In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten der Echtzeitvisualisierung von OpenVDB-Dateien untersucht. Die Grundlagen von OpenVDB, dessen Möglichkeiten, und NanoVDB, der GPU-Schnittstelle, werden erforscht. Es wird ein System entwickelt, welches PNanoVDB, die Grafik-APIPortierung von OpenVDB, verwendet. Außerdem werden Techniken zur Verbesserung und Beschleunigung eines Einzelstrahlansatzes zur Strahlenverfolgung getestet und angepasst. Um eine Echtzeitfähigkeit zu realisieren, werden zwei Einzelstreuungsansätze implementiert, von denen einer ausgewählt, weiter untersucht und optimiert wird. Dies ermöglicht potenziellen Nutzern eine direkte Rückmeldung über ihre Anpassungen zu erhalten, sowie die Möglichkeit, alle Parameter zu ändern, um einen freien Gestaltungsprozess zu gewährleisten. Neben dem visuellen Rendering werden auch entsprechende Benchmarks gesammelt, um verschiedene Verbesserungsansätze zu vergleichen und deren Relevanz zu beweisen. Um eine optimale Nutzung zu erreichen, wird auf die Rendering-Zeiten und den Speicherverbrauch auf der GPU geachtet. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Integrierbarkeit und Erweiterbarkeit des Programms gelegt, um eine einfache Integration in einen bestehenden Echtzeit-Renderer wie U-Render zu ermöglichen.

Die Raytracing-Beschleunigung durch dedizierte Datenstrukturen ist schon lange ein wichtiges Thema der Computergrafik. Im Allgemeinen werden dafür zwei unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen: räumliche und richtungsbezogene Beschleunigungsstrukturen. Die vorliegende Arbeit stellt einen innovativen kombinierten Ansatz dieser beiden Bereiche vor, welcher weitere Beschleunigung der Strahlenverfolgung ermöglicht. Dazu werden moderne räumliche Datenstrukturen als Basisstrukturen verwendet und um vorberechnete gerichtete Sichtbarkeitsinformationen auf Basis von Schächten innerhalb einer originellen Struktur, dem Line Space, ergänzt. Im Laufe der Arbeit werden neuartige Ansätze für die vorberechneten Sichtbarkeitsinformationen vorgeschlagen: ein binärer Wert, der angibt, ob ein Schacht leer oder gefüllt ist, sowie ein einzelner Vertreter, der als repräsentativer Kandidat die tatsächliche Oberfläche approximiert. Es wird gezeigt, wie der binäre Wert nachweislich in einer einfachen, aber effektiven Leerraumüberspringungs-Technik (Empty Space Skipping) genutzt wird, welche unabhängig von der tatsächlich verwendeten räumlichen Basisdatenstruktur einen Leistungsgewinn beim Raytracing von bis zu 40% ermöglicht. Darüber hinaus wird gezeigt, dass diese binären Sichtbarkeitsinformationen eine schnelle Technik zur Berechnung von weichen Schatten und Umgebungsverdeckung auf der Grundlage von Blockerapproximationen ergeben. Obwohl die Ergebnisse einen gewissen Ungenauigkeitsfehler enthalten, welcher auch dargestellt und diskutiert wird, zeigt sich, dass eine weitere Traversierungsbeschleunigung von bis zu 300% gegenüber der Basisstruktur erreicht wird. Als Erweiterung zu diesem Ansatz wird die repräsentative Kandidatenvorberechnung demonstriert, welche verwendet wird, um die indirekte Lichtberechnung durch die Integration von kaum wahrnehmbaren Bildfehlern signifikant zu beschleunigen. Schließlich werden Techniken vorgeschlagen und bewertet, die auf zweistufigen Strukturen und einer Nutzungsheuristik basieren. Diese reduzieren den Speicherverbrauch und die Approximationsfehler bei Aufrechterhaltung des Geschwindigkeitsgewinns und ermöglichen zusätzlich weitere Möglichkeiten mit Objektinstanziierungen und starren Transformationen. Alle Beschleunigungs- und Speicherwerte sowie die Näherungsfehler werden gemessen, dargestellt und diskutiert. Insgesamt zeigt sich, dass durch den Line Space eine deutliche Erhöhung der Raytracing Leistung auf Kosten eines höheren Speicherverbrauchs und möglicher Annäherungsfehler erreicht wird. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen damit die Leistungsfähigkeit des kombinierten Ansatzes und eröffnen weitere Möglichkeiten für zukünftige Arbeiten.

Im Kontext der Erweiterten Realität versteht man unter Tracking Methoden zur Bestimmung von Position und Orientierung (Pose) eines Betrachters, die es ermöglichen, grafische Informationen mittels verschiedenster Displaytechniken lagerichtig in dessen Sichtfeld einzublenden. Die präzisesten Tracking-Ergebnisse liefern Methoden der Bildverarbeitung, welche in der Regel nur die Pixel des Kamerabildes zur Informationsgewinnung heranziehen. Der Bildentstehungsprozess wird bei diesen Verfahren jedoch nur bedingt oder sehr vereinfacht miteinbezogen. Bei modellbasierten Verfahren hingegen, werden auf Basis von 3D-Modelldaten Merkmale identifiziert, ihre Entsprechungen im Kamerabild gefunden und aus diesen Merkmalskorrespondenzen die Kamerapose berechnet. Einen interessanten Ansatz bilden die Strategien der Analyse-durch-Synthese, welche das Modellwissen um Informationen aus der computergrafischen Bildsynthese und weitere Umgebungsvariablen ergänzen. Im Rahmen dieser Arbeit wird unter Anwendung der Analyse-durch-Synthese untersucht, wie die Informationen aus dem Modell, dem Renderingprozess und der Umgebung in die einzelnen Komponenten des Trackingsystems einfließen können. Das Ziel ist es, das Tracking, insbesondere die Merkmalssynthese und Korrespondenzfindung, zu verbessern. Im Vordergrund steht dabei die Gewinnung von visuell eindeutigen Merkmalen, die anhand des Wissens über topologische Informationen, Beleuchtung oder perspektivische Darstellung hinsichtlich ihrer Eignung für stabiles Tracking der Kamerapose vorhergesagt und bewertet werden können.

In dieser Bachelorarbeit geht es um den Einsatz des Wii Balance Boards in -Realität-Anwendungen. Als Anwendungsbeispiel wird ein Snowboard Spiel implementiert, in dem der virtuelle Avatar mit den Drucksensoren des Wii Balance Board gesteuert werden kann. Der Anwender soll mit seiner Körperbalancierung, spielerisch und intuitiv in der virtuellen Umgebung manövrieren. Es werden die Immersion und der Einfluss auf Motion- Sickness beziehungsweise Cybersickness erforscht. Außerdem wird dasWii Balance Board mit dem Xbox Controller verglichen was die Steuerung betrifft. Ziel der Arbeit ist es zu evaluieren, ob das Wii Balance Board in der Lage ist, freies Bewegen in der virtuellen Umgebung zu ermöglichen. Außerdem soll untersucht werden, welcher der beiden Geräte vorteilhafter ist. Die Umfrageergebnisse laufen darauf hinaus, dass das Wii Balance Board einen wesentlich positiveren Einfluss auf die Immersion hat, als der Controller, trotz der besseren Spielergebnisse. Außerdem hat die Untersuchung ergeben, dass die Verwendung des Wii Balance Board viel häufiger für Motion-Sickness und Cybersickness Fälle verantwortlich ist.

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.