläche darstellen. Die Ansätze werden hinsichtlich ihrer wahrheitsgetreuen Schneedarstellung untersucht und nach ihrer Fähigkeit, mit einer zunehmenden Anzahl von schneeverformenden Objekten zu skalieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methoden bei mehreren hunderten schneeverformenden Objekten ihre Echtzeitfähigkeit beibehalten. Jedoch benachteiligen die charakteristischen Einschränkungen jener Methoden die visuellen Resultate. Ein experimenteller Ansatz ist es, die Anzahl der schneeverformenden Objekte zu reduzieren und durch Zusammenfügen der Methoden ein genaueres, kombiniertes Verformungsmuster zu erzeugen.
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.
Markerloses Tracking im Bereich des modellbasierten Ansatzes Analyse durch Synthese nutzt den Vergleich von Kamerabild mit einer synthetischen Computergraphik, um die Kamerapose zu bestimmen. Hier werden ein High Dynamic Range Videokamerabild und eine photorealistische Computergraphik verglichen. Die Computergraphik ist Ergebnis einer Lichtsimulation basierend auf HDR Bildern einer Kamera mit Fischaugenobjektiv. Auf Basis der Ähnlichkeit von natürlichen Merkmalen soll die Relevanz verschiedener Rendering Parameter untersucht werden.
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.
Die Medizinische Visualisierung komplexer Gefäßbäume hat das Potential den klinischen Alltag in der Gefäßchirurgie zu erleichtern.
Dazu sind exakte, hochaufgelöste Darstellungen und echtzeitfähige Berechnungsmethoden notwendig. Bekannte Ansätze aus den Bereichen der direkten (z.B. Raycasting) und indirekten
(z.B. Marching Cubes) Volumenvisualisierung sind nicht in der Lage alle Anforderungen zufriedenstellend zu erfüllen. Verbesserte
Ergebnisse können mit hybriden Methoden erzielt werden, die unterschiedliche Visualisierungsverfahren kombinieren.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein hybrides Renderingsystem zur Darstellung von Blutgefäßen entwickelt, das die Bildqualität durch Integration einer Marching Cubes Oberfläche in ein Raycasting–System optimiert, dabei Detailstrukturen erhält und ausreichende Performanz zur Interaktion bietet. Die Ergebnissezeigen die verbesserte Plastizität und Genauigkeit der Darstellung.Anhand von Experten– und Laienbefragungen konnte der Nutzen des Systems vor allem für die Patientenaufklärung nachgewiesen werden. Die Erschließung zusätzlicher Anwendungsgebiete ist durch die Weiterentwicklung des Renderers möglich.