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.
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
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.
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 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.
In der vorliegenden Arbeit wird dem Leser aufgezeigt, welche Methoden zur Kurvenskelettierung von 3D-Modellen existieren und welche Ansätze bei bisherigen Forschungsergebnissen von Skelettierungsmethoden in der Bildverarbeitung verfolgt werden. Der Autor geht im weiteren Verlauf auf einen aktuellen Kurvenskelettierungsansatz ein. Die Implementierung dieses Ansatzes wird detailliert analysiert und ein algorithmisches Verfahren entwickelt, um die Kurvenskelette der analysierten Methode hin zu 3D-Skeletten einer eigenen Kurvenskelettdefinition zu modifizieren, mit der es möglich ist, Merkmalsvektoren für Ähnlichkeitsvergleiche zwischen 3D-Objekten zu berechnen. Es wird eine Ground Truth durch menschliche Ähnlichkeitsbestimmung gebildet. Des Weiteren wird auf Grundlage der modifizierten Skelette eine Ähnlichkeitsberechnung durchgeführt. Danach wird die menschliche Ähnlichkeitsbestimmung der algorithmisch berechneten Ähnlichkeitsberechnung gegenüber gestellt und nach bekannten Verfahren aus dem Information Retrieval ausgewertet.
Die Animation von Modellen ist zu einem wichtigen Teil in den unterschiedlichsten und alltäglichen Bereichen unseres Lebens geworden. Es ist eine anspruchsvolle Aufgabe der Computergrafik eine natürliche Deformation von organischen Modellen zu generieren. Skinning ist eine übliche Methode um Modelle zu animieren ohne die Animation jedes Vertices. Die Oberfläche des Modells wird automatisch durch die Manipulation einzelner Knochen eines Skeletts deformiert.
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit dem meist genutzen Algorithmus,dem Linear Blend Skinning Algorithmus, der bezüglich des visuellen Eindrucks und der Performanz optimiert werden soll. Zusätzlich werden Instancing Methoden vorgestellt und in der Anwendung mit Skinning Methoden kombiniert um deren Vor- und Nachteile aufzuzeigen.
Die Studienarbeit analysiert mit Hilfe einer erweiterten Balancetheorie die Relationen des Roboters zu den Personen im Kamerabild und den Personen untereinander. Es wurde gezeigt, dass die Abstraktion der Balancetheorie auf eine konkrete Anwendung übertragen werden kann. Allerdings muss die Theorie erweitert und teilweise eingeschränkt werden, um sie flexibler, aber gleichzeitig passend zur Anwendung zu gestalten. Dadurch wird die theoretische Grundlage, auf der die Arbeit beruht, ebenfalls verändert. Damit diese Modifikationen nicht den Rahmen der psychologischen Grundlage verlassen, müssen sie wiederum mit psychologischen Mitteln untersucht werden. Das würde allerdings den Umfang dieser Arbeit überschreiten, aber bietet ein Ansatz für eine interdisziplinäre Zusammenarbeit der Psychologie und Robotik. Die Interaktion und das Verhalten der Maschinen nach menschlicher Vorlage zu gestalten, ist für beide Disziplinen von Interesse. Im Kontext der Entwicklung einer ausreichenden Interaktion zwischen der Maschine und dem Menschen, wäre es interessant zu erforschen, welche sozialen Merkmale detektiert werden müssten, zum Beispiel im Spektrum der Mimik. Darüberhinaus ermöglicht die Recognize-Pipeline ein Ansatz, die Interaktion über das Kamerabild hinaus zu verfolgen. Dadurch kann der Roboter das Gesicht mit vergangenen Interaktionen assoziieren und dem entsprechend agieren. Allerdings bedarf die Pipeline-Struktur weiterer Arbeit. So werden bestehende Datenbanken über ein Gesicht nicht mit neuen Bildern erweitert, so fern sie notwendig sind. Auch kann keine automatische Korrektur erfolgen, falls fehlerhafte Informationen in die Datenbank gelangen. So kann es vorkommen, dass das selbe Gesicht zwei unterschiedliche IDs erhält, wenn das Gesicht nicht wiedererkannt wird. Auch können sehr ähnliche Gesichter zusammenfallen zu einer ID. Solche Fehler müssten für eine stabile Anwendung selbständig korrigierbar sein.
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.
Die folgende Arbeit soll einen Überblick über bestehende Lösungen zur Interaktion in Erweiterten Realitäten (Augmented Reality) schaffen. Hierzu werden anhand dreier grundlegender Betrachtungsweisen unterschiedliche Interaktionskonzepte und -umsetzungen sowohl von der technischen, als auch von der konzeptuellen Seite her, vorgestellt. Neben Fragen der Visualisierung werden unterschiedliche Typen von Benutzungsschnittstellen vorstellt. Den größten Teil nehmen die drei typischen Interaktionsaufgaben Selektion- und Manipulation, Navigation und Systemkontrolle und die damit verbundenen Interaktionstechniken ein. Die Inhalte des Arbeitsberichts beschränken sich auf den Einsatz von Interaktionelementen in Augmented Reality Umgebungen. Dies geschieht in Abgrenzung zu Forschungsarbeiten auf dem Gebiet zu Interaktionstechniken in Virtual Reality Umgebungen (vollimmersiv oder auch desktoporientiert). Zwar standen und stehen viele Interaktionstechniken aus dem Bereich VR in der AR Pate, doch haben sich gerade im Bereich der AR neue Techniken und Konzepte entwickelt. Folglich sollen VR Techniken nur dann betrachtet werden, wenn Sie in AR Anwendungen angewendet wurden bzw. wenn ihre Anwendung sinnvoll erscheint.
In dieser Arbeit wird ein System zur Erzeugung und Darstellung stereoskopischen Video-Panoramen vorgestellt. Neben der theoretischen Grundlagen werden der Aufbau und die Funktionsweise dieses Systems erläutert.
Dazu werden spezielle Kameras verwendet, die Panoramen aufnehmen
können und zur Wiedergabe synchronisiert werden. Anschließend wird ein Renderer implementiert, welcher die Panoramen mithilfe einer VirtualReality Brille stereoskopisch darstellen kann. Dafür werden separate Aufnahmen für die beiden Augen gemacht und getrennt wiedergegeben. Zum Abschluss wird das entstandene Video-Panorama mit einem Panorama eines schon bestehenden Systems verglichen.
Eins der größten Ziele der Computergrafik ist die ästhetische Darstellung von Objekten. Neben herkömmlichen Verfahren existiert ein weiteres Feld, welches sich mit nicht-photorealistischen Renderings beschäftigt. Das Example-Based Rendering ist ein Gebiet, bei dem Benutzer ihren Kunststil, mit Hilfe einer handgemalten Vorlage, auf ein vorberechnetes 3D-Rendering übertragen können. Es existieren einige Algorithmen die bereits beeindruckende Ergebnisse liefern. Das Problem ist, dass die meisten Verfahren aus diesem Bereich zu den Offline-Verfahren zählen und nicht in der Lage sind Ergebnisse in Echtzeit zu produzieren. Aus diesem Grund zeigt diese Arbeit ein Verfahren, dass diese Bedingung erfüllt. Darüber hinaus wird untersucht, welchen Einfluss die Laufzeitminimierung auf die Resultate hat. Es sind Anforderungen definiert, auf die das Verfahren und dessen Ergebnisse überprüft werden. Dabei wird Bezug zu anderen Verfahren aus diesem Gebiet genommen und mit deren Resultaten verglichen.
Stylized image triangulation
(2019)
Die stilisierte Triangulierung ist ein beliebtes Stilmittel bei der Abstraktion von Bildern. Ergebnisse sind auf Covern von Magazinen zu finden oder als Kunstwerk zu kaufen. Eingesetzt wird diese Stilisierung auch bei mobilen Anwendungen oder gar bei Programmen, die sich ausschließlich mit der automatisierten Triangulation befassen.
Diese Arbeit basiert auf einer Veröffentlichung, die die adaptive dynamische Triangulierung als Optimierungsproblem versteht und damit, hinsichtlich der visuellen und technischen Qualität, neue Ergebnisse erzielt. Ziel dieser Arbeit ist es, dieses Verfahren möglichst vielen Nutzern zugänglich zu machen. Dazu wird eine mobile Anwendung - Mesh - entworfen und umgesetzt. Ein Host-Client System wird entwickelt, um die ressourcenbedürftige Berechnung nicht auf dem mobilen Endgerät ausführen zu müssen. Im Zuge dessen wird das Verfahren für die CPU portiert und zusätzlich ein Webserver entwickelt, der die Kommunikation zwischen dem Triangulierungsverfahren und der mobilen Anwendung herstellt. Die App «Mesh» bietet die Möglichkeit, ein beliebiges Bild zu dem Server zu senden, das nach der Bearbeitung heruntergeladen werden kann.
Ein Forschungsaspekt der Arbeit thematisiert die Optimierung des Verfahrens. Dafür wird der Gradientenabstieg, der die Energieminimierung durchführt, anhand verschiedener Ansätze untersucht. Die Einschränkung der Schrittmöglichkeiten, diagonale Schrittrichtungen und eine dynamische Neupositionierung werden getestet. Es zeigt sich, dass sich bei diagonaler Schrittrichtung, anstatt horizontaler und vertikaler, keine Verbesserung verzeichnen lässt. Die Einschränkung der Schrittrichtung, dass ein Punkt seine vorherige Position nicht erneut einnehmen kann, verursacht einen Verlust an optischer Qualität. Jedoch wird der globale angestrebte Approximationsfehler in kürzerer Zeit erreicht. Die vektorbasierte Variante der flexiblen Schrittrichtung resultiert mit längerer Berechnungszeit in qualitativ hochwertigeren Ergebnissen, sodass ästhetischere Resultate erzielt werden.
Ein weiterer Bestandteil dieser Arbeit setzt sich mit der Imitation eines Kunststils auseinander. Die Werke von Josh Bryan dienen als Inspiration. Mittels eines GLSL-Shaders soll durch die Verwendung von Pseudozufälligkeit ein natürlicheres Aussehen einer schraffierten Triangulierung erreicht werden. Ergebnisse zeigen, dass der Ansatz Möglichkeiten der Verbesserung aufweist, dass jedoch eine präzisere Triangulierung für eine hochwertige Imitation notwendig ist. Als letzter Bestandteil wird ein Renderstil präsentiert, der ausgehend von einem beliebigen Ausgangspunkt, die Dreiecke der Triangulation versetzt, sodass Lücken entstehen. Durch die freie Wahl des Zentrums des Effekts, ist ein Einsatz bei Animationen denkbar.
In dieser Arbeit werden jeweils ein Verfahren aus den beiden Bereichen der Bildregistrierung implementiert und beschrieben. Eine direkte und eine merkmalsbasierte Methode werden verglichen und auf ihre Grenzen hin überprüft. Die implementierten Verfahren funktionieren gut und registrieren beide verschiedene Bildserien subpixelgenau. Bei der direkten Methode ist vor allem die Wahl des Transformationsmodells ausschlaggebend. Auch das Einbetten der Methode in eine Gaußpyramidenstruktur hat sich als wichtig herausgestellt. Da die merkmalsbasierte Methode aus verschiedenen Komponenten aufgebaut ist, kann jeder einzelne Schritt durch unterschiedliche Verfahren ausgetauscht werden, so z.B. die Detektion der Merkmale durch Tomasi-Kanade, SIFT oder Moravec. In der direkten Methode kann die Genauigkeit der Ergebnisse zum einen durch den gewählten Schwellwert und zum anderen durch die Anzahl der Pyramidenstufen beeinflusst werden. Bei der merkmalsbasierten Methode wiederum können unterschiedlich viele Merkmale benutzt werden, die einen unterschiedlich hohen Schwellwert besitzen können. Es wird gezeigt, dass beide Methoden zu guten Ergebnissen führen, wenn davon ausgegangen wird, dass die Verschiebung sowie die Rotation gering sind. Bei stärkeren Veränderungen jedoch wird die direkte Methode recht ungenau, während die merkmalsbasierte Methode noch gute Ergebnisse erzielt. An ihre Grenze gerät sie erst, wenn entweder der Bildinhalt sich stark ändert, oder die Rotationen einen Winkel von 20° überschreitet. Beide Verfahren arbeiten also subpixelgenau, können aber unter verschiedenen Voraussetzungen zu Ungenauigkeiten führen. Werden die jeweiligen Probleme der beiden Methoden beachtet und am besten bei der Aufnahme oder vor der Registrierung eliminiert, so können sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Szeneneditor für ein Echtzeitanimationssystem und andere XML konfigurierte und erweiterbare Systeme
(2006)
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.
Tracking ist ein zentraler Bestandteil vieler moderner technischer Anwendungen, insbesondere in den Bereichen autonome Systeme und Augmented Reality. Für Tracking gibt es viele unterschiedliche Ansätze. Ein erst seit kurzem verfolgter ist die Verwendung von Neuronalen Netzen. Im Rahmen dieser Masterarbeit wird eine eine Anwendung erstellt, welche für das Tracking ein Neuronales Netz verwendet. Dazu gehört ebenfalls die Erstellung von Trainingsdaten, sowie die Erstellung des Neuronalen Netzes und dessen Training.
Anschließend wird die Verwendung von Neuronalen Netzen für Tracking analysiert und ausgewertet. Hierunter fallen verschiedene Aspekte. Es wird für eine unterschiedliche Anzahl an Freiheitsgraden geprüft wie gut das Tracking funktioniert und wie viel Performance dieser Ansatz kostet. Des Weiteren wird die Menge der benötigten Trainingsdaten untersucht, der Einfluss der Architektur des Netzwerks und wie wichtig das Vorhandensein von Tiefendaten für die Funktion des Trackings ist. Dies soll einen Einblick ermöglichen wie relevant dieser Ansatz für den Einsatz in zukünftigen Produkten sein könnte.
Das sichere Befahren von komplexen und unstruktierten Umgebungen durch autonome Roboter ist seit den Anfängen der Robotik ein Problem und bis heute eine Herausforderung geblieben. In dieser Studienarbeit werden drei Verfahren basierend auf 3-D-Laserscans, Höhenvarianz, der Principle Component Analysis (PCA) und Tiefenbildverarbeitung vorgestellt, die es Robotern ermöglichen, das sie umgebende Terrain zu klassifizieren und die Befahrbarkeit zu bewerten, sodass eine sichere Navigation auch in Bereichen möglich wird, die mit reinen 2-D-Laserscannern nicht sicher befahren werden können. Hierzu werden 3-D-Laserscans mit einem 2-D-Laserscanner erstellt, der auf einer Roll-Tilt-Einheit basierend auf Servos montiert ist, und gleichzeitig auch zur Kartierung und Navigation eingesetzt wird. Die einzeln aufgenommenen 2-D-Scans werden dann anhand des Bewegungsmodells der Roll-Tilt-Einheit in ein emeinsames 3-D-Koordinatensystem transformiert und mit für die 3-D-Punktwolkenerarbeitung üblichen Datenstrukturen (Gittern, etc.) und den o.g. Methoden klassifiziert. Die Verwendung von Servos zur Bewegung des 2-D-Scanners erfordert außerdem eine Kalibrierung und Genauigkeitsbetrachtung derselben, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen und Aussagen über die Qualität der 3-D-Scans treffen zu können. Als Ergebnis liegen drei Implementierungen vor, welche evolutionär entstanden sind. Das beschriebene Höhenvarianz-Verfahren wurde im Laufe dieser Studienarbeit von einem Principle Component Analysis basierten Verfahren, das bessere Ergebnisse insbesondere bei schrägen Untergründen und geringer Punktdichte bringt, abgelöst. Die Verfahren arbeiten beide zuverlässig, sind jedoch natürlich stark von der Genauigkeit der zur Erstellung der Scans verwendeten Hardware abhängig, die oft für Fehlklassifikationen verantwortlich war. Die zum Schluss entwickelte Tiefenbildverarbeitung zielt darauf ab, Abgründe zu erkennen und tut dies bei entsprechender Erkennbarkeit des Abgrunds im Tiefenbild auch zuverlässig.
Texture-based text detection in digital images using wavelet features and support vector machines
(2010)
In dieser Bachelorarbeit wird ein neues texturbasiertes Verfahren zur Detektion von Texten in digitalen Bildern vorgestellt. Das Verfahren kann im wesentlichen in zwei Hauptaufgaben unterteilt werden, in Detektion von Textblöcken und Detektion von einzelnen Wörtern, wobei die einzelnen Wörter aus den detektierten Textblöcken extrahiert werden. Im Groben agiert das entwickelte Verfahren mit mehreren Support Vector Machines, die mit Hilfe von waveletbasierten Merkmalen mögliche Textregionen eines Bildes zu wirklichen Textregionen klassiffzieren. Die möglichen Textregionen werden dabei durch unterschiedlich ausgerichtete Kantenprojektionen bestimmt. Das Resultat des Verfahrens sind X/Y Koordinaten, Breite und Höhe von rechteckigen Regionen eines Bildes, die einzelne Wörter enthalten. Dieses Wissen kann weiterverarbeitet werden, beispielsweise durch eine Texterkennungssoftware, um an die wichtigen und sehr nützlichen Textinformationrneines Bildes zu gelangen.