Institut für Computervisualistik
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Institut
Mit der Microsoft Kinect waren die ersten Aufnahmen von synchronisierten Farb- und Tiefendaten (RGB-D) möglich, ohne hohe finanzielle Mittel aufwenden zu müssen und neue Möglichkeiten der Forschung eröffneten sich. Mit fortschreitender Technik sind auch mobile Endgeräte in der Lage, immer mehr zu leisten. Lenovo und Asus bieten die ersten kommerziell erwerblichen Geräte mit RGB D-Wahrnehmung an. Mit integrierten Funktionen der Lokalisierung, Umgebungserkennung und Tiefenwahrnehmung durch die Plattform Tango von Google gibt es bereits die ersten Tests in verschiedenen Bereichen des Rechnersehens z.B. Mapping. In dieser Arbeit wird betrachtet, inwiefern sich ein Tango Gerät für die Objekterkennung eignet. Aus den Ausgangsdaten des Tango Geräts werden RGB D-Daten extrahiert und für die Objekterkennung verarbeitet. Es wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Forschung und gewisse Grundlagen bezüglich der Tango Plattform gegeben. Dabei werden existierende Ansätze und Methoden für eine Objekterkennung auf mobilen Endgeräten untersucht. Die Implementation der Erkennung wird anhand einer selbst erstellten Datenbank von RGB-D Bildern gelernt und getestet. Neben der Vorstellung der Ergebnisse werden Verbesserungen und Erweiterungen für die Erkennung vorgeschlagen.
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 beschreibt die Entwicklung eines OpenGL-basierten Tools zur Visualisierung von Hohlräumen in Proteinen, welche während eines statischen Dockings beobachtet werden können. Ziel ist es, anhand von Informationen über Abstände zwischen Proteinen und Liganden, Schluss- folgerungen über Interaktionen zu ziehen, um daraus Ansätze für die Entwicklung künstlicher Liganden zu gewinnen. Zunächst wird auf chemische Grundlagen eingegangen, die das Thema motivieren und für das Verständnis der Thematik und der genutzten Algorithmen wichtig sind. Des Weiteren wird bestehende Software vorgestellt, die ähnliche Sachverhalte löst. Anschließend werden die Voraussetzungen zur Entwicklung des Programmes genannt, woraufhin dieses detailliert beschrieben wird. Zum Abschluss wird das Tool in Hinblick auf Performance und Nutzen evaluiert und ein zusammenfassendes Fazit getroffen, in dem sich das Programm als gute Hilfe für bestehende Forschungen und gute Basis für weitere, tiefergehende Forschungsprojekte erweist.
Die vorliegende Masterarbeit thematisiert die Evaluation einer sprachgesteuerten Lösung in der Produktion mit multimodaler Eingabe. Dabei wurden die Usability und die Benut-zerfreundlichkeit eines gewählten Sprachdialogsystems bewertet. Die Bewertung wurde mit Hilfe von Benutzertests und eines modifizierten SASSI-Fragebogens durchgeführt. Weiterhin wurden auch technische Kriterien, wie die Wortfehlerrate und die Out-of-grammar Rate zur Hilfe gezogen. Für den Versuch wurden zwei verschiedene Szenarien aus einer realen Produktionsum-gebung definiert. Dabei sollten die Teilnehmer verschiedene Aufgaben mit Hilfe des Testsystems erledigen. Die Interaktion mit dem Sprachdialogsystem fand anhand von ge-sprochenen Befehlen statt, welche durch eine Grammatik definiert wurden. Die Sprach-kommandos wurden durch die Zuhilfenahme eines WLAN-Headsets an das Sprachsys-tem übertragen. Während des Versuchs wurden Aussagen der Teilnehmer protokolliert und die technischen Kriterien notiert.
Das Ergebnis der Evaluation verdeutlicht, dass das Sprachdialogsystem eine hohe Quali-tät bezüglich Usability und Benutzerfreundlichkeit aufweist. Dabei sind die Wortfehler-rate und die Out-of-grammar Rate sehr niedrig ausgefallen und das System wurde von den Benutzern deutlich positiv bewertet. Nichtsdestotrotz wurden einige Kritikpunkte ge-nannt, die zu einer Verbesserung des Systems beitragen können.
Entwicklung eines augmentierten Montageszenarios mit Lego-Bausteinen für die Microsoft HoloLens
(2017)
Augmented Reality ist schon seit einigen Jahren in verschiedenen Formen verfügbar. Durch Fortschritte in der Technik können nun auch kompakte Augmented Reality Brillen hergestellt werden, wodurch sich viele neue Möglichkeiten der Interaktion und Anwendung von Augmented Reality eröffnen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Microsoft HoloLens und den Möglichkeiten, welche die Brille für Verbraucher und Industrie bieten kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine interaktive und augmentierte Anwendung entwickelt, um die Grenzen und Möglichkeiten der Microsoft HoloLens zu bewerten. Dazu wurde exemplarisch ein Montageszenario nachgestellt, bei dem ein Modell aus Lego-Bausteinen zusammengesetzt wird. Die HoloLens zeigt dabei schrittweise an, wo die nächsten Bausteine platziert werden sollen. Dabei stellte sich heraus, dass die HoloLens schon heute Vorteile bei der Montage bietet und gut zur Unterstützung von Arbeitsschritten verwendet werden kann, es wurden allerdings auch einige Schwächen deutlich.
In dieser Arbeit werden Methoden und Maße getestet, nach denen beim Pathtracing eine Auswahl zwischen Line Space und Bounding Volume Hierarchie getroffen werden kann, die die Vorteile der beiden Datenstrukturen ausnutzen. Die Strukturen sind innerhalb der Bounding Box jedes Objekts (Objektlokal) definiert und jeder Line Space enthält in den Shafts jeweils eine Kandidaten-ID. Als Implementations- basis dient ein eigenes C++ und OpenGL Framework, in dem das Pathtracing und die Line Space Generierung über Compute Shader stattfindet. Die Maße schließen die Wahrscheinlichkeitsverteilung, die Effektabhängigkeit, sowie einen Distanz- grenzwert ein und werden gegen verschiedene Szenen getestet. Die Ergebnisse zeigen in den meisten Situationen einen deutlichen Geschwindigkeitszuwachs bei teils nur geringen visuellen Unterschieden, wobei das Wahrscheinlichkeitsmaß die qualitativ hochwertigsten Bilder für den gegebenen Leistungszuwachs erbringt. Die grundlegenden Probleme des Line Space im Vergleich mit der BVH, nämlich der hohe Speicherverbrauch und die lange Generierungszeit, bleiben aber trotz der objektlokalen Struktur, der minimalen Datenmenge pro Shaft und der Compute Shader Implementierung, erhalten.
Diese Arbeit befasst sich mit verschiedenen Möglichkeiten zur Interaktion
mit dreidimensionalen, virtuellen Objekten in der realen Umgebung des
Nutzers. Im Vordergrund stehen Interaktionsmöglichkeiten, welche durch
neue AR-Technologien aufkommen.
Dazu wird ein spielerischer Prototyp einer Applikation für die von Microsoft
entwickelte HoloLens konzipiert und implementiert. Der Prototyp
des Spiels besteht aus drei Phasen. Die erste Phase ist die Aufnahme der
realen Umgebung des Nutzers. In der zweiten Phase kann der Nutzer die
reale Umgebung mit der Hilfe von virtuellen Objekten erweitern. In der
dritten Phase muss der Nutzer einen virtuellen Avatar durch die reale Umgebung
navigieren.
Die Interaktionsmöglichkeiten der HoloLens wie Gaze, Gesture und VoiceInput
werden in den Kategorien Menüführung, Positionierung von virtuellen
Objekten im dreidimensionalen Raum und Steuerung eines Avatars einer
Evaluation unterzogen.
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.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Ansätzen zur Beschleunigung von Raytracing Berechnungen auf dem Grafikprozessor (GPU). Dazu wird ein Voxelgrid verwendet, welches durch die Linespace-Datenstruktur erweitert wird. Der Linespace besteht aus richtungsbasierten Schäften (Shafts) und speichert die in ihm liegenden Objekte in einer Kandidatenliste. Es werden unterschiedliche Methoden zur Sortierung und Traversierung des Linespace vorgestellt und evaluiert. Die Methoden können keinen Anstieg der Bildfrequenz erreichen, ohne gleichzeitig in einer Verringerung der Bildqualität zu resultieren.
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.
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.
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Anwendung für die HoloLens von Microsoft. Die Anwendung dient der Vermarktung von Werbeflächen der Firma awk AUSSSENWERBUNG GmbH. Anhand der Entwicklung wird die Frage beantwortet, welches die Möglichkeiten und Grenzen der HoloLens in Verbindung mit der Mixed Reality Platform sind. Dabei wird auch auf die Probleme eingegangen, welche bei der Ent- wicklung einer Anwendung für eine neue Technologie, wie die HoloLens auftreten. Neben der neuen Technologie, ergeben sich auch durch den Ein- satzort der Anwendung weitere Herausforderungen. Diverse Anwendungs- beispiele und Präsentationen lassen vermuten, dass die HoloLens primär für Anwendungen innerhalb von Räumen ausgelegt ist. Die zu entwickeln- de Anwendung ist dagegen für die Verwendung außerhalb geschlossener Räume konzipiert. Bei der Entwicklung konnten Erkenntnisse über die- se neue Technologie gewonnen werden. Zum einen wurde deutlich, dass sowohl die HoloLens, als auch die Entwicklungsumgebung noch an eini- gen Stellen verbessert werden können. Zum anderen, dass die HoloLens nicht für den Einsatz im Freien geeignet ist. Trotz der Schwierigkeiten bei der Entwicklung konnten auch die vielen Möglichkeiten der HoloLens be- leuchtet werden.
Im Bereich Augmented Reality ist es von großer Bedeutung, dass virtuelle
Objekte möglichst realistisch in ein Kamerabild eingebettet werden. Nur
so ist es möglich, dem Nutzer eine immersive Erfahrung zu bieten. Dazu
gehört unter anderem, Verdeckung dieser Objekte korrekt zu behandeln.
Während schon verschiedene Ansätze existieren, dieses Verdeckungsproblem
zu beheben, wird in dieser Arbeit eine Lösung mittels Natural Image
Matting vorgestellt. Mit Hilfe einer Tiefenkamera wird das Kamerabild in
Vorder- und Hintergrund aufgeteilt und anschließend das virtuelle Objekt
im Bild platziert. Für Bereiche, in denen die Zugehörigkeit zu Vorder- oder
Hintergrund nicht eindeutig ist, wird anhand bekannter Pixel ein Transparenz-
Wert geschätzt. Es werden Methoden präsentiert, welche einen
Ablauf des Image Matting in Echtzeit ermöglichen. Zudem werden
Verbesserungsmöglichkeiten dieser Methoden präsentiert und gezeigt, dass
durch diese eine höhere Bildqualität für schwierige Szenen erreicht wird.
Diese Arbeit zeigt die Verwendung einer lokalen Linespace Datenstruktur, welche auf Basis eines bestehenden GPU-basierten Raytracers mit globa- ler Linespace Datenstruktur konzipiert und implementiert wird. Für jedes Szenenobjekt wird ein N-Tree generiert, dessen Knoten jeweils einen Line- space besitzen. Dieser speichert in seinen SchäftenInformationen über exis- tierende Geometrie. Ein Schaft stellt ein Volumen zwischen zwei Flächen auf der Knotenaußenseite dar. Dies ermöglicht bei der Strahlverfolgung ein schnelleres Überspringen leerer Räume. Identische Objekte können auf bereits berechnete Linespaces zurückgreifen, wodurch der Speicherbedarf um bis zu 94,13% und die Initialisierungszeit der Datenstruktur um bis zu 97,15% vermindert werden kann. Aufgrund der lokalen Zugriffsmöglich- keiten könnendynamische Szenen visualisiertwerden. Dabei ist ebenso ein Anstieg der Qualität zu beobachten.
Diese Arbeit zeigt eine neue Technik der Computergrafik zur Simulation von globaler Beleuchtung durch Path Tracing in Echtzeit. Das Path Tracing wird dafür mit Compute Shadern auf der Grafikkarte (GPU) realisiert, um das Rendering hoch parallelisiert auszuführen. Zur Beschleunigung der Strahlverfolgung wird dabei der
Line Space in verschiedenen Varianten als Datenstruktur verwendet, um leere Bereiche in der Szene schneller zu überspringen. Der Line Space speichert Szeneninformationen basierend auf einer Voxelisierung in richtungsabhängige Shafts und wird sowohl auf der GPU generiert, als auch traversiert. Mit diesem Verfahren kann eine Szene physikalisch korrekt indirekt beleuchtet und mit weichen Schatten schattiert werden. Außerdem kann das Path Tracing damit weitgehend unabhängig von der Polygonanzahl mit über 100 Bildern pro Sekunde klar in Echtzeit durchgeführt werden und ist somit deutlich schneller als mit einem vergleichbaren Voxel-Gitter. Die Bildqualität wird davon nicht negativ beeinflusst und die Schattenqualität ist in den meisten Fällen deutlich besser als bei der Verwendung von Shadow-Mapping.
Dass Jugendliche lieber Computerspiele nutzen, als Hausaufgaben zu machen oder zu lernen, ist sicherlich allen Lehrern und Lehrerinnen bewusst. Ein Ansatz zur Lösung diese Problems besteht darin, Lernen und Computerspiele miteinander zu verbinden. Zur Zeit wird in der Wissenschaft über Game-based-Learning und Gamification eifrig diskutiert. Was die einzelnen Begriffe bedeuten, soll diese Arbeit beleuchten. Sie fokussiert hierbei jedoch auf den Bereich der Gamification. In diesem Bereich geht es nicht darum, vermeintlich langweiligen Lehrinhalten eine Spielstruktur überzustülpen oder an erfolgreich gemeisterte Übungsaufgaben als Belohnung ein Spiel zu bieten, das mit dem Lehrinhalt nichts zu tun hat. Stattdessen geht es darum, Elemente aus Spielen zu Motivationszwecken in Lernumgebungen einzusetzen. Das Sprachlernen kann im Besonderen von den Möglichkeiten des computergestützten Lernens profitieren.
Über Online-Lernumgebungen können Sprachlernende mit anderen in Kontakt treten und sich austauschen. Bestimmte Spielelemente können Lernende in eine ungezwungene Wettkampfsituation bringen, in der sie sich spielerisch messen können.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird ein Prototyp entwickelt, der Elemente aus Spielen in eine Lernapplikation für das Thema „Deutsch als Fremdsprache“ einbindet. Im Prototyp soll dargestellt werden, welche Möglichkeiten den Lehrenden offenstehen, ihre Lerner und Lernerinnen zu motivieren. In einem Nutzungstest wird der Prototyp evaluiert. Die so erhobenen Daten werden ausgewertet und Verbesserungsvorschläge gemacht. Ein Fazit fasst die erkannten Vorzüge und Mängel des Prototyps sowie die erarbeiteten Verbesserungsvorschläge zusammen. Zu guter Letzt wird ein Ausblick auf weitere erforderliche Arbeitsschritte gegeben.
Das Ergebnis der Arbeit beinhaltet, dass der Prototyp zwar gute Ansätze enthält und erfolgreich getestet werden konnte, aber in wesentlichen Teilen noch Verbesserungsbedarf besteht. Weiterhin müssen Evaluationsmethoden entwickelt werden, die spieltypische Eigenheiten beachten.
Augmented Reality besitzt viele denkbare Anwendungsbereiche, in denen Alltag oder Arbeitsprozesse vereinfacht werden können. Dadurch, dass viele Hersteller sehr unterschiedliche Augmented Reality Brillen anbieten, wird die Auswahl des richtigen Systems und eine systemübergreifende Entwicklung jedoch erschwert. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird daher eine Anwendung entwickelt, mit der Augmented Reality Brillen auf einem Virtual Reality System simuliert werden können. Damit soll eine plattformübergreifende Entwicklung sowie die Auswahl des richtigen Systems vereinfacht werden.
Da die Simulation für mobile Endgeräte konzipiert werden soll, sollen möglichst realistische Umgebungen als Panorama vorgerendert werden können. Um diese auf Virtual Reality Systemen als stereoskopische Bilder darstellen zu können, werden verschiedene Verfahren zur Konvertierung in solche vorgestellt. Es wird ein Editor entwickelt, mit dem verschiedene Szenarien erstellt, Augmented Reality Systeme konfiguriert und schließlich auf einem Virtual Reality System angezeigt werden können. Abschließend wird untersucht, wie gut die Simulation gelungen ist und welche Verbesserungsmöglichkeiten es gibt.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Pixel-Sticks, ein digitales Hilfsmittel für das Light Painting. Schwerpunkte sind die Entwicklung von Hard- und Software des Sticks, sowie einer Android Applikation für die Bedienung.
Der Einbezug des Smartphones unterscheidet diesen Pixel-Stick anderen Varianten. Neben der grundlegenden Steuerung ist es möglich, Bilder direkt von dem Smartphone auf den Stick zu übertragen.
Ray Tracing als Bildsyntheseverfahren ist relevant für viele Anwendungsbereiche, da es Aspekte des Lichttransports physikalisch korrekt simulieren kann. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands sind der Einsatz von Datenstrukturen zur Beschleunigung und die parallele Verarbeitung notwendig. GPUs sind inzwischen hoch parallele, programmierbare Prozessoren mit zahlreichen Kernen und eignen sich aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit dazu, aufwändige, parallelisierbare Probleme zu lösen. In dieser Arbeit geht es um GPU Ray Tracing, beschleunigt durch Bounding Volume Hierarchien (BVH). Auf Basis relevanter Veröffentlichungen zu Aufbau und Traversierung von BVHs und der Abbildung des Ray Tracing Prozesses auf die GPU Architektur wird ein GPU Ray Tracer konzeptioniert und entwickelt. Während der BVH Aufbau vorab auf dem Host stattfindet, wird der gesamte Ray Tracing Prozess durch mehrere Kernel komplett auf der GPU ausgeführt. Die Implementierung der Kernel erfolgt in Form von OpenGL Compute Shader Programmen, und die Aufteilung des Ray Tracers auf mehrere Kernel ist durch die GPU Achitektur und das SIMT Ausführungsmodell motiviert. Für die Speicherorganisation der binären BVHs werden zwei Varianten betrachtet, klassisch und als MBVH, wobei sich die MBVH Organisation als effizienter erweist. Zudem werden verschiedene Varianten für die Traversierung ohne Stack und für die Stack-basierte Traversierung umgesetzt und bewertet. Der in mehrere Kernel strukturierte GPU Ray Tracer wird zudem mit einer Einzelkernel Version verglichen. Die besten Ergebnisse erreicht die Traversierung ohne Stack mit einem while-while Ablauf und MBVH im Rahmen des aufgeteilten GPU Ray Tracers.
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.