Institut für Computervisualistik
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Institut
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.
Der natürliche Prozess der Verwitterung ist ein komplexer Vorgang, der von unterschiedlichsten Parametern beeinflusstwird. Hauptbestandteil dieses Prozesses ist das Zusammenziehen des Fruchtvolumens infolge von Wasserverlust durch Transpiration sowie die Veränderung der Fruchtfarbe und Oberfläche. Es wurden bereits Verfahren entwickelt, die diese Eigenschaften mit Hilfe von Parametrisierung sowie physikalischer Ansätze simulieren. Die in dieser Arbeit erstellte Anwendung simuliert das Fruchtfleisch durch ein Tetraedernetz und die Veränderung der Haut mit Hilfe von dynamischer Texturanpassung. Der entwickelte Algorithmus arbeitet in linearer Laufzeit und seine Ergebnisse werden anhand selbst erstellter Fruchtmodelle präsentiert.
Bei der musikalischen Grundausbildung von Kindern und Jugendlichen besteht eine spezielle Herausforderung darin, den Kindern das Notenlesen und -schreiben näher zu bringen. Bei der Ausbildung von jungen Nachwuchssängerinnen und -sängern eines Chores ist es zudem wichtig sie damit vertraut zu machen niedergeschriebene Noten direkt in Töne umzusetzen.
Eine interessante Idee ist es, den Kindern während des Unterrichts die Töne auf einem Klavier oder Keyboard vorzuspielen und diese gleichzeitig auf einem Bildschirm in Notenschrift visuell darzustellen.
Ziel dieser Bachelorarbeit ist die Implementierung eines solchen Systems, welches das Einspielen von Noten mit Hilfe eines MIDI-fähigen Keyboards und die anschließende visuelle Wiedergabe der Noten in Notenschrift umsetzt. Die prototypische Anwendung arbeitet in drei Schritten.
Sie erhält über ein angeschlossenes Keyboard die Noten in Form von MIDIDatensätzen als Eingabe. Diese MIDI-Informationen werden dann in das MusicXML-Format überführt. Ausgehend von dieser Notation in Music-XML wird abschließend die visuelle Ausgabe in Form von Notenschrift generiert und angezeigt.
Die vorliegende Bachelorarbeit thematisiert eine durch die Eye-Tracking-Technologie gestützte Untersuchung mit dem E-Lern System Compass. Die Untersuchung fand in Form eines Experimentes statt, welches bei den Probanden die Fähigkeit der Erkennung der Subjekt- Verb-Kongruenz in deutschen Sätzen testen sollte. Ideengebend zu der Versuchskonstellation war eine ähnliche Studie im englisch sprachigen Raum.
Die Einbindung des E-Learning System Compass bezweckte dabei die Beobachtung des Lernverhaltens der Testpersonen. Ausgewertet und bewertet werden konnten die Versuchsreihen durch die Eye-Tracker Software, der während des Versuchs die Augenbewegungen der Testpersonen auf den gezeigten und erstellten Sätzen aufzeichnete und daraus messbare Daten erzeugte. Augenbewegungen wie Fixationen oder Regressionen auf bestimmte Stimuli wurden dabei erwartet und auch gehofft zu messen.
Das Ergebnis der Ausführungen zeigt eindeutig, dass Fehler in der Kongruenz zwischen Subjekt und Verb häufig gemacht werden und die Fehlerrate in Verbindung zur Satzlänge proportional ansteigt.
Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz zur Optimierung der Berechnung von Halbschatten flächiger Lichtquellen. Die Lichtquelle wird durch Sampling uniform abgetastet. Als Datenstruktur wird ein N-tree verwendet, durch den die Strahlen als Paket traversiert werden. Der N-tree speichert in seinen Knoten einen Linespace, der Informationen über Geometrie innerhalb eines Schaftes bietet. Diese Sichtbarkeitsinformation wird als Kriterium für eine Terminierung eines Strahles genutzt. Zusätzlich wird die Grafikkarte (kurz GPU – engl. „graphics processing unit“) zur Beschleunigung durch Parallelisierung benutzt. Die Szene wird zunächst mit OpenGL gerendert und anschließend der Schattenwert für jedes Pixel auf der GPU berechnet. Im Anschluss werden die CPU- und GPU-Implementationen verglichen. Dabei zeigt die GPU-Implementation eine Beschleunigung von 86% gegenüber der CPU-Implementation und bietet eine gute Skalierung mit zunehmender Dreieckszahl. Die Verwendung des Linespace beschleunigt das Verfahren gegenüber der Durchführung von Schnitttests und zeigt für eine große Anzahl an Strahlen keine visuellen Nachteile.
In einer Welt, in der mittlerweile "Die Cloud" als Lösung für nahezu alles angepriesen wird, stellt sich immer häufiger die Frage, ob man seine persönlichen Daten einem Fremden anvertrauen möchte, oder sie doch lieber unter der eigenen Kontrolle behält. Für die Befürworter der letzten Option steht "ownCloud" als freies Softwarepaket zur Verfügung, um eine eigene Cloud aufzusetzen und ihre Inhalte mit Anderen zu teilen.
Um das Teilen von Lernwerkzeugen zu vereinheitlichen und damit zu vereinfachen, wurde von IMS GLOBAL die "Learning Tools Interoperability" Spezifikation - kurz LTI - entwickelt. Diese wird inzwischen von einer zunehmenden Anzahl von Lernmanagementsystemen und Lernressourcen unterstützt. Eine interessante Herausforderung ist daher, zu untersuchen, ob und wie man ownCloud mit verschiedenen bestehenden Lernwerkzeugen mittels LTI verbinden und daraus Nutzen ziehen kann.
Ziel dieser Arbeit ist es, ein Plugin für ownCloud zu konzeptionieren und zu entwickeln, das die Kommunikation mit Lernwerkzeugen per LTI
ermöglicht. Dabei soll sowohl die Consumer- als auch die Providerseite mit einem Proof of Concept berücksichtigt werden, um jeweils die Möglichkeiten und Grenzen dieser Verbindungen zu untersuchen.
Das Ziel dieser Masterarbeit war es, ein Konzept für einen mobilen Stadtführer mit gamebasierten Inhalten zu entwerfen und prototypisch umzusetzen.
Die Anwendung soll ein flexibles und unabhängiges Entdecken der Stadt Koblenz ermöglichen. Basierend auf den geographischen Daten wurden in der Anwendung stadthistorische Informationen sowie interessante Geschichten zu verschiedenen Orten bereitgestellt. Diese Informationen wurden mit spielerischen Elementen kombiniert, um ein motivierendes Konzept zu schaffen.
Dafür wurden zunächst verwandte Ansätze untersucht und darauf aufbauend unter Berücksichtigung eigener Ideen ein neues Konzept entwickelt. Das Konzept wurde prototypisch als Android-Anwendung umgesetzt. Das Ergebnis wurde in einer abschließenden Evaluation mit 15 Probanden untersucht. Dabei wurden mit Hilfe eines Fragebogens unter anderem die Bedienbarkeit, die Motivation durch die Spielelemente und der Mehrwert der Anwendung betrachtet.
Virtueller Dirigent
(2016)
Ihm Rahmen einer Bachelorarbeit wurde eine "Virtual Reality"-Anwendung entwickelt. Ein Benuzter erhält die Möglichkeit die Rolle eines Dirigenten zu übernehmen und ein virtuelles Orchester zu leiten. Die Leitung erfolgt mit Hilfe von Handgesten. Mithilfe einer Evaluation der Anwendung wurden allgemeine Anforderungen an "Virtual Reality"-Spiele festgehalten.
In der vorliegenden Arbeit werden gamebasierte touristische Anwendungen untersucht.
Ausgehend von der These, dass für touristisches Freizeiterleben primär intrinsisch motivierende Anwendungen geeignet sind, werden zunächst intrinsische Motivationskonzepte untersucht. Dazu wird untersucht, wie Motivation gezielt herbeigeführt werden kann und ob sich gamebasierte Motivationskonzepte auf nichtspielerische Anwendungen übertragen lassen.
Darauf aufbauend wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene touristische Anwendungen entwickelt und evaluiert. Ziel dieser Anwendungen ist es stets, einen Mehrwert für das touristische Freizeiterleben zu erzeugen. Die Anwendungen werden nach ihrer Mobilität kategorisiert. Es werden vollständig mobile, vollständig stationäre und hybride Systeme untersucht. Als Mehrwertkomponenten werden in dieser Arbeit spielbasierte Exploration einer Umgebung, Wissensvermittlung und soziale Interaktion zwischen Touristen untersucht.
Abschließend wird ein Autorentool für spielbasierte touristische Touren auf Smartphones entwickelt und untersucht, das seinerseits auf spielbasierte Elemente zurückgreift. Das Ziel dieses Systems ist es, Konzepte zu entwickeln, die beispielsweise eine Integration in soziale Netzwerke erlauben.
In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit der Frage, ob die empfundene Herausforderung, der Flow-Zustand und der Spielspaß in Computerspielen miteinander zusammenhängen und welchen Einfluss die motivationspsychologischen Komponenten Erfolgsmotivation, Misserfolgsmotivation und Erfolgswahrscheinlichkeit dabei haben. Außerdem wollen wir wissen, ob eine freie Wahl des Schwierigkeitsgrads der optimale Weg zum Flow-Zustand ist. Um diese Theorien zu untersuchen, wurde eine Studie anhand einer Online-Umfrage durchgeführt, in welcher die Probanden das Spiel “flOw“ spielten. Die Ergebnisse wurden ausgewertet mithilfe einer zweifaktoriellen Varianzanalyse mit Messwiederholung und Tests auf Korrelation. Dabei fanden wir heraus, dass tatsächlich ein Zusammenhang zwischen Herausforderung, Flow und Spaß existiert und die Motivation dabei indirekt eine Rolle spielt.
Das Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung einer hardwarebeschleunigten Einzelbildkompression zur Videoübertragung. Verfahren zur Einzelbildkompressionrn existieren bereits seit längerer Zeit. Jedoch genügen die gängigen Verfahren nicht den Anforderungen der Echtzeit und Performanz, um während einer Videoübertragung ohne spürbare Latenz zum Einsatz zu kommen. In dieser Arbeit soll einer der geläufigsten Algorithmen zur Bildkompression auf Parallelisierbarkeit, unter zu Hilfenahme der Grafikkarte, untersucht werden, um Echtzeitfähigkeit während der Kompression und Dekompression von computergenerierten Bildern zu erreichen. Die Ergebnisse werden evaluiert und in den Rahmen aktueller Verfahren parallelisierter Kompressionstechniken eingeordnet.