Institut für Computervisualistik
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Institut
Proceedings des FWS 2015
(2016)
Die Aufnahme, Verarbeitung und Analyse farbiger bzw. mehrkanaliger Bilder gewinnt seit Jahren ständig an Bedeutung. Diese Entwicklung wird durch die verbesserten technischen Möglichkeiten und die stetig steigenden Ansprüche aus den vielfältigen Anwendungsfeldern in Industrie, Medizin, Umwelt und Medien befördert. Diesem Trend folgend wurde in Koblenz 1995 erstmals der Workshop Farbbildverarbeitung durchgeführt und hat sich seitdem als jährlich stattfindende Veranstaltung etabliert. Als Veranstaltung der German ColorGroup bietet der Workshop ein Diskussionsforum für Forscher, Entwickler und Anwender, das sich den Problemen der Farbtheorie, Farbmessung, Farbbildaufnahme und spektralen Bildgewinnung ("hyper-spectral imaging") genauso wie der Entwicklung von neuen Methoden und Algorithmen zur Verarbeitung und Analyse von Farbbildern und mehrkanaligen (spektroskopischen) Bilddaten widmet. Ebenso nehmen Fragestellungen der farbtreuen Bildreproduktion auf verschiedenen Ausgabemedien wie auch die Nutzung von Methoden und Verfahren der Farbbildverarbeitung im Rahmen der industriellen Qualitätskontrolle sowie in Robotik und Automatisierung gebührenden Platz ein.
In dieser Arbeit soll ein dreidimensionales, echtzeitfähiges Landschaftsmodell des Mittelrheintals erstellt werden. Dabei soll die Modellerstellung soweit wie möglich automatisiert werden. Als Datengrundlage dienen das digitale Landschaftsmodell ATKIS-Basis DLM sowie das digitale Geländemodell (DGM), welches die notwendigen Höheninformationen zur Erzeugung des dreidimensionalen Modells enthält. Insbesondere soll dabei untersucht werden, wie sich die Generierung von Landschaftsmerkmalen wie Infrastruktur und Vegetation durch ein parametrisierbares Modell automatisieren lässt, und inwieweit sich die verwendeten Daten für einen solchen Automatisierungsprozess eignen.
Ziel dieser Arbeit war es, ein (ggf. aus Teilverfahren zusammengesetztes) Gesamtsystem zur Generierung von Stadt- und Gebäudemodellen zu entwickeln und umzusetzen. Dabei war insbesondere wichtig, dass die baulichen Elemente einer Stadt durch realistisch wirkende, dreidimensionale Formen repräsentiert und auch in großer Anzahl unter Echtzeit-Bedingungen dargestellt werden können.
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.
Die vorliegende Diplomarbeit thematisiert die quantitative Analyse und die Visualisierung von Infarktgewebe des linken Herzmuskels. Im Mittelpunkt der Untersuchung steht das Ausmaß der Narbe und deren Deformation ueber den Herzzyklus. Fuer die Narbenausdehnung stehen so genannte Late-Enhancement-Daten zur Verfuegung, die das avitale Gewebe durch ein Kontrastmittel hervorheben. Anhand von automatisierten Verfahren wird die Narbe aus den Bilddaten extrahiert und auf ihre Groesse, Lokalisation und Transmuralitaet quantifiziert. Die Transmuralitaet gibt dabei das lokale Verhaeltnis zwischen der Herzwand- und der Narbenbreite an. Des Weiteren wird die Narbe für die Beurteilung der Beschaffenheit dreidimensional in dem Analysefenster dargestellt. Der Mediziner kann durch das entwickelte Verfahren innerhalb kuerzester Zeit Aussagen ueber das Ausmass und den Ursprung des Herzinfarktes treffen und zudem die Ergebnisse durch verschiedene visuelle Darstellungen kontrollieren. Die Deformation des Narbengewebes über den Herzzyklus und deren Integration mit den dynamischen Cine-Daten wurde bereits in einer vorangegangenen Diplomarbeit umgesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine visuelle Verbesserung der Deformationsergebnisse angestrebt, die das Narbengewebe aus den Volumendaten extrahiert. Das avitale Gewebe wird durch das Eliminieren von uninteressanten Bildinformationen hervorgehoben und verbessert somit die visuelle Analyse der Narbendeformation ueber den Herzzyklus. Beide Verfahren liefern eine detaillierte und eindeutige Analyse des Infarktgewebes, die die manuelle Untersuchung in der klinischen Praxis ergaenzen kann.
Für die Netzwerkprogrammierung hat sich auf breiter Front das Socket API nach Vorbild der Berkley Sockets durchgesetzt. Die "normalen" Sockets in Form von Stream- oder Datagram-Sockets erleichtern zwar die Programmierarbeit, verschleiern jedoch auch zahlreiche Details der Netzwerkkommunikation vor dem Programmierer. So ist man beispielsweise auf die Nutzung der Protokolle TCP oder UDP eingeschränkt und agiert zwangsläufig bereits auf dem Application-Layer des TCP/IP Referenzmodells. Für den Zugriff auf tiefer gelegene Netzwerkschichten, d.h. für den Zugriff auf die Headerdaten eines Netzwerkpaketes, hält das Socket API die sogenannten RAW Sockets bereit. Mit ihnen ist es möglich, alle IP Pakete inklusive Headerdaten zu lesen oder von Grund auf neu zu generieren. Hiermit ist es nun auch möglich, Protokolle zu verwenden, die dem Anwendungsprogrammierer bislang nicht zugänglich waren (z.B. ICMP oder OSPF) oder sogar eigene IP basierte Protokolle zu entwickeln. RAW Sockets stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum geht auf den Data-Link-Layer der Netzwerkkommunikation zuzugreifen. Unter Linux gibt es hierfür einen weiteren Socket-Typ: Den PACKET Socket. Die Studienarbeit möchte einen Einstieg in die Programmierung mit den eher unbekannten RAW und PACKET Sockets schaffen. Dabei werden einige Beispielprogramme vorgestellt und mögliche Anwendungsgebiete aufgezeigt.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein Raytracer auf Voxel-Octrees für SSE-fähige CPUs implementiert. Als Grundlage diente das Augenblick-SDK der Firma Numenus. Es konnte gezeigt werden dass das Raytracing von Volumendaten exzellent skaliert und sich vor allem für sehr große, statische Datenmengen eignet.
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.
Eine der grundlegenden Entscheidungen bei der Entwicklung eines Systems ist die Darstellung der Daten. Üblicherweise werden in der Computergrafik Objekte durch Dreiecke dargestellt. Allerdings existieren viele weitere Varianten, welche andere Stärken und Schwächen besitzen. In dieser Arbeit soll die Repräsentation von Objekten durch Distanzfelder untersucht werden. Distanzfelder sind Funktionen, welche für jeden Raumpunkt die Distanz zum nächsten Oberflächenpunkt angeben. Aus dieser einfachen Beschreibung lassen sich viele interessante Eigenschaften ableiten, welche zur Darstellung einer Vielzahl von Formen, Operationen und Effekten genutzt werden können. Es wird ein Überblick über die Hintergründe und Methoden des Distanzfeld-Renderings gegeben. Weiterhin werden verschiedene neue oder erweiterte Ansätze vorgestellt, etwa zur Darstellung impliziter Oberflächen, approximativer indirekter Beleuchtung oder einer GPU Implementation.
Raytracing von NURBS
(2019)
NURBS sind eine Art von Splines, die besondere Eigenschaften besitzen.
Das ray tracen von NURBS ist eine der Darstellungsmöglichkeiten von NURBS.
Dies ist durch das konkrete berechnen von Schnittpunkten mit Strahlen
möglich. Durch die vielseitige Möglichkeiten der Modellierung mittels NURBS
sind diese beliebt in Anwendungen die im Maschinenbau verwendet werden
und auch anderen CAD-Programmen. Diese Arbeit befasst sich mit der
Berechnung von NURBS-Kurven und -Oberflächen, dem direkten rendern
von diesen und wägt ab ob sich der Aufwand dafür im Vergleich zu Tesselierung
lohnt.
Die Idee, die dieser Arbeit zugrunde liegt, ist es, die Augmented Reality auch in anderen Bereichen voranzutreiben. In der Filmindustrie beispielsweise behilft man sich schon seit langem mit sowohl virtuellen als auch realen Methoden (computergestützten Visualisierungen, Miniatur-Kulissen), um eine Vorvisualisierung der Dreharbeiten zu erhalten, welche zur Planung des Arbeitsablaufs verwendet werden können. Die Idee liegt hierbei darin, dass durch ein Werkzeug, welches sich der Augmented Reality bedient, zum Beispiel Belichtungsverhältnisse bereits im Voraus ausgetestet werden könnten, oder der Kameramann seine Einstellungen proben kann. So können hierfür mitunter virtuelle Objekte in eine Miniaturszene eingeblendet werden, mit denen die realen Voraussetzungen des Drehorts nachgeahmt werden. Um diese Vorstellung von einem Werkzeug für die Filmindustrie zu ermöglichen, wird ein gutes und stabiles Tracking benötigt, das die nötigen Eigenschaften zur Verfügung stellt. Um ein solches Trackingsystem geht es in dieser Studienarbeit.
Rissmuster enthalten zahlreiche Informationen über die Entstehung der Risse und können für die Technik oder die Kulturgeschichte von großem Wert sein. So vereinfacht etwa die automatische oder halbautomatische Klassifizierung von Abbildungen solcher Rissmuster die Echtheitsprüfung antiker Artefakte oder die Materialforschung. Teilweise existieren bereits Klassifizierungsverfahren, die sich für die computergestützte Auswertung einsetzen lassen. Da es bislang kein Verfahren zur objektivierten Auswertung und Analyse von Rissmustern gab, entstand 2007 in Zusammenarbeit mit der Stuttgarter Staatlichen Akademie der Bildenden Künste das Projektpraktikum Rissmusteranalyse (Primus), das die automatische Klassifikation von Rissmuster-Aufnahmen ermöglicht. Daran angebunden sollte ein Datenbanksystem die Bilder samt ihrer Analyseergebnisse verwalten und darstellen können. Eine einfach zu bedienende grafische Benutzeroberfläche soll verschiedene Methoden anbieten, die mit jeweils unterschiedlichen Bildverarbeitungsverfahren eine robuste Klassifikation der Rissmuster und den anschließenden Transfer in die Datenbank ermöglichen. Zunächst werden die aktuelle Situation des Projektes Primus und dessen grundlegende Strukturen dargestellt, unter besonderer Berücksichtigung der verwendeten Programmiersprache Qt. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet das Redesign der Benutzeroberfläche und deren Erweiterung um neue Komponenten wie Qt-Objekte und einen separaten Tracer.
Die Entwicklung der echtzeitfähigen Computergrafik ermöglicht mittlerweile immer realistischere Bilder und die Hardware kann dafür optimal ausgenutzt werden, wodurch immer glaubwürdigere Lichtverhältnisse simuliert werden können. Eine große Anzahl von Algorithmen, effizient implementiert auf der Grafikkarte (GPU, auch Grafikprozessor)), sind fähig komplexe Lichtsituationen zu simulieren. Effekternwie Schatten, Lichtbrechung und Lichtreflexion können mittlerweile glaubwürdig erzeugt werden. Besonders durch Reflexionen wird der Realismus der Darstellung erhöht, da sie glänzende Materialien, wie z.B. gebürstete Metalle, nasse Oberflächen, insbesondere Pfützen oder polierte Böden, natürlich erscheinen lassen. Dabei geben sie einen Eindruck der Materialeigenschaften, wie Rauheit oder Reflexionsgrad.rnAußerdem können Reflexionen vom Blickpunkt abhängen: Eine verregnete Straße zum Beispiel würde Licht, abhängig von der Entfernung des Betrachters reflektieren und verwaschene Lichtreflexe erzeugen. Je weiter der Betrachter von der Lichtquelle entfernt ist, desto gestreckter erscheinen diese. Ziel dieser Bachelorarbeit ist, eine Übersicht über existierende Render-Techniken für Reflexionen zu geben, um den aktuellen Stand der Technik abzubilden. Reflexion entsteht durch den Einfall von Licht auf Oberflächen, die dieses in eine andere Richtung zurückwerfen. Um dieses Phänomen zu verstehen, wird eine Auffassung von Licht benötigt. Kapitel 2.1 beschreibt daher ein physikalisches Modell von Licht, gefolgt von Kapitel 2.2, das anhand von Beispielen ästhetisch wirkender Reflexionseffekte aus der realenrnWelt und den Medien die Motivation dieser Arbeit darlegt. In Kapitel 3 soll die generelle Vorgehensweise beim Rendern von Reflexionen deutlich gemacht werden. Danach wird in Kapitel 4 eine grobe Übersicht über existierende Ansätze gegeben. In Abschnitt 5 werden dann drei wesentliche Algorithmen vorgestellt, die zur Zeit oft in Spiel- und Grafikengines verwendet werden: Screen Space Reflections (SSR), Parallax-corrected cube mapping (PCCM) und Billboard Reflections (BBR). Diese drei Ansätze wurden zusammen in einem Framework implementiert. Dieses wird in Kapitel 5 vorgestellt und erklärt, gefolgt von detaillierten Beschreibungen der drei Techniken. Nachdem ihre Funktionsweise erklärt wurde, werden die Ansätze analysiert und auf ihre visuelle Qualität sowie ihre Echtzeitfähigkeit getestet. Abschließend werden die einzelnen Verfahren miteinander verglichen, um ihre Vor- und Nachteile zu untersuchen. Außerdem werden die gewonnenen Erfahrungen beschrieben und Verbesserungsansätze vorgeschlagen. Danach wird ein kurzer Ausblick zur voraussichtlichen Entwicklung von Render-Techniken spekularer Effekte gegeben.
In der Computergrafik stellte die Berechnung von Reflexionen lange ein
Problem dar. Doch mit der ständigen Weiterentwicklung der Hardware
und Vorstellung neuer Verfahren ist eine realitätsnahe,
echtzeitfähige(durchschnittlich 60 FPS) Berechnung von Reflexionen möglich. In der folgenden Ausarbeitung werden verschiedene Reflexionsverfahren vorgestellt. Alle mathematischen und physikalischen Grundlagen werden gegeben, um die Algorithmen nachvollziehen zu können. Da eine Reflexion immer das Abtasten eines reflektierten Vektors bedeutet, werden zwei verschiedene Abtastungsverfahren für blickabhängige Reflexionen vorgestellt und anschließend implementiert. Zuletzt werden die Verfahren auf Basis von Qualität und Performance gegenübergestellt.
In keinem Bereich der Informatik hat sich die Hardware so rasant entwickelt,
wie im Bereich der Computergraphik. Dabei bietet die GPU, neben
der reinen Darstellung von Dreiecken, inzwischen auch eine Reihe weiterer
Pipeline-Schritte, die auch die Darstellung von anderen graphischen
Objekten, wie zum Beispiel den Freiformflächen, ermöglicht.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Rendering von Freiformflächen,
insbesondere dem der Bézierflächen. Dafür wurde für das Rendering Framework
der Universität Koblenz (CVK) eine entsprechende Implementierung
zur Verwaltung und Darstellung von Bézierflächen erstellt. Dazu wurde
zunächst die Triangulation und schließlich die Tessellierung der Bézierflächen
mit Normalen und Texturkoordinaten, sowie die Behandlung von
Trimmkurven erstellt.
In der Computergrafik stellte das echtzeitfähige
Rendern von Haaren und Fell ein Problem dar. Die
Berechnung der Beleuchtung, Schattierung und
Transparenz erfordert einen hohen Rechenaufwand,
welcher sich negativ auf die Performanz auswirkt.
Doch durch verbesserte Hardware und neue Verfahren
ist es möglich, solch komplexe Effekte in Echtzeit
zu simulieren. In folgender Arbeit werden die
Grundlagen des Renderings von Haaren erläutert.
Außerdem wurde im Rahmen der Arbeit eine
echtzeitfähige Demo implementiert, deren zugrunde
liegende Verfahren und Funktionalitäten beschrieben
werden. Um die Demo zu evaluieren wurde die mögliche
Anzahl an Bildern pro Sekunde bei Modellen
unterschiedlicher Komplexität gemessen. Schließlich
wurden die Ergebnisse mit Bildern von echten Haaren
verglichen.
Die vorliegende Arbeit stellt eine Rigid-Body Physik-Engine vor, deren Schwerpunkt auf der Kollisionserkennung per GPU liegt. Die steigende Performanz und Zugänglichkeit moderner Grafikkarten sorgt dafür, dass sich diese auch für Algorithmen nutzen lassen, die nicht nur zur Bilderzeugung gedacht sind. Dieser Vorteil wird genutzt, um eine effiziente auf Partikeln basierende Kollisionserkennung zu implementieren. Mit Hilfe einer Testumgebung wird dann der Performance-Unterschied zwischen CPU und GPU dargestellt.
This paper describes the robot Lisa used by team
homer@UniKoblenz of the University of Koblenz Landau, Germany, for the participation at the RoboCup@Home 2016 in Leipzig, Germany. A special focus is put on novel system components and the open source contributions of our team. We have released packages for object recognition, a robot face including speech synthesis, mapping and navigation, speech recognition interface via android and a GUI. The packages are available (and new packages will be released) on http://wiki.ros.org/agas-ros-pkg.