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Point-Based Animation
(2011)
Die punktbasierte Animation ist ein relativ neues Gebiet im Bereich der Animation. Der Unterschied zu den weit verbreiteten polygonnetzbasierten Verfahren liegt darin, dass zwischen den einzelnen Punkten, welche die Oberfläche des zu animierenden Objekts definieren, keine Topologieinformationen vorhanden sind. Mit polygonnetzbasierten Techniken ist keine Volumensimulation möglich, da keine Volumeninformationen vorhanden sind. Die aktuellen Verfahren im punktbasierten Feld ermöglichen die Animation von Flüssigkeiten, Rauch oder Explosionseffekten. In dieser Arbeit wird eine Animation auf Grundlage eines zur Verfügung gestellten Punktmodells ausgeführt. Um zu gewährleisten, dass die Animation korrekt nach den Gesetzen der Physik arbeitet, wird eine Physikengine zu Hilfe genommen. Diese beiden Bereiche werden in dieser Arbeit miteinander verknüpft. Zunächst werden einfache Simulationen im Sektor der starren Körperdynamik durchgeführt. Dabei werden einzelne Punkte unter Einfluss der Gravitation auf eine Ebene fallen gelassen. Vor allem die Berechnung der Kollision mit der Ebene und der Punkte untereinander ist hierbei interessant. Um sehenswerte physikalische Effekte animieren zu können, muss die Elastizität mit berücksichtigt werden. DesWeiteren wird in der Arbeit die Animation elastischer Körper verwirklicht. Hierbei wird eine an den Ecken fixierte elastische Ebene animiert. Einzelne Punkte können aus diesem elastischen Objekt herausgezogen werden, in Folge dessen sich das Objekt selbst repariert. Ebenfalls kann ein herausgeschnittner Punkt wieder in das Objekt eingefügt werden.
Visualisierung von E-Mail-Traffic mit Schwerpunkt auf eine inhaltliche Analyse von Wortmustern
(2010)
E-Mail hat sich zu einem sehr wichtigen Kommunikationsmittel entwickelt, leidet aber aktuell unter einer massiven Verbreitung unerwünschter und unverlangter Inhalte. Diese können für einen Anwender nicht nur lästig sein, sondern auch die vorhandene Netz- und Speicher-Infrastruktur enorm belasten.
Die Notwendigkeit einer Filterung des E-Mail-Traffic hat zu einer Reihe recht unterschiedlicher Methoden geführt, die computergesteuert eine E-Mail auf ihren Spam-Gehalt untersuchen.
Die Motivation hinter dieser Arbeit ist zu prüfen, ob die besonderen Eigenschaften der visuellen Wahrnehmung eines Menschen als unterstützendes Mittel eingesetzt werden können, um E-Mail-Inhalte zu überprüfen und eventuell vorhandene Wort-Muster, die auf Spam deuten, sichtbar zu machen.
Um dieses Ziel zu erreichen musste zuerst eine geeignete Auswahl spamspezifischer Merkmale getroffen werden. Danach wurden Methoden des Text Minings angewendet, um aus dem Inhalt einer E-Mail strukturierte Daten zu gewinnen, die sich zur Repräsentation einer Nachricht eignen und als Grundlage für eine Visualisierung herangezogen werden können. Basierend auf den vorab ausgewählten Spam-Charakteristika wurdenWorteigenschaften mit Hilfe extern angebundener Wortlisten, regulärer Ausdrücke und unter Einsatz eines Wörterbuches überprüft, und die erhaltenen Ergebnisse flossen neben einer einfachen Gewichtung von Worthäufigkeiten in Form einer anwendungsspezifischen Gewichtung mit ein.
Es wurden anschließend zwei verschiedene Sichten konzipiert, um einem Anwender einen Einblick in die extrahierten Daten zu ermöglichen. Es hat sich herausgestellt, dass besonders Treemaps geeignet sind um die anfallenden Datenmengen kompakt abzubilden, aber gleichzeitig einen notwendigen Detailgrad auf einzelne Worteigenschaften gewährleisten.
Das Konzept wurde prototypisch unter Verwendung des Mailservers Mercury/32 sowie einer MySQL-Datenbank implementiert und konnte teilweise aufzeigen, dass es anhand der von der Engine generierten Strukturen möglich ist, spamspezifische Merkmale einer E-Mail unter Verwendung der gewählten Visualisierungstechniken auf eine Weise sichtbar zu machen, die einem Anwender eine Mustererkennung erlauben.
Die Diplomarbeit wurde als Gemeinschaftsarbeit angefertigt und konnte sinnvoll in zwei Bereiche aufgeteilt werden: Die Engine und die Visualisierung. Die konzeptuellen Überlegungen für das Thema sind größtenteils gemeinsam erfolgt, jedoch liegt der Schwerpunkt von Pouneh Khayat Pour im Bereich der Analyse und der von Yvonne Neidert in der Visualisierung.
Moderne Softwaresysteme gewinnen zunehmend an Komplexität und bestehen inzwischen aus einer für Menschen nicht mehr überschaubaren Menge an Quellcode-Zeilen. Die Problematik könnte damit zusammenhängen, dass Programmiersprachen als Sprachen linear orientiert sind. Es stellt sich die Frage, ob graphische Darstellungen besser geeignet wären. Durch das Hinzufügen einer zweiten Dimension könnten Vererbungshierarchien und vernetzte Zusammenhänge – wie beispielsweise Funktionsaufrufe – besser visualisiert und durch das Ausblenden von Implementierungsdetails auf einen Blick erfasst werden. In dieser Arbeit werden Möglichkeiten der Visualisierung untersucht, bei denen der Sourcecode graphisch dargestellt wird und bei denen eine Änderung in der graphischen Darstellung in einem veränderten Sourcecode resultiert. Die Kernfrage, die in dieser Arbeit untersucht werden soll, ist, ob graphisch orientierte Tools die Programmierung wesentlich beschleunigen können. Dabei wird hauptsächlich auf die Visualisierung der vernetzten Strukturen von Klassen und Methoden Wert gelegt sowie auf die automatische Generierung. Ohne eine Automatisierung muss zu viel Zeit investiert werden, um die Darstellung zu erzeugen und mit geänderten Code konsistent zu halten. Dabei werden bisherige Konzepte wie die graphische Modellierungssprache UML beschrieben und die Umsetzung in unterschiedlichen Programmen untersucht. Die Abbildung von UML-Diagrammen in Sourcecode und von Sourcecode in UMLDiagramme bereitet jedoch einige Probleme, da viele Konzepte von UML zu stark abstrahieren und eine Abbildung nicht eindeutig und teilweise nicht möglich ist. Aus diesem Grund wird aufbauend auf den vorhandenen Möglichkeiten ein neues Konzept entwickelt, das prototypisch implementiert wird. Dabei werden viele Elemente von UML genutzt und auf die gestellten Anforderungen angepasst, sodass eine automatische graphische Darstellung parallel zur Programmierung in Textform möglich ist.
Raytracing und Szenengraphen
(2006)
Raytracing ist ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung fotorealistischer Bilder. Globale Beleuchtungseffekte einer 3D-Szene werden durch das Raytracing-Verfahren physikalisch korrekt dargestellt. Erst aktuelle Forschungsarbeiten ermöglichen es, das sehr rechenintensive Verfahren bei interaktiven Bildraten in Echtzeit zu berechnen. Komplexe 3D-Szenen, wie sie beispielsweise in 3D-Spielen oder Simulationen vorkommen, können durch einen Szenengraphen modelliert und animiert werden. Damit die Rendering-Ergebnisse eines Szenengraphen näher an einem realen Bild liegen, ist es erforderlich das Raytracing-Verfahren in einen Szenengraphen einzugliedern. In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten zur Integration eines Echtzeit-Raytracers in eine Szenengraph-API untersucht. Ziel dieser Diplomarbeit ist die Darstellung dynamischer Szenen bei interaktiven Bildraten unter Verwendung des Raytracing-Verfahrens auf einem herkömmlichen PC. Zunächst müssen bestehende Open Source Szenengraph-APIs und aktuelle Echtzeit-Raytracer auf ihre Eignung zur Integration hin überprüft werden. Bei der Verarbeitung dynamischer Szenen spielt die verwendete Beschleunigungsdatenstruktur des Raytracers eine entscheidende Rolle. Da eine komplette Neuerstellung der Datenstruktur in jedem Bild zuviel Zeit in Anspruch nimmt, ist eine schnelle und kostengünstige Aktualisierung erforderlich. Die in [LAM01] vorgestellte Lösung, eine Hüllkörperhierarchie (BVH) als Beschleunigungsdatenstruktur zu verwenden, fügt sich sehr gut in das Konzept eines Szenengraphen ein. Dadurch wird eine einfache Aktualisierung ermöglicht. Um das Ziel dieser Arbeit zu erreichen, ist es notwendig, die Parallelisierbarkeit des Raytracing-Verfahrens auszunutzen. Purcell zeigt in [Pur04], dass Grafikprozessoren (GPUs) neben ihrer eigentlichen Aufgabe auch für allgemeine, parallele Berechnungen wie das Raytracing verwendet werden können. Die in bisherigen Arbeiten über GPU-basiertes Raytracing entwickelten Systeme können dynamische Szenen nicht bei interaktiven Bildraten darstellen. Aus diesem Grund wird in dieser Diplomarbeit ein neues System konzipiert und implementiert, das den in [TS05] entwickelten Raytracer erweitert und in die Open Source Szenengraph-API OGRE 3D integriert. Das implementierte System ermöglicht die Darstellung statischer und dynamischer Szenen unter Verwendung einer Consumer-Grafikkarte bei interaktiven Bildraten. Durch seine Erweiterbarkeit bildet das System das Grundgerüst für ein Realtime-High-Quality-Rendering-System.
Fraktale Planetengenerierung
(2006)
Wie die Diplomarbeit gezeigt hat, lassen sich zwar ganze Planeten ohne größere Verzerrungen mit Hilfe fraktaler Methoden modellieren. Allerdings stößt die Darstellungsqualität an ihre Grenzen, da sich gängige Level-of-Detail-Algorithmen, wie ROAM bzw. Röttger, nicht einfach an die durch das Surface-Refinement gegebenen Bedingungen anpassen. Insbesondere die Triangulierung durch gleichseitige Dreiecke hat sich als problematisch erwiesen. Ohne diese LOD-Techniken kann aber nur eine relativ geringe Auflösung berechnet werden. Der vorgestellte Level-of-Detail-Algorithmus stellt zwar keinen Ersatz für die obengenannten Verfahren dar. Er bietet aber eine sehr gute Grundlage, denn er schränkt einfach und dadurch sehr schnell den Bereich ein, in dem sich der Betrachter bzw. die virtuelle Kamera befindet. Dies ist vorallem auch deshalb wichtig, weil die bisher entwickelten LOD-Algorithmen nur mit vergleichsweise kleinen Flächen wirklich effizient funktionieren. Eine Kombination aus dem in der Diplomarbeit entwickelten Verfahren und einem ROAM/Röttger-ähnlichen Algorithmus würde deren jeweiligen Schwächen beheben. Die eigentliche Modellierung der Landschaft bzw. der Gebirgszüge lässt sich dagegen problemlos auch auf sphärische Körper übertragen, zumindest wenn man dafür den Plasma-Algorithmus verwendet.
ALPHA ist die Architektur einer lokationssensitiven Puppe für hydropneumatische Animation. Es ist ein Animations-Eingabegerät. Die Puppe soll ein Objekt repräsentieren, welches animiert werden soll. Ihre Gliedmaßen, welche aus Knochen und Gelenken bestehen, sind beweglich. Sie wird an einen Computer angeschlossen und die gegenwärtige Stellung ihrer Gelenke kann mittels eines ebenfalls entwickelten Treibers von diesem Computer eingelesen werden. Des Weiteren wird erklärt was eine hydropneumatische Animation ist. Die Diplomarbeit weist die folgende Gliederung auf: • Motivation • Technische Grundlagen und State-Of-The-Art-Analyse • Anforderungsanalyse • Das eigene Konzept, die lokationssensitive Puppe (ALPHA) • Evaluation • Ausblick Die Motivation beschäftigt sich mit der Entwicklung der Filmanimation und einiger Errungenschaften in der Laufbahn der Animationstechnologischen Entwicklung. Die technischen Grundlagen beschränken sich auf die Funktionsweise von Messapparaturen, welche als Gelenkstellungssensoren fungieren können. Im Einzelnen sind das der optische Resolver, der Optoencoder und die Kombination von einem Drehpotentiometer und einem Analog/Digital-Wandler. Zur State-Of-The-Art-Analyse gehört die Erläuterung bereits entwickelter Stellungs- und Bewegungsmessender Technologien, wie das Stop-Motion-Verfahren, das Motion-Capturing, das Dinosaur-Input-Device und der Datenhandschuh. Eine Zusammenstellung der Defizite dieser Verfahren schließt dieses Kapitel ab. Die Analyse der Anforderungen an ein zu entwickelndes System ist im Kapitel Anforderungsanalyse zu finden. Zum eigenen Konzept gehört die gesamte Entwicklung einer lokationssensitiven Puppe. Die Puppe ist das Ebenbild des Skeletts eines zu animierendes Objekts. Sie besteht aus mehreren Gliedmaßen, welche an ihren Gelenken beweglich sind. Die Gelenkstellung wird von Potentiometern gemessen, dessen Signal ein A/D-Wandler empfängt. Die Umschaltung der einzelnen Messwerte erfolgt über Analog-Multiplexer. Die gesamte Steuerung der Bauteile und das Auslesen des A/D-Wandler werden durch einen Treiber über den Parallelport eines PCs gesteuert. Die Funktionsweise des Treibers und seine Implementierung werden ebenfalls in diesem Kapitel erläutert. Im Kapitel Evaluation befindet sich eine Bewertung des Konzepts und der Erfüllung der Anforderungsanalyse. Schließlich zeigt der Ausblick die Möglichkeiten der Anwendungen der Puppe und einen Blick in zukünftige Technologien.
In dieser Diplomarbeit wird ein Echtzeit-Verfahren vorgestellt, um einen wassergefüllten Ballon zu simulieren. Grundlage des Verfahrens ist ein Feder-Masse-Dämpfer–System, das zusammen mit Methoden zur Erhaltung des Innenvolumens sowie einer topologieerhaltenden Datenstruktur kombiniert wurde. Die Masse des Wassers wird dabei auf Massepartikel an der Oberfläche des Gummiballons aufgeteilt, an denen die Wirkung der physikalischen Kräfte Gravitation, Innendruck und elastische Zugkraft der Oberfläche ausgewertet wird. Dies erfolgt durch iterative Anwendung eines Simulationsschrittes, bei dem die auf die Massepartikel wirkenden Beschleunigungen ermittelt und in eine Bewegung übertragen wird. Bei der Umsetzung in C++ wurde das Verfahren mit Hilfe des Echtzeit-3D-Szenengraphen OGRE (Object-oriented Graphics Rendering Engine) implementiert.
Mögliche Einsatzgebiete sind interaktive Simulationsumgebungen oder andere Echtzeit-Anwendungen in den Bereichen Multimedia und Unterhaltung sowie Nicht-Echtzeit-Verfahren zur Bildgenerierung und physikalischen Simulation.
Klassische Bildmanipulation spielt sich meist im Zweidimensionalen, also in der reinen Bild-ebene ab. So werden beispielsweise Objekte aus Fotos entfernt, indem die dahinterliegende Struktur nachgezeichnet wird, oder es werden mehrere Teilbilder zu einem neuen, verfälschten Motiv zusammengesetzt. Bei der sogenannten Bildretuschierung werden unschöne Bereiche übermalt, um einen besseren Gesamteindruck zu erreichen. All diese Manipulationen haben im Grunde das gleiche Ziel: Das Erstellen einer möglichst realistischen Verfälschung der darge-stellten Szene indem die eigentlich dreidimensionalen Elemente in 2D imitiert werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, von der reinen Zweidimensionalität eines Bildes Abstand zu nehmen und ein neues Verfahren zu entwickeln, Manipulationen im wirklichen 3D-Inhalt des Fotogra-fierten vorzunehmen. Dazu wird die klassische Bildmanipulation mit aktuellen Verfahren aus dem Bereich Multi View Stereo verknüpft. In einem ersten Schritt wird aus einer Fotoserie ein 3D-Modell mit passenden Texturen erstellt, welches anschließend nach Belieben manipuliert werden kann. Diese Veränderungen werden schließlich wieder in die Originalbilder übertragen, wodurch eine 3D-unterstützte Bildmanipulation realisiert wird.
Die praktische Umsetzung des vorgestellten Verfahrens basiert teilweise auf bereits vorhan-dener Software, die mit dem Ziel der Bildmanipulation neu kombiniert und durch eigene Um-setzungen ergänzt wird. So entsteht eine funktionierende Implementierung, die den kompletten Weg vom Original bis hin zum manipulierten Bild abdeckt.
Diese Arbeit behandelt das Thema der Darstellung und der Simulation von Pflanzen mit Lindenmayer-Systemen. Zur Darstellung der aus Lindenmayer- Systemen entwickelten Strukturen wird das Programm Linde 3D entwickelt, welches dem Benutzer das Erstellen und die Simulation von Objekten unter Verwendung von deterministischen, geschachtelten, stochastischen, kontextsensitiven, umgebungssensitiven und offenen Lindenmayer-Systemen ermöglicht.
Neben der Entwicklung des Programms Linde 3D liegt ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Simulation der biologischen Prozesse Vernalisation und Stratifikation. Für die Simulation dieser Prozesse werden Lindenmayer- Systeme entwickelt, welche die Grundfunktionalität der Prozesse simulieren und in Abhängigkeit dieser dreidimensionale Modelle der Pflanze erzeugen.
Das Programm Linde 3D ist so konzipiert, dass es allgemein eingesetzt werden kann. Neben dem Verständnis für die abstrakten Modelle der Lindenmayer-Systeme werden keine speziellen Kenntnisse des Anwenders vorausgesetzt. Die Eingabe der L-Systeme erfolgt entweder über die Auswahl vordefinierter Lindenmayer-Systeme und Umweltdaten oder durch Komposition von Lindenmayer-Systemen und Umweltdaten durch den Anwender. Die graphische Interpretation der Lindenmayer-Systeme erfolgt unter Verwendung des Schildkröten-Modells. Die Ausgabe des Programms Linde 3D besteht zum einen aus einer direkten Darstellung der generierten Szene im Programm und zum anderen aus der Ausgabe der Szene in Form einer oder mehrerer Dateien für den POVRay Raytracer. Die erzeugten Dateien können durch externe Programme aufbereitet und zu einer Animation zusammengefügt werden.
Die vorliegende Arbeit beginnt mit einer kurzen Einführung in das Thema der Fraktale und Lindenmayer-Systeme, sowie den nötigen Grundlagen für das Verständnis der biologischen Hintergründe. Im Anschluss werden dem Leser die notwendigen theoretischen Grundkenntnisse zu Lindenmayer-Systemen und ein Einblick in aktuelle Anwendungen und Entwicklungen vermittelt. Nach einer Beschreibung der Anforderungen, des Aufbaus und der Implementierung des Programms Linde 3D werden die erworbenen Grundkenntnisse im Bereich der Lindenmayer-Systeme und das Programm Linde 3D eingesetzt, um Schritt für Schritt Lindenmayer-Systeme für die Simulation der biologischen Prozesse Vernalisation und Stratifikation zu entwickeln. Nach der Konstruktion der L-Systeme werden die erworbenen theoretischen Grundlagen für den Bereich des Testens von Parser und Schildkröten-Modell auf Funktionalität benötigt. Im Ausblick werden Ideen für Anwendungen und Erweiterungen des Programms Linde 3D beschrieben.