Institut für Computervisualistik
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Meine Bachelorarbeit ist als Fortsetzung und Weiterentwicklung der Studienarbeit "Erstellung einer HTML 5-basierten Lernoberflache zur Unterstützung der Zielgruppe der AnfängerInnen für das Softwareprogramm CrypTool 2" von Liane Syre, eingereicht am 13.08.2013 an der Universität Koblenz-Landau, konzipiert. Die Inhalte ihrer Studienarbeit dienen somit als Grundlage für die hier vorliegende Bachelorarbeit.
Ich habe im Rahmen meiner Bachelorarbeit einen Prototyp eines teilweise automatisierten Lerntagebuchs entwickelt, welchen ich im Folgenden Vorstellen mochte. Außerdem stelle ich meine ebenfalls eigenständig konzipierte LearnCrypTo-Homepage in dieser Arbeit vor.
Nach einer Einleitung in die Thematik (Kapitel 2) folgt eine Literaturstudie zu Serious Games als Teilbereich des Media-based Learning (Kapitel 3), in welchem auch explizit auf die Führung eines Lerntagebuches und didaktische Konzepte eingegangen wird.
Es folgt eine Beschreibung wichtiger Aspekte bei der Erstellung einer Lernsoftware und gehe im Kontext der Serious Games noch mal auf die Spielerstellung ein (Kapitel 4).
Da meine Bachelorarbeit vor allem darauf ausgerichtet ist, CrypTool 2 AnfängerInnen nahe zu bringen, erläutere ich sodann die für benannte Zielgruppe wichtigsten Funktionen von CrypTool 2 (Kapitel 5).
Dann gehe ich naher auf Inhalt und Aufbau meiner eigens erstellten LearnCrypTo-Homepage ein (Kapitel 6).
Ich erläutere gegen Schluss meiner Arbeit ausgewählte technische Aspekte (Kapitel 7).
In einem abschließenden Fazit versuche ich, die Ergebnisse meiner Arbeit zu bewerten und wage einen kleinen Ausblick (Kapitel 8).
Im Verlaufe der Arbeit wird vermehrt mit einer hauptsachlich englischen Terminologie gearbeitet. Um Missverständnissen vorzubeugen werde ich die englischen Begriffe bei ihrer ersten Verwendung in meiner Arbeit ins Deutsche übersetzen und im Folgenden dann weiter mit der englischen Bezeichnung arbeiten.
Um Lesbarkeit zu fordern benutze ich in meiner Arbeit das generische Maskulinum.
Online Handschrifterkennung chinesischer Schriftzeichen auf androidfähigen mobilen Endgeräten
(2014)
Um mobile Wörterbücher oder Übersetzer zu verwenden, braucht es eine Eingabe. Diese muss zuvor verarbeitet werden, um nutzbar zu sein. Für chinesische Zeichen bietet sich die Handschrift an, da die Schrift hauptsächlich aus Piktogrammen und Ideogrammen besteht.
In dieser Bachelorarbeit wird ein prototypisches Erkennungssystem auf einem mobilen Endgerät implementiert. Die Erkennung soll dabei online und somit während des Schreibens erfolgen. Dies kann dem Benutzer Zeit ersparen, indem verschiedene erkannte Vorschläge zur Laufzeit gegeben werden.
Es werden Grundlagen erläutert und ein Überblick über den aktuellen Stand der Forschung gegeben. Ein Ansatz wird ausgewählt und implementiert, der möglichst schnell ist und wenig Speicherplatz erfordert. Die Implementation wird getestet und es wird gezeigt, dass es möglich ist, eine schnelle Erkennung auf einem kleinen Gerät laufen zu lassen. Es werden Verbesserungen und Erweiterungen vorgeschlagen, sowie ein Ausblick gegeben.
Ziel der Bachelorarbeit war es, eine moderne Art des Geländespiels "Schnitzeljagd" zu entwickeln. Dieses sollte möglichst auf jedem aktuellen Smartphone spielbar sein, welches mit dem Betriebssystem Android arbeitet. Das Gelände ist begrenzt auf den Universitätscampus Koblenz, somit dient das Spiel auch dazu, den Campus besser kennenzulernen.
Den Benutzern der Campusjagd wird eine mobile Applikation geboten, welche sie anhand von Hinweisen und Rätseln über den kompletten Campus führt, um letztendlich an einen Zielort zu gelangen, an welchem sich ein "Schatz" befindet. Anstatt wie üblich auf dem Gelände Schnitzel bzw. Schnipsel mit Hinweisen zu verstecken, werden bei der Campusjagd QR-Codes aufgehängt, um so den Weg zu markieren. Zur Täuschung sind auch irrelevante Codes zu finden. Die Codes müssen in der richtigen Reihenfolge abgelaufen werden, d. h. von einem Code erhält der Spieler den Hinweis zum jeweiligen Nächsten. Außerdem ist es möglich, dass aus einem QR-Code mehrere Hinweise für nächste Stationen angezeigt werden.
Erweiterung der Konzeption und Implementierung einer Screening Applikation für mobile Endgeräte
(2014)
In dieser Bachelorarbeit werden ein bereits existierendes, generisches Konzept und ein existierender Prototyp für eine Smartphone Applikation zur Aufnahme,Überwachung und Dokumentation von äußerlichen Symptomen oder Betrachtungenrnam menschlichen Körper weiterentwickelt. Die bestehenden Funktionalitätenrnwerden anhand einer Analyse des bisherigen Prototypen ergänzt. Es werden das Konzept sowie dessen Funktionsbausteine, die im bestehenden Prototyp in der Android-Plattform implementiert wurden, auf Schwächen untersucht undrnerweitert. Darüber hinaus werden Optimierungs- und Erweiterungsmöglichkeiten für weiterführende Projekte aufgezeigt.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Verfahren zur realistischen augmentierten Bildsynthese auf Basis von 3D-Photo-Collections. 3D-Photo-Collections sind aus Einzelfotos automatisch erzeugte Repräsentationen einer realen Szene und geben diese als Menge von Bildern mit bekannten Kameraposen sowie einer groben punktbasierten Modellierung der Szenengeometrie wieder. Es wird eine fotorealistische augmentierte Bildsynthese von realen und virtuellen Anteilen in Echtzeit angestrebt, wobei die reale Szene durch 3DPhoto-Collections beschrieben wird. Um dieses Ziel zu erreichen, werden drei Problemfelder bearbeitet.
Da die Fotos unter Umständen in verschiedenen geräteabhängigen RGB Farbräumen liegen, ist eine Farbcharakterisierung der 3D-Photo-Collections notwendig, um korrekte, der menschlichen Wahrnehmung entsprechende Farbinformationen zu erhalten. Das hierzu entwickelte Verfahren transformiert alle Bilder automatisch in einen gemeinsamen Farbraum und vereinfacht so die Farbcharakterisierung von 3D-Photo-Collections.
Als Hauptproblem der augmentierten Bildsynthese muss die Umgebungsbeleuchtung der realen Szene bekannt sein, um eingefügte virtuelle Anteile konsistent zu den realen Anteilen zu beleuchten. Hierfür wurden zwei neue Verfahren zur Rekonstruktion der Umgebungsbeleuchtung aus den Bildern der 3D-Photo-Collection entwickelt.
Um eine Bildsynthese für beliebige Ansichten auf die Szene durchzuführen, wurde ein neues Verfahren zur bildbasierten Darstellung entwickelt, welches neue Ansichten auf die 3D-Photo-Collection unter direkter Verwendung der Punktwolke erzeugt. Dieser Ansatz erzeugt neue Ansichten in Echtzeit und erlaubt somit eine freie Navigation.
Insgesamt konnte mit den entwickelten Methoden gezeigt werden, dass 3D-Photo-Collections für Augmented-Reality eine geeignete Repräsentation von realen Anteilen sind und eine realistische Synthese mit virtuellen Anteilen durchgeführt werden kann.
Winzige vom Wind getriebene Wellen, flache, lange Wellen, steile sich überlagernde Wellen oder stürmische Brecher, sie alle kommen in jedem der Weltmeere und sogar in kleinen Seen vor. Die Wasseroberfläche ist eines der vielfältigsten Naturphänomene. Nicht nur die Bewegung der Wellen, auch die Spiegelung von Himmel, Sonne und Küste machen die Meeresoberfläche einzigartig. Gerade diese einzigartige Komplexität stellt ihre ganz eigenen Herausforderungen an die Nachahmung solcher Phänomene. Deshalb stellt die Berechnung von Wellen schon seit gut 400 Jahren Mathematiker vor eine große Aufgabe.
In den letzten fünfzig Jahren hat sich diese Herausforderung immer mehr in den Bereich der Informatik verschoben. Computergrafiker versuchen seit Jahrzehnten Wasser realistisch darzustellen. Die Forschung auf diesem Gebiet reicht mittlerweile von einfachen Ansätzen wie Rauschfiltern bis zu mathematisch hoch komplexen Ansätzen, wie der Fourier Transformation.
In der nachfolgenden Arbeit wird sowohl auf die geschichtliche Entwicklung der heutigen Wellentheorien, als auch auf die mathematischen Grundlagen dieser eingegangen. Schwerpunkt der Arbeit ist es, diese Methoden in OpenGL 3.3 zu implementieren.
In dieser Bachelorarbeit wird die Frage behandelt, ob ein Jump'n Run-Spiel mit Sensorensteuerung für Android-Geräte sinnvoll ist. Hierzu wurde ein Spiel entwickelt, das in unterschiedlichen Level einmal mit und ohne Sensoren steuerbar ist. In einer zweiten Version wird das Spiel komplett anhand von Sensoren gesteuert, damit man später die Steuerungen vergleichen kann. Es wird erklärt, wie das Spiel geplant, entworfen und untersucht wurde. Zudem wird geprüft, ob es schon Spiele mit Sensorensteuerung generell gibt. Die Engine, mit der das Spiel entwickelt wurde, wird ebenfalls vorgestellt. Abschließend erfolgt die Auswertung eines dafür ausgearbeiteten Nutzertests über die Spieltauglichkeit des Spiels hinsichtlich der Steuerung.
In den letzten Jahren ist eine steigende Verbreitung von Touchscreen-Geräten zu verzeichnen. Ihre Bedienung unterscheidet sich grundlegend von der mit Maus und Tastatur. Durch die Eingabe mit Gesten oder mehreren Fingern kann es schwierig sein den Aktionen eines Anderen zu folgen. Probleme entstehen durch die Verdeckung des Bildschirms mit der Eingabehand. Sieht man nur den Bildschirminhalt, zum Beispiel bei einer Videoübertragung, gehen Informationen über die Eingabe verloren.
In dieser Arbeit wird ein System entwickelt, das die kollaborative Arbeit an voneinander entfernten Touchscreen-Geräten verbessern soll. Dazu wird aus den Tiefendaten eines Kinect Sensors eine grafische Repräsentation der Eingabehand erstellt. Durch Einblendung dieser Visualisierung soll es einem Anwender erleichtert werden den Eingaben eines Anwenders zu folgen. Bedienkonzepte, wie zum Beispiel Gesten, sollen dadurch besser vermittelt werden. Außerdem soll so die Möglichkeit geschaffen werden, Informationen über eine gemeinsame Problematik effizienter auszutauschen. Deshalb wurde ein Testsystem mit zwei Arbeitsplätzen entwickelt. Darin übernimmt ein Anwender die Rolle des Erklärenden und führt einen zweiten Anwender, den Ausführenden, durch verschiedene Testszenarien. Hierbei stehen ihm bei einem Teil der Aufgaben die Visualisierung der Hand zur Verfügung, während er in anderen Aufgaben nur verbal mit seinem Gegenüber kommunizieren kann.
Im Rahmen einer Evaluation wird das System auf seine Effizienz zur Bedienung von Touchscreen-Systemen überprüft. Des Weiteren wird untersucht, inwieweit die grafische Qualität den gestellten Anforderungen genügt, um einen Mehrwert für die Anwendung zu bieten.
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.
Objekterkennung ist ein gut erforschtes Gebiet bei bildbasiertem Rechnersehenrnund eine Vielzahl an Methoden wurden entwickelt. In letzter Zeit haben sich dabei Ansätze verbreitet, die auf dem Implicit Shape Model-Konzept basieren. Dabei werden Objekte zunächst in grundlegende visuelle Bestandteile aufgetrennt, die um örtliche Informationen erweitert werden. Das so generierte Objektmodell wird dann in der Objekterkennung genutzt, um unbekannte Objekte zu erkennen. Seit dem Aufkommen von erschwinglichen Tiefenkameras wie der Microsoft Kinect wurde jedoch die Objekterkennung mittels 3D-Punktwolken von zunehmender Bedeutung. Im Rahmen des Robotersehens in Innenräumen wird ein Verfahren entwickelt, welches auf vorhandenen Ansätze aufbaut und damit die Implicit Shape Model basierte Objekterkennung für die Verarbeitung von 3D-Punktwolken erweitert.
Diese Arbeit vermittelt die mathematischen Grundlagen des Ray-Casting Algorithmus und bespricht eine interaktive Umsetzung auf Grafikkarten mit Hilfe einer modernen Schnittstelle. Die Implementation erfolgt im Rahmen eines umfassenden Programmes, welches weitere Techniken und Verbesserungen des Algorithmus für den Nutzer anwählbar macht. Unter anderem wird von Transferfunktionen und lokaler Beleuchtung Gebrauch gemacht, um realistische Materialien darstellen zu können. Die Benutzeroberfläche bietet die Möglichkeit, Volumina zu importieren, Transferfunktionen zu definieren, Parameter der Darstellung einzustellen und weitere Techniken zu aktivieren, deren Grundlagen und Umsetzung ebenfalls in dieser Arbeit dargelegt werden. Der Nutzen der anwählbaren Optionen wird je nach Fall auf optische Qualität oder Vorteil in der Performance hin untersucht.
Diese Arbeit stellt den Faltungshall vor, ein Verfahren, das es ermöglicht, in neutral klingenden Räumen aufgenommenes Audiomaterial mit realistisch klingendem Nachhall zu versehen. Dabei wird vor allem auf die Möglichkeit eingegangen, den Effekt auf einer GPU mit Hilfe von OpenCL zu berechnen, um die hohe Parallelisierbarkeit des Problems zu seiner Lösung zu nutzen. Ziel ist es, ein VST-Plugin entwickeln zu können, das den GPU-beschleunigten Faltungsalgorithmus in verschiedener Audiosoftware nutzbar macht.
Bei der Mensch-Maschine-Interaktion spielt die Verfolgung und Identifizierung von Personen eine wichtige Rolle. Im Rahmen dieser Arbeit ist für den Serviceroboter Lisa, der Arbeitsgruppe Aktives Sehen, ein Framework erstellt worden, um verschiedene Verfahren zur Erkennung, Verfolgung und Identifizierung von Personen zu kombinieren. Zuerst wird mittels 2D Lasers an eine Beindetektion durchgeführt um Hypothesen für Personen aufzustellen. Diese Annahme muss noch durch eine Analyse der Kinect-Punktewolke bestätigt werden. Nach erfolgreicher Bestätigung wird ein Online-Boosting auf RGB-Daten zur Identifizierung durchgeführt. Die Beindaten werden zudem mit einem linearen Kalman-Filter für die Schätzung der Personenbewegung genutzt. Durch die Kombination von Kalman-Filter mit Beindetektion und Online-Boosting soll Personenverfolgung ermöglicht werden. Des Weiteren soll eine Verwechslung von Personen - durch kurzzeitige Verdeckung oder fehlerhaftes assoziieren von Beinen - verhindert werden.
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.
Das Kommunikationsverhalten hat sich in den letzten Jahren durch die Smartphonenutzung verändert. Die Nutzer kommunizieren oft nur noch über den elektronischen Weg. Die persönliche Kommunikation, außerhalb des Smartphones, nimmt ab. Das Umfeld gerät unterdessen in Vergessenheit. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Spielkonzepte entwickelt, welche die Kommunikation steigern sollen. Realisiert wird der Ansatz in einer prototypischen Stadtführer-App, nach den Spielkonzepten von "Scotland Yard" und "Schnitzeljagd". Während der Nutzung müssen die Spieler verschiedene Aufgaben lösen. Welches Spielkonzept sich in Bezug auf die Kommunikationsförderung am besten eignet, wird in einer Evaluation analysiert.
Die folgende Arbeit analysiert die Funktionsweise und Programmiermöglichkeiten von Compute Shadern. Dafür wird zunächst in Kapitel 2 eine Einführung in Compute Shader gegeben, in der gezeigt wird, wie diese funktionieren und wie sie programmiert werden können. Zusätzlich wird das Zusammenspiel von Compute Shadern und OpenGL 4.3 anhand zweier einführender Beispiele gezeigt. Kapitel 3 beschreibt dann eine N-Körper Simulation, welche implementiert wurde um die Rechenleistung von Compute Shadern und den Einsatz von gemeinsamen Speicher zu zeigen. Danach wird in Kapitel 4 gezeigt, inwiefern sich Compute Shader für physikalische Simulationen eignen und wo Probleme auftauchen können. In Kapitel 5 wird ein eigens konzipierter und entwickelter Algorithmus zur Erkennung von Linien in Bildern beschrieben und anschließend mit der Hough Transformation verglichen. Zuletzt wird in Kapitel 6 ein abschließendes Fazit gezogen.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung einer Simulationsumgebung zur Darstellung von Objekten im Weltraum und ihrer gravitativen Wechselwirkung zu einander.
Vorab werden in Kapitel 1 Motivation und Zielsetzung der Arbeit erläutert, des Weiteren werden die verwendeten Werkzeuge benannt. Die nötigen astronomischen Grundlagen werden in Form von Begriffserklärungen und der Vorstellung der dieser Arbeit zugrunde liegenden physikalischen Gesetze in Kapitel 2 beschrieben.
Kapitel 3 befasst sich mit dem Aufbau der einzelnen Klassen. Hier wird insbesondere auf die Berechnung der Positionen und Geschwindigkeiten der simulierten Himmelskörper und den Aufbau und die Funktionsweise der verwendeten Elemente der Graphikengine Ogre3D eingegangen.
Im Kapitel 4 wird der Einsatz des Werkzeugs 3ds Max zur Erstellung der Geometrieobjekte und Materialien erläutert.
Abschließend wird in Kapitel 5 ein Fazit gezogen und mögliche zukünftige Erweiterungen erwogen.
Ein Werkzeug zur schnellen Erstellung individueller Schriftarten für die jeweiligen akuten Bedürfnisse wäre ein hilfreiches Instrument für Grafiker und Typographen. Die Anforderung für ein solches Instrument kann kaum sein, gute Schriftsätze zu erzeugen, dies liegt in den Händen des Gestalters, jedoch sollte sie jedem, der sich mit dem Thema befassen möchte, einen leichten Einstieg in die Gestaltung geben. Diese Arbeit versucht somit eine möglichst simple Lösung für das komplexe Thema der Schriftgestaltung zu liefern.
Die Nutzung mehrerer Merkmalsräume führt zu einer Steigerung der Erkennungsrate. Jedoch darf die Menge der für einen Merkmalsvektor gespeicherten Daten nicht zu großrnwerden, da es sonst zu Laufzeitproblemen in der zeitkritischen Erkennungsphase kommt. Der Vergleichsaufwand steigt stark an, da aus dem zu analysierenden Bild annährend dieselbe Menge Daten generiert werden müssen und mit allen Objektdaten aus der Objektdatenbank verglichen werden müssen. Hierbei könnte ein Baumstruktur innerhalb der Objektdatenbank helfen, die mittels abstrakter Objekte in den oberen Ebenen eine Vorselektierung anhand bestimmter Merkmalsvektorwerte trifft und damit unnötige Vergleichsoperationen verhindern. Im Allgemeinen berücksichtigen die wenigsten Objekterkennungsmethoden den semantischen als auch realen Kontextes eines Objektes, welche für die menschliche Wahrnehmung eine essentielle Bedeutung hat. Dieses Merkmal könnte man neben den anderen in dieser Arbeit vorgestellten Merkmalen in einen Erkennungsalgorithmus einbringen. Solche Algorithmen, die diese Zusammenhänge verarbeiten, benötigen große semantische Netzwerke, die die Beziehung von Objekten zueinander sowie die Wahrscheinlichkeit des Vorkommens von Objekten im Umfeld von anderen Objekten abbilden. Auch hier müsste natürlich auch darauf geachtet werden das die Vergleichsoperationen nicht die nahezu echtzeitfähige Ausführung behindern.
We present a non-linear camera pose estimator, which is able to handle a combined input of point and line feature correspondences. For three or more correspondences, the estimator works on any arbitrary number and choice of the feature type, which provides an estimation of the pose on a preferably small and flexible amount of 2D-3D correspondences. We also give an analysis of different minimization techniques, parametrizations of the pose data, and of error measurements between 2D and 3D data. These will be tested for the usage of point features, lines and the combination case. The result shows the most stable and fast working non-linear parameter set for pose estimation in model-based tracking.