Institut für Computervisualistik
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Institut
Fristete der Computer vor wenigen Jahrzehnten sein Dasein noch in Rechenzentren weniger, großer Universitäten und Firmen, so sind Computer und deren Rechenleistung heute allgemein verbreitet. Gerade in den letzten Jahren hat dabei auch die computergenerierte Bilderzeugung große Fortschritte gemacht, und die Entwicklung hält rasant an. Auf diese Weise erzeugte Bilder und Bildsequenzen sind aus den visuellen Medien nicht mehr wegzudenken, sie werden in denmeisten Film- oder Fernsehproduktionen eingesetzt. Dokumentationen, Wissenssendungen und Nachrichtenformate setzen solche Bilder zur Vermittlung von Inhalten ein. Spezialeffekte werden Filmen mit dem Computer hinzugefügt. Ausschließlich mit dem Rechner erstellte Filme, deren Entwicklung vor ungefähr dreißig Jahren mit einfachen und kurzen Sequenzen begann, stehen heute realen Filmen in Länge, visueller und erzählerischer Qualität kaum noch nach. Doch nicht nur bei der Erstellung von Filmen ist der Computer nicht mehr wegzudenken. Computerspiele stellen in vielen Bereichen die treibende Kraft hinter der Computerentwicklung dar. Sie sind die "Killerapplikation", denn es sind vor allem Spiele, die zur Zeit nach leistungsfähigeren Computerkomponenten für Heimcomputer,wie Prozessoren und Graphikkarten, verlangen. Auch die visuelle Qualität von Computerspielen nimmt stetig zu, und hat ein sehr realitätsnahes Niveau erreicht. Ob Dokumentation, Film oder Spiel, die Erzeugung computergenerierten Inhalts besteht aus vielen Teilen. Die Erzeugung der Bilder ist nur ein kleiner Teil davon. Der Begriff Computeranimationwird oft für den gesamten Prozess der Erstellung eines Films im Computer verwendet. Im Speziellen beschäftigt sich die Animation mit der Bewegung. Die Erstellung von Bewegungsabläufen wird für Animationsfilme, Computerspiele und auch für Spezialeffekte in realen Filmen benötigt. Heute existiert eine Vielzahl von Programmen und Werkzeugen, welche die Erstellung von Animationen im Computer ermöglichen. Verbreitete Applikationen wie MAYA1, LIGHTWAVE2 oder BLENDER3 stützen sich dabei auf grundlegende Konzepte, die hinter der Erstellung von Animationssequenzen im Computer stehen. Die Arbeit setzt sich mit diesen Grundlagen auseinander und entwickelt darauf aufbauend einen Animationseditor, der die notwendige Funktionalität für die Erstellung von Animationssequenzen bereitstellt.
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Autorensystems zum modellieren von 3D Szenen mit physikalischer Beschreibung. Ähnlich einem herkömmlichen 3D Modellierungstool soll ein Benutzer Szenen erstellen können mit dem Unterschied, dass bei der Erstellung der Geometrie physikalische Eigenschaften direkt berechnet und eingestellt werden können. Wichtig für solche Systeme ist vor allem ihre Erweiterbarkeit und Anpassungsfähigkeit an die entsprechenden Anforderungen des Benutzers. Der Fokus liegt hierbei auf der Entwicklung einer einfachen Architektur, die leicht erweiterbar und veränderbar ist.
"MoleARlert" entstand im Rahmen eines Projektpraktikums der AG Computergrafik, unter Leitung Herrn Prof. Müllers und Herrn Dipl.-Inf. Stefan Rilling, im Wintersemester 2008/2009. Das System wurde von insgesamt zwölf Studierenden der Universität Koblenz-Landau entwickelt. Inhalt dieser Studienarbeit ist neben der Beschreibung des Systems vor allem die Veränderungen, die vom Autor nach Abschluss des Projektpraktikums, an diesem vorgenommen wurden unter besonderer Berücksichtigung der Neu- und Weiterentwicklungen die dazu führten die Reife des Systems zu verbessern. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Arbeit ist die Einbindung einer Webkamera in eine 3D-Engine in Echtzeit.
Emotion Video
(2006)
Gefühle durch ein Medium übertragen, das klingt unglaublich und doch hat es einen grossen Reiz. Was könnten wir alles machen? Wir könnten dabei sein, wenn ein Astronaut in den Weltraum fliegt oder einen Sonnenaufgang in der Südsee erleben ohne dort zu sein. Man könnte die Gefühle eines Gewinners ebenso weitergeben, wie die einer Person, die Angst hat. Aber auch andere Aspekte, wie die Arbeit aus Sicht eines Profis zu betrachten oder etwas Neues kennenzulernen wäre möglich. Den eigenen Tag, die letzte Woche oder sogar weit zurückliegende Ereignisse aus dem eigenen Leben noch einmal erleben, das alles macht den Anreiz an diesem Thema aus. Der Aufbau dieser Arbeit soll die Entwicklung von der Entstehung von Emotionen beim Menschen über die technischen Möglichkeiten zur Aufzeichnung von Sinneswahrnehmungen bis zum Gesamtkonzept mit prototypischer Umsetzung zeigen. Zunächst soll geklärt werden, was nötig ist um Emotionen "einzufangen" und zu konservieren und welche Möglichkeiten sich für die Wiedergabe dieser anbieten. Zentral soll ein Konzept sein, welches die momentanen technischen Möglichkeiten berücksichtigt, aber auch darüber hinaus aufzeigt, was wichtig und nötig wäre um dem Ziel möglichst nahe zu kommen, Emotionen zu übertragen. Dieses Konzept soll im Anschluss prototypisch umgesetzt werden um es so zu evaluieren. Dabei soll eine erweiterbare Plattform zunächst zur Aufzeichnung visueller und auditiver Reize entwickelt werden.
Bei der musikalischen Grundausbildung von Kindern und Jugendlichen besteht eine spezielle Herausforderung darin, den Kindern das Notenlesen und -schreiben näher zu bringen. Bei der Ausbildung von jungen Nachwuchssängerinnen und -sängern eines Chores ist es zudem wichtig sie damit vertraut zu machen niedergeschriebene Noten direkt in Töne umzusetzen.
Eine interessante Idee ist es, den Kindern während des Unterrichts die Töne auf einem Klavier oder Keyboard vorzuspielen und diese gleichzeitig auf einem Bildschirm in Notenschrift visuell darzustellen.
Ziel dieser Bachelorarbeit ist die Implementierung eines solchen Systems, welches das Einspielen von Noten mit Hilfe eines MIDI-fähigen Keyboards und die anschließende visuelle Wiedergabe der Noten in Notenschrift umsetzt. Die prototypische Anwendung arbeitet in drei Schritten.
Sie erhält über ein angeschlossenes Keyboard die Noten in Form von MIDIDatensätzen als Eingabe. Diese MIDI-Informationen werden dann in das MusicXML-Format überführt. Ausgehend von dieser Notation in Music-XML wird abschließend die visuelle Ausgabe in Form von Notenschrift generiert und angezeigt.
Diese Arbeit soll das von Dietz und Oppermann entwickelte Planspiel „Datenschutz 2.0“ an den heutigen Alltag der Schüler anpassen, die Benutzung in der Sekundarstufe II ermöglichen und die technischen und gesetzlichen Problematiken des Planspiels beheben. Das mit dem Planspiel aufgegriffene Thema Datenschutz ist im rheinland-pfälzischen Informatik-Lehrplan für die Sekundarstufe II verankert. Hier wird der Begriff Datenschutz in der Reihe „Datenerhebung unter dem Aspekt Datenschutz beurteilen“ genannt. Jedoch werden in dem Planspiel keine Daten erhoben, sondern die selbst hinterlassenen Datenspuren untersucht. Diese Form des Datenschutzes ist im Grundkurs in der vorgeschlagenen Reihe „Datensicherheit unter der Berücksichtigung kryptologischer Verfahren erklären und beachten“ unter dem Thema Kommunikation in Rechnernetzen zu finden. Im Leistungskurs steht die Datensicherheit in gleichbenannter Reihe und Thema und in der Reihe „Datenerhebung unter dem Aspekt Datenschutz beurteilen“ im Thema Wechselwirkung zwischen Informatiksysteme, Individuum und Gesellschaft.
In dieser Arbeit werden zwei Verfahren zur Berechnung der globalen Beleuchtung vorgestellt. Das Erste ist eine Erweiterung von Reflective Shadow-Maps um einen Schattentest, womit Verdeckungsbehandlung erreicht wird. Das zweite Verfahren ist ein neuer, auf Light-Injection basierender, bidirektionaler Ansatz. Dabei werden Strahlen aus Sicht der Lichtquelle verfolgt und in der Linespace Datenstruktur in Schächten gespeichert, die eine Diskretisierung der Raumrichtungen darstellen. Die Linespaces sind dabei in ein Uniform Grid eingebettet. Beim Auslesen der vorberechneten indirekten Beleuchtung sind im Idealfall keine Traversierung der Datenstruktur und keine weitere Strahlverfolgung mehr notwendig. Damit wird eine Varianzreduzierung und eine schnellere Berechnung im Vergleich zu Pathtracing erzielt, wobei sich insbesondere Vorteile in stark indirekt beleuchteten Bereichen und bei Glas ergeben. Die Berechnung der globalen Beleuchtung ist allerdings approximativ und führt zu sichtbaren Artefakten.
Die Material Point Method (MPM) hat sich in der Computergrafik als äußerst fähige Simulationsmethode erwiesen, die in der Lage ist ansonsten schwierig zu animierende Materialien zu modellieren [1, 2]. Abgesehen von der Simulation einzelner Materialien stellt die Simulation mehrerer Materialien und ihrer Interaktion weitere Herausforderungen bereit. Dies ist Thema dieser Arbeit. Es wird gezeigt, dass die MPM durch die Fähigkeit Eigenkollisionen implizit handzuhaben ebenfalls in der Lage ist Kollisionen zwischen Objekten verschiedenster Materialien zu beschreiben, selbst, wenn verschiedene Materialmodelle eingesetzt werden. Dies wird dann um die Interaktion poröser Materialien wie in [3] erweitert, was ebenfalls gut mit der MPM integriert. Außerdem wird gezeigt das MPM auf Basis eines einzelnen Gitters als Untermenge dieses Mehrgitterverfahrens betrachtet werden kann, sodass man das gleiche Verhalten auch mit mehreren Gittern modellieren kann. Die poröse Interaktion wird auf beliebige Materialien erweitert, einschließlich eines frei formulierbaren Materialinteraktionsterms. Das Resultat ist ein flexibles, benutzersteuerbares Framework das unabhängig vom Materialmodell ist. Zusätzlich wird eine einfache GPU-Implementation der MPM vorgestellt, die die Rasterisierungspipeline benutzt um Schreibkonflikte aufzulösen. Anders als andere Implementationen wie [4] ist die vorgestellte Implementation kompatibel mit einer Breite an Hardware.
Design und Implementierung einer Anwendung zum Visualisieren von Relationen zwischen Lernobjekten
(2007)
Diese Arbeit macht sich zur Aufgabe, das effiziente Navigieren in virtuellen Szenen näher zu betrachten, um bereits bestehende Navigationsmetaphern genauer zu erforschen und für unterschiedliche Einsatzgebiete anwendbar zu machen. Betrachtet werden Softwareprodukte für durchschnittliche Desktop-Benutzer, die mit Standard-Eingabegeräten arbeiten. Hierzu werden zunächst bestehende Navigationsmetaphern analysiert und Möglichkeiten der Benutzerperspektive sowie andere Hilfsmittel im Hinblick auf ihr aktuelles Anwendungsgebiet diskutiert. Anschließend wird ein theoretisches Testszenario erstellt, in dem alle analysierten Metaphern betrachtet und verglichen werden können. Ein Teil dieses Szenarios wird praktisch umgesetzt, in eine Testumgebung integriert und anhand von Benutzertests evaluiert. Zuletzt werden Möglichkeiten aufgezeigt, inwiefern die betrachteten Navigationsmetaphern in verschiedenen Einsatzgebieten sinnvoll und effizient anwendbar gemacht werden können.
Der Markt der mobilen Endgeräte entwickelt sich schnell weiter und es kommen schon Kinder im frühsten Alter mit solchen Technologien in Berührung. Daher ist es wichtig, Kinder richtig an die Geräte heranzuführen. Von Vorteil wäre eine Einbindung von Smartphones und Tablets, im Bezug auf den Lernprozess, in den Unterricht. Die vorliegende Arbeit behandelt deshalb das Konzept einer Lernspielapp, die durch Pädagogen konfiguriert werden kann. Die Evaluation soll Aufschluss über die Motivation der Kinder geben und die Aufgeschlossenheit der Pädagogen gegenüber neuen Medien ermitteln.
Der Markt der virtuellen Realität entwickelt sich derzeit besonders im Hinblick auf die Hardware kontinuierlich weiter. Infolgedessen ergeben sich immer weitere Anwendungsmöglichkeiten. Neben der Spielebranche bieten sich auch der Forschung neue Möglichkeiten. So lassen sich auch Wahrnehmungsphänomene mithilfe dieser Technologie erforschen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der Untersuchung des induzierten Roelofs Effekts in der virtuellen Realität sowie in der Wirklichkeit anhand eines Computerbildschirms. Dieser beschreibt eine Fehlwahrnehmung, die auftritt, wenn die individuelle Körpermitte und ein Rahmen, der ein optisches Zielobjekt umfasst, verschoben zueinander auftreten, was zu einer Fehllokalisierung des Objekts führt. Die folgende Untersuchung soll Aufschluss über die Beeinflussung durch den Rahmen eines Anzeigegeräts geben. Zudem werden Rückschlüsse über die Eignung der virtuellen Realität bezüglich der Wahrnehmungsforschung gezogen. Die Ergebnisse in der virtuellen Realität weisen ein stärkeres Maß der Wahrnehmungsverzerrung durch den Roelofs Effekt auf, wodurch der feste Rahmen eines Anzeigegeräts als zusätzliche Orientierungshilfe vermutet werden kann.
In recent years head mounted displays (HMD) and their abilities to create virtual realities comparable with the real world moved more into the focus of press coverage and consumers. The reason for this lies in constant improvements in available computing power, miniaturisation of components as well as the constantly shrinking power consumption. These trends originate in the general technical progress driven by advancements made in smartphone sector. This gives more people than ever access to the required components to create these virtual realities. However at the same time there is only limited research which uses the current generation of HMDs especially when comparing the virtual and real world against each other. The approach of this thesis is to look into the process of navigating both real and virtual spaces while using modern hardware and software. One of the key areas are the spatial and peripheral perception without which it would be difficult to navigate a given space. The influence of prior real and virtual experiences on these will be another key aspect. The final area of focus is the influence on the emotional state and how it compares to the real world. To research these influences a experiment using the Oculus Rift DK2 HMD will be held in which subjects will be guided through a real space as well as a virtual model of it. Data will be gather in a quantitative manner by using surveys. Finally, the findings will be discussed based on a statistical evaluation. During these tests the different perception of distances and room size will the compared and how they change based on the current reality. Furthermore, the influence of prior spatial activities both in the real and the virtual world will looked into. Lastly, it will be checked how real these virtual worlds are and if they are sufficiently sophisticated to trigger the same emotional responses as the real world.
In der vorliegenden Diplomarbeit wurde gezeigt, wie sich Ambient Occlusion in einer Szene aus frei transformierbaren Starrkörpern unter Verwendung von Coherent Shadow Maps in interaktiven Frameraten berechnen und darstellen lässt. Die Vorteile von Ambient Occlusion im Vergleich zu klassischen lokalen Beleuchtungsmodellen wurden aufgezeigt - den Ansatzpunkt bildet die Approximation von Umgebungslicht und indirekter Beleuchtung durch einen konstanten Farbwert - und die vereinfachenden Annahmen, die im Vergleich zu einer Simulation globaler Beleuchtung gemacht werden, wurden nachgezeichnet - Die Gültigkeit von Ambient Occlusion beschränkt sich demnach eigentlich auf eine direkte Beleuchtung diffuser Materialien mit konstanter Leuchtdichte. Um einen umfassenden Überblick zu gewährleisten, wurden zahlreiche existierende Ansätze zur Berechnung von Ambient Occlusion ausführlich vorgestellt. Anschließend wurde auf die Berechnung der Visibilität mittels CSMs eingegangen. Es wurde gezeigt wie sich die Komprimierungsrate von CSMs durch eine gleichmäßige Verteilung der zu komprimierenden Depth Maps deutlich erhöhen lässt und ein XML-konformes Dateiformat, das die beliebige Wiederverwendung einmal komprimierter Depth Maps erlaubt, wurde eingeführt.
Zunächst soll das Thema Non-Photorealistic Rendering vorgestellt werden, bevor auf die Theorie der implementierten Verfahren eingegangen wird. Im Vergleich zur klassischen Graphik-Pipeline wird anschließend auf die Pipeline-Stufen eingegangen, die sich bei moderner Graphikhardware programmieren lassen. Mit Cg wird eine Shader-Hochsprache präsentiert, die zur Programmierung von Graphikkarten eingesetzt wird. Danach wird die Graphikbibliothek Direct3D und das Framework DXUT vorgestellt. Vom softwaretechnischen Entwurf ausgehend, wird die Implementierung der einzelnen Verfahren des Non-Photorealistic Rendering dargestellt. Anschließend wird die Planung und Realisierung der Benutzerschnittstelle erläutert. Die erzielten Ergebnisse werden anhand von Bildschirmphotos aufgezeigt und es wird kurz auf die Darstellungsgeschwindigkeit eingegangen. Abschließend sollen sinnvolle Erweiterungen des Programms und interessante Verfahren, die nicht implementiert wurden, erläutert werden.
Die Entwicklung von Benutzerschnittstellen hat sich mit den fortschreitenden technischen Möglichkeiten ebenfalls weiter entwickelt. Neben den klassischen User Interfaces, die den Anwender bei der Aufgabenbewältigung unterstützen sollen, entwickeln sich intensiv erlebbare User Interfaces bei denen die Bedienung als intuitiv wahrgenommen wird. Doch was bedeutet Intuitivität in Bezug auf eine Mensch-Maschine-Schnittstelle? Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit dieser Thematik. Es werden Theorien und Modelle betrachtet, die versuchen intuitive Benutzbarkeit zu erklären. Anschließend werden zwei Konzepte aus der Software-Ergonomie herausgegriffen und in abgewandelter Form in zwei Prototypen umgesetzt. Hierfür wird ein Fernglasgehäuse in ein Eingabegerät für eine Stereoleinwand umgebaut. In der anschließenden Evaluation wird untersucht, welcher der Prototypen als intuitiver und attraktiver wahrgenommen wird. Hierfür werden beide hinsichtlich der Kriterien für intuitive Benutzbarkeit untersucht, welche zuvor aus den Modellen und Theorien herausgefiltert wurden.
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.
This work describes a novel software tool for visualizing anatomical segmentations of medical images. It was developed as part of a bachelor's thesis project, with a view to supporting research into automatic anatomical brain image segmentation. The tool builds on a widely-used visualization approach for 3D image volumes, where sections in orthogonal directions are rendered on screen as 2D images. It implements novel display modes that solve common problems with conventional viewer programs. In particular, it features a double-contour display mode to aid the user's spatial orientation in the image, as well as modes for comparing two competing segmentation labels pertaining to one and the same anatomical region. The tool was developed as an extension to an existing open-source software suite for medical image processing. The visualization modes are, however, suitable for implementation in the context of other viewer programs that follow a similar rendering approach.
The modified code can be found here: soundray.org/mm-segmentation-visualization.tar.gz.
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