Institut für Computervisualistik
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In dieser Arbeit wird eine interaktive Applikation für das Android OS entwickelt. Bei der Applikation handelt es sich um ein Virtual-Reality-Spiel. Das Spiel gehört zum Ego-Shooter-Genre und spielt in einem Weltraumszenario. Durch den Einsatz eines Stereo-Renderers ist es möglich, das Spiel in Kombination mit einer Virtual-Reality-Brille zu spielen.
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.
Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Implementation einer virtuellen Realitätserfahrung. Ziel ist es, zwei Fragen zu beantworten: Ist es möglich, eine immersive virtuelle Anwendung zu erschaffen, die hauptsächlich Impulse und Trigger benutzt, um Angst und Schrecken bei den Benutzern zu erzeugen? Zweitens, ist diese Immersion ausreichend, die Benutzer so zu illusionieren, dass sie die virtuelle Welt für die Reale halten. Zur Erschaffung dieser Erfahrung wurde die Programmierumgebung Unity3D sowie Visual Studios 2017 verwendet. Um festzustellen, ob diese VR-Anwendung tatsächlich immersiv für den Anwender ist, wurde ein Experiment mit sieben Probanden durchgeführt. Nach der Spieltestung wurden die Probanden zu Ihren Erfahrungen mittels eines Fragebogens befragt. Es konnte dadruch gezeigt werden, dass diese Anwendungen Tendenzen zur Immersion aufweisen. Jedoch waren sich die Benutzer der Situation, in der sie sich befanden, stets bewusst. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Immersion nicht stark genug war, um die Probanden bezüglich der virtuellen und realen Welt zu täuschen.
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.
The development of a game engine is considered a non-trivial problem. [3] The architecture of such simulation software must be able to manage large amounts of simulation objects in real-time while dealing with “crosscutting concerns” [3,p. 36] between subsystems. The use of object oriented paradigms to model simulation objects in class hierarchies has been reported as incompatible with constantly changing demands during game development [2, p. 9], resulting in anti-patterns and eventual, messy refactoring.[13]
Alternative architectures using data oriented paradigms revolving around object composition and aggregation have been proposed as a result. [13, 9, 1, 11]
This thesis describes the development of such an architecture with the explicit goals to be simple, inherently compatible with data oriented design, and to make reasoning about performance characteristics possible. Concepts are formally defined to help analyze the problem and evaluate results. A functional implementation of the architecture is presented together with use cases common to simulation software.
Simulation von Schnee
(2019)
Mit Hilfe von Physiksimulationen lassen sich viele
Naturphänomene auf dem Rechner nachbilden. Ziel ist, eine physikalische
Gegebenheit möglichst korrekt zu berechnen, um daraus Schlüsse für die
reale Welt zu ziehen. Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Medizin,
die Industrie, aber auch Spiele oder Filme.
Schnee ist aufgrund seines physikalischen Aufbaus und seinen Eigenschaften
ein sehr komplexes Naturphänomen. Um Schnee zu simulieren, müssen
verschiedene Materialeigenschaften beachtet werden.
Die wichtigste Methode, die sich mit der Simulation von Schnee und seiner
Dynamik befasst, ist die Material-Point-Method. In ihr werden die auf
der Kontinuumsmechanik basierenden Lagrange-Partikel mit einem kartesischen
Gitter vereint. Das Gitter ermöglicht die Kommunikation zwischen
den eigentlich nicht verbunden Schneepartikeln. Zur Berechnung werden
Daten der Partikel auf die Gitterknoten übertragen. Dort werden Berechnungen
mit Informationen über benachbarte Partikel durchgeführt. Die Ergebnisse
werden danach zurück auf die Partikel übertragen.
Durch GPGPU-Techniken lassen sich physikalische Simulationen auf der
Grafikkarte implementieren. Verfahren wie die Material-Point-Method lassen
sich durch diese Techniken gut parallelisieren.
Diese Arbeit geht auf die physikalischen Grundlagen der Material-Point-
Method ein, und implementiert diese mit Hilfe von Compute-Shadern auf
der Grafikkarte. Anschließend werden Performanz und Qualität bewertet.
Das fotorealistische Rendering von Fell ist ein oft gesehenes Problem in der Computergrafik und wird besonders bei Animationsfilmen häufig gebraucht. In dieser Arbeit werden zwei Beleuchtungsmodelle, ursprünglich zum Rendern von menschlichen Haaren, vorgestellt. Dies ist zum einen das Modell von Marschner et al. aus dem Jahr 2003, welches als Grundlage für viele neuere Modelle gilt, sowie das Modell von d’Eon et al. aus dem Jahr 2011. Beide Modelle werden innerhalb eines Pathtracers, welcher globale Beleuchtung simuliert, implementiert. Es werden die Besonderheiten von Haar-Fasern aus Fell im Gegensatz zu menschlichen Haar-Fasern aufgezeigt und folglich erläutert, warum die präsentierten Modelle auch für viele Fellarten genutzt werden können. Dabei liegt der Fokus auf einer realistischen visuellen Darstellung. Zusätzlich wird die Performance beider Modelle verglichen und Verbesserungsvorschläge durch die Nutzung von zylinder förmigen Schnittpunktobjekten für den Pathtracer gegeben und anhand der Implementation evaluiert.
Die folgende Bachelorarbeit gibt einen Überblick über verschiedene Ansätze und Verfahren zur prozeduralen Generierung von dreidimensionalen Stadtmodellen. Dabei wird vor allem die Nutzung generativer Grammatiken näher untersucht und in einer eigens implementierten Anwendung integriert. Der Schwerpunkt war es, ein vorgegebenes, primäres Straßennetz einzubinden und darauffolgend ein sekundäres Straßennetz sowie verschiedene Gebäude prozedural zu generieren. Die Anwendung ermöglicht es, umfangreiche und unterschiedlich strukturierte Stadtmodelle auf effiziente Weise zu erzeugen. Hinsichtlich des Realismus und Variantenreichtums weisen die Ergebnisse jedoch Grenzen auf.
In dieser Bachelorarbeit wird ein System zur Kameratracking implementiert, dass auf Basis eines Partikelfilters arbeitet. Dazu wird ein Markertracking realisiert und anhand der Markerposition die Kameraposition errechnet. Der Marker soll mit ein Partikelfilter gefunden werden und um das zu bewerkstelligen werden mögliche Markerpositionen simuliert, auch Partikel genannt, und mit Likelyhood Funktionen gewichtet. Fokus liegt auf der Evaluation von verschiedenen Likelyhood-Funktionen des Partikelfilters. Die Likelyhood-Funktionen wurden in CUDA umgesetzt als Teil der Implementation.
Raytracing mit Vulkan
(2018)
Der Schwerpunkt der vorliegenden Bachelorarbeit war die Entwicklung eines einfachen Raytracerprogrammes unter der Verwendung der Vulkan API, und das Einschätzen des Mehraufwandes im Vergleich zum Performancegewinn. Das Programm wird in dieser Arbeit vorgestellt. Die Vulkan Komponente des Programms wird detailliert erklärt. Anschließend wird das Programm mit einem, unter der Verwendung von OpenGL geschriebenen, ähnlichen Raytracerprogramm verglichen. Beide Programme verwenden dabei den gleichen Raytracer, der im Fragmentshader implementiert ist. Der Test ergibt, dass der mithilfe von Vulkan geschriebene Raytracer deutlich langsamer ist, als das zum Vergleich dienende OpenGL Programm.
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.
Global-Illumination ist eine wichtige Komponente beim Rendering von realistischen Bildern. Der Rechenaufwand für die akkurate Simulation dieser Effekte ist jedoch zu hoch für die Berechnung in Echtzeit. In dieser Arbeit werden Light-Propagation-Volumes, Scren-Space-Reflections und mehrere Varianten von Screen-Space-Ambient-Occlusion als Lösungen für Echtzeitrendering untersucht. Es wird gezeigt, dass alle schnell genug für den Einsatz in Echtzeitanwendungen sind. Die einzelnen Techniken approximieren nur einige Aspekte des Transports von Licht, ergänzen sich jedoch gegenseitig.
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.
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 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.
Die Koloskopie ist der Goldstandard zur Aufspürung von gefährlichen Darmpolypen, die sich zu Krebs entwickeln können. In einer solchen Untersuchung sucht der Arzt in den vom Endoskop gelieferten Bildern nach Polypen und kann diese gegebenenfalls entfernen. Um den Arzt bei der Suche zu unterstützen, erforscht die Universität Koblenz-Landau zur Zeit Methoden, die zur automatischen Detektion von Polypen auf endoskopischen Bildern verwendet werden können. Wie auch bei anderen Systemen zur Mustererkennung werden hierzu zunächst Merkmale aus den Bildern extrahiert und mit diesen ein Klassifikator trainiert. Dieser kann dann für die Klassifikation von ihm unbekannten Bildern eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurde das vorhandene System zur Polypendetektion um Merkmalsdetektoren erweitert und mit den bereits vorhandenen verglichen. Implementiert wurden Merkmale basierend auf der Diskreten Wavelet-Transformation, auf Grauwertübergangsmatrizen und auf Local Binary Patterns. Verschiedene Modifikationen dieser Merkmale wurden getestet und evaluiert.
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.
Part-of-Speech tagging is the process of assigning words with similar grammatical properties to a part of speech (PoS). In the English language, PoS-tagging algorithms generally reach very high accuracy. This thesis undertakes the task to test against these accuracies in PoS-tagging as a qualitative measure in classification capabilities for a recently developed neural network model, called graph convolutional network (GCN). The novelty proposed in this thesis is to translate a corpus into a graph as a direct input for the GCN. The experiments in this thesis serve as a proof of concept with room for improvements.