Institut für Computervisualistik
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Institut
Simulation von Rauch
(2019)
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Simulation von Rauch mittels einem Partikelsystem. Hierbei werden die Möglichkeiten untersucht Rauch möglichst realistisch in einem Partikelsystem zu implementieren und in Echtzeit berechnen zu lassen. Die physikalische Simulation basiert dabei auf den Arbeiten von Müller und Ren, welche sich mit den physikalischen Eigenschaften von Fluiden und Gasen beschäftigen. Die Simulation wurde mittels C++, OpenGL und der in OpenGL verfügbaren Compute-Shader auf der GPU implementiert. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk darauf gelegt, dass diese möglichst performant ist. Hierfür werden Techniken von Hoetzlein benutzt um das Partikelsystem zu beschleunigen. Daraufhin wurden zwei Beschleunigungsverfahren implementiert und werden noch gegenübergestellt. Dabei werden die Laufzeit, sowie verbrauchter Speicherplatz der GPU betrachtet.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden Texte untersucht, die von Grundschulkindern unter bestimmten Bedingungen und Voraussetzungen geschrieben wurden. Die Texte entstanden im Rahmen des Projektes VERA (Vergleichsarbeiten in der Grundschule), das von Prof. Dr. Andreas Helmke und Juniorprof. Dr. Ingmar Hosenfeld durchgeführt wird. Es wurden circa 1000 handgeschriebene Geschichten transliteriert und teilweise korrigiert. Nähere Informationen zur Entstehung und Bearbeitung der Texte sind in Kapitel 4 zu finden. Für diese Diplomarbeit wurden die Texte mit dem Saarbrücker Message Extraction System (SMES), der am Deutschen Forschungsinstitut für Künstliche Intelligenz (DFKI) entwickelt wurde, verarbeitet. Zusätzlich wurden die Texte einer Analyse von Hand unterzogen, um eine Aussage über die Qualität von SMES machen zu können. Die vorliegende Diplomarbeitbeschreibt die Konzeption des Parsingansatzes und eine durchgeführte Evaluation. Außerdem erden Vorschläge für einfache und sinnvolle Verbesserungen und Änderungen gemacht, die für den gegebenen Korpus sinnvoll erscheinen. Ziel dieser Arbeit ist es, zu zeigen, welche Arbeits- und Verarbeitungsschritte notwendig und sinnvoll sind, um anschließend eine Aussage darüber treffen zu können, welche computerlinguistischen Methoden sich eignen, um die Entscheidung treffen zu können, welche Module man entwickeln kann, um den Lehrern und Schülern eine adäquate Lernhilfe zur Verfügung stellen zu können. Die Herausforderung bestand darin, zunächst ein linguistisches Mittel zu finden, das in Bezug auf die vorliegende Textart als am besten geeignet erschien und diese Wahl zu begründen. Anschließend galt es die Arbeitsweise und die Resultate der getroffenen Wahl genau zu untersuchen und heraus zu finden, welche einfachen Modifikationen man in das bereits bestehende System einbetten kann, um das Ergebnis weiter zu verbessern.
Schatten erhöhen sichtbar den Realitätsgrad von gerenderten Bildern. Außerdem unterstützen sie den Benutzer in der Augmented Reality beim Greifen und Manipulieren von virtuellen Objekten, da sie das Einschätzen von Position und Größe dieser Objekte leichter machen. 1978 veröffentlichte Lance Williams den Shadow Mapping-Algorithmus, der einen Schatten in virtuellen Umgebungen erstellt. Diese Diplomarbeit stellt einen Modifikation des Standard Shadow Mapping-Algorithmus vor, der zusätzlich in Augmented/Mixed Reality-Umgebungen genutzt werden kann. Der Ansatz erweitert den Standard Algorithmus zunächst um einem PCF-Filter. Dieser Filter behandelt das Aliasing-Problem und erstellt außerdem weiche Schattenkanten. Damit der Schattenalgorithmus aber einen Schatten in einer Mixed Reality-Umgebung erstellen kann, werden Phantomobjekte benötigt. Diese liefern dem Algorithmus die Position und die Geometrie der realen Objekte. Zur Erstellung der Schatten geht der Ansatz folgendermaßen vor: Zuerst zeichnet der Algorithmus das Kamerabild. Danach wird eine Shadow Map mit allen virtuellen Objekten erstellt. Beim Rendern der virtuellen Objekte wird mit dem Shadow Mapping ein Schatten von allen virtuellen Objekten auf sich selbst und auf allen anderen virtuellen Objekten erzeugt. Danach werden alle Phantomobjekte gerendert. Der Fragmentshader führt wieder den Tiefentest durch. Liegt ein Fragment im Schatten, so bekommt es die Farbe des Schattens, ansonsten wird die Transparenz auf eins gesetzt. Damit werden alle Schatten von den virtuellen auf den realen Objekten erzeugt. Die Ergebnisse des Ansatzes zeigen, dass dieser in Echtzeit in Mixed Reality-Umgebungen genutzt werden kann. Außerdem zeigt ein Vergleich mit einem modifizierten Shadow Volume-Algorithmus, der ebenfalls für Mixed Reality-Umgebungen genutzt werden kann, dass der eigene Ansatz einen realistischer wirkenden Schatten in kürzerer Zeit erzeugt. Somit erhöht der Ansatz den Realitätsgrad in Augmented Reality-Anwendungen und hilft dem Benutzer bei der besseren Einschätzung von Distanzen und Größen der virtuellen Objekte.
Diese Bachelorarbeit erforscht eine Methode zur 3D-Objekterkennung und Posenschätzung, basierend auf dem Punkte-Paare-Eigenschaften-Verfahren (PPE) von Drost et. al. [Dro+10]. Die Methoden der Posenschätzung haben sich in den letzten Jahre zwar deutlich verbessert, stellen jedoch weiterhin ein zentrales Problem im Bereich der Computervisualistik dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Programm implementiert, welches Punktewolkenszenen als Ausgangspunkt erhält und daraus eine Objekterkennung und Posenschätzung durchführt. Das Programm deckt alle Schritte eines Objekterkennungsprogramm ab, indem es 3D-Modelle von Objekten verarbeitet, um deren PPE zu extrahieren. Diese Eigenschaften werden gruppiert und in einer Tabelle gespeichert. Anhand des Auswahlverfahrens, bei dem die Übereinstimmung der Eigenschaften überprüft wird, können potenzielle Posen des Objekts ermittelt werden. Die Posen mit der größten Übereinstimmung werden miteinander verglichen, um ähnliche Posen zu gruppieren. Die Gruppen mit der höchsten Übereinstimmung werden erneut überprüft, sodass am Ende nur eine Pose ausgewählt wird. Das Programm wurde anhand von Real– und Simulationsdaten Daten getestet. Die erhaltenen Ergebnisse wurden anschließend analysiert und evaluiert.
In den systematischen Neurowissenschaften werden oft Experimente durchgeführt, welche die Kommunikation von Hirnarealen bei der Bewältigung einer bestimmten Aufgabe untersuchen. Dabei wird angenommen, dass Neuronenverbände, die ihre Aktivität synchronisiert haben, an dieser Aufgabe beteiligt sind. In den aufgezeichneten EEG-Daten kann diese Zusammenarbeit anhand von interregionaler Kohärenz als Phasensynchronizität der Hirnstromfrequenz nachgewiesen bzw. quantifiziert werden. Ziel der Arbeit ist die Implementierung einer Software, welche die notwendigen Schritte der Kohärenzanalyse durchführt und die Ergebnisse statistisch aufbereitet und darstellt. Da die Verfahren und der Ablauf weitgehend durch die Anforderungsspezifikation vorgegeben sind, liegt ein Schwerpunkt der Arbeit auf dem Entwurf und der Programmierung einer intuitiv zu bedienenden Benutzeroberfläche, die den automatisierten Ablauf der Analyse ermöglicht. Ein Statistik-Toolkit soll die Überprüfung von Arbeitshypothesen ermöglichen (Signifikanz). Weiterhin soll die Darstellung den Transport und die Diskussion der Ergebnisse erleichtern.
In dieser Arbeit wird das Echtzeitrendering von Wolken von der Theorie bis hin zur Entwicklung derselben behandelt. Dabei sollen die visuellen Eigenschaften der Wolken sowie die unterschiedliche Wolkentypen simuliert werden. Dabei ist die Berechnung der Beleuchtung essentiell für ein glaubwürdiges Ergebnis. Die Rendertechniken nutzen dabei unterschiedliche Noise-Texturen; für die Modulierung der Wolken sind es hauptsächlich Perlin- und Perlin-Worley-Texturen. Das Rendern der Wolken wird per Compute-Shader durchgeführt um die Echtzeitfähigkeit zu gewährleisten. Um die Performance zu steigern, werden Temporal Reprojektion und andere Optimierungstechniken angewendet.
Die Mitralklappe ist eine der vier Herzklappen des Menschen. Sie befindet sich in der linken Herzkammer und agiert als ein unidirektionales Ventil, welches den Blutfluss vom linken Atrium zum linken Ventrikel steuert. Eine funktionierende Mitralklappe verhindert den Rückfluss von Blut in den Lungenkreislauf, wodurch sie einen unverzichtbaren Anteil zu einem gesunden Herzkreislauf beiträgt. Pathologien der Mitralklappe können eine Reihe von Symptomen hervorrufen, welche in ihrer Schwere von Brustschmerzen und Ermüdung bis zum Lungenödem (dem Eindringen von Flüssigkeit in die Lunge) reichen können. Im schlimmsten Fall kann dieses zum Atemversagen führen.
Dysfunktionale Mitralklappen können mithilfe komplexer chirurgischer Eingriffe wiederhergestellt werden, welche in hohem Maße von intensiver Planung und präoperativer Analyse profitieren. Visualisierungstechniken eröffnen die Möglichkeit, solche Vorbereitungsprozesse zu unterstützen und können zudem einer postoperativen Evaluation dienlich sein. Die vorliegende Arbeit erweitert die Forschung in diesem Bereich. Sie stützt sich auf patientenspezifische Segmentierungen der Mitralklappe, wie sie am Deutschen Krebsforschungszentrum entwickelt werden. Solche Segmentierungen resultieren in 3D-Modellen der Mitralklappe. Der Kern dieser Arbeit wird sich mit der Konstruktion einer 2D-Ansicht dieser Modelle befassen. Die 2D-Visualisierung wird durch Methoden der globalen Parametrisierung erzeugt, welche es erlauben, bijektive Abbildungen zwischen einem planaren Parameterraum und Oberflächen in höheren Dimensionen zu erstellen.
Eine ebene Repräsentation der Mitralklappe ermöglicht Ärzten einen unmittelbaren Blick auf deren gesamte Oberfläche, analog zu einer Karte. Dies erlaubt die Begutachtung der Fläche und Form ohne die Notwendigkeit unterschiedlicher Blickwinkel. Teile der Klappe, die in der 3D-Ansicht von Geometrie verdeckt sind, werden in der 2D-Darstellung sichtbar.
Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist die Untersuchung verschiedener Visualisierungen der 3D- und 2D-Mitralklappenrepräsentationen. Merkmale der Klappe können durch Assoziation mit spezifizierten Farbschemata hervorgehoben werden. So können zum Beispiel Pathologie-Indikatoren direkt vermittelt werden.
Qualität und Wirkungsgrad der vorgestellten Methoden wurden in einer Studie am Universitätsklinikum Heidelberg evaluiert.
Die hier vorliegende Arbeit stellt eine Anwendung zur Simulation von Objekten vor, die zwischen den Aggregatzuständen fest und flüssig wechseln können. Dazu wird ein Temperatursystem verwendet. Dabei liegen die Schwerpunkte auf der Simulation von Fluiden, basierend auf einem Partikelsystem, der Generierung einer Oberfläche aus diesem und der Darstellung von Metall. Zusätzlich soll die Anwendung interaktiv sein und muss die Kriterien der Echtzeitfähigkeit erfüllen. Dazu werden verschiedene Shadertypen eingesetzt, um die Berechnungen auf der GPU zu parallelisieren. Weiterhin werden weitere Einsatzmöglichkeiten, sowie mögliche Verbesserungen der Anwendung aufgezeigt.