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Raytracing und Szenegraphen
(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 erm¨oglichen 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 n¨aher 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 herk¨ommlichen PC. Zun¨achst m¨ussen 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 Grundger¨ust für ein Realtime-High-Quality-Rendering-System.
In dieser Arbeit wurde ausgehend von aktuellen Matchmaking Systemen ein 3D Lobbysystem geschaffen. Dabei wurde speziell auf ein intuitives Matchmaking und eine einfache Bedienung wertgelegt, um dieses nicht nur für Core Gamer, sondern auch für Casual Gamer interessant zu machen. Zudem versteht sich dieses Lobbysystem nicht als endgültig, sondern mehr als ein flexibles leicht anpassbares System. Daher ist sie besonders einfach für zukünftige Spiele anpassbar: Sämtliche Szenen, Avatare, Animationen, Einstellungen und GUI Dialoge lassen sich ohne Änderung des Quelltextes nur über Scripte, XML Tabellen und Datenbanken sehr leicht modifizieren. Um ein so komplexes Projekt in kurzer Zeit umzusetzen, war es nicht möglich ohne vorhandene Bibliotheken auszukommen. Aus diesem Grund wurden neben Nebula 2 als 3D Engine, das Mangalore Game Framework, sowie für die Netzwerktechnik die Rakknet Multiplayer Network Engine bei der Implementation des Lobbysystems verwendet. Wie die Tests zeigen befindet sich das entwickelte System in einem einsatzfähigen Zustand. So können sich gleichzeitig in der Lobby bis zu 200 Spieler aufhalten und das Matchmaking durchführen, ohne mit Lags oder Timeouts vom Server rechnen zu müssen. Lediglich die Framerate der einzelnen Clients kann bei sehr vielen eingeloggten Nutzern unter 20 FPS fallen. Je nach der erwarteten Anzahl von Spielern sollte hier ggf. auf Avatare mit weniger Polygonen zurückgegriffen werden.
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.
In der Computergraphik werden immer wieder verschiedenste Objekte des realen Lebens modelliert. Dabei werden oft die Regeln ihres Aufbaus ausgenutzt, um diese Modelle automatisch zu erzeugen.
Gotische Architektur bietet daf¨ur gute Voraussetzungen. Auf Grund ihres hohen Grades an selbst¨ahnlichen Strukturen besteht die Möglichkeit, solche Regeln aus ihrem Aufbau abzuleiten. Wie bei vielen gotischen Elementen lassen sich auch bei den Pfeilern, die die Basis jedes gotischen Gewölbes bilden, solche Strukturen in ihrem teilweise komplexen Grundriss finden.
Die vorliegende Diplomarbeit stellt eine Methode vor, mit der die Grundrisse verschiedener gotischer Pfeiler beschrieben werden können. Die in dieser Arbeit entwickelte Querschnittsbeschreibung, wird die Darstellung der Grundrisse möglichst vieler verschiedener Pfeiler erlauben und automatisch erzeugbar sein. Der Aufbau der Beschreibung erm¨oglicht die Generierung eines 3D-Modells.
Um dies zu erreichen, wird zunächst eine Analyse der Querschnitte verschiedener gotischer Pfeiler vorgenommen. Mit den in der Analyse gewonnenen Informationen wird formal eine Querschnittsbeschreibung entwickelt, die die oben beschriebenen Anforderungen erf¨ullt. Die automatische Erzeugung erfolgt über ein parametrisches L-System. Aus der Beschreibung des Querschnitts wird schließlich das 3D-Modell erzeugt.
Die Implementierung erfolgt komplett in C++. Für die Erzeugung des 3D-Modells wird der Open Source Szenengraph Ogre3D verwendet, der die notwendige 3D-Grafik-Funktionalit¨at zur Verfügung stellt.
Mit der realisierten Anwendung ist es m¨oglich, mit wenigen Eingaben ein Modell eines komplexen gotischen Pfeilers zu erstellen.
Die Gotik ist eine Kunstepoche des Mittelalters, die eine große Anzahl beeindruckender Bauten hervorgebracht hat. Hierbei sind besonders die monumentalen Sakralbauten dieser Zeit mit ihren eindrucksvollen Fenstern hervorzuheben. Rosetten gehören zu den größten Fenstern in gotischen Kathedralen. Sie sind kreisförmige Fenster, die vor allem durch ihre komplexe Aufbauweise auffallen. Das Grundbauelement der Rosetten ist das sog. Maßwerk - ein Steinwerk das als dekoratives Muster für Fenster und Wände in gotischen Bauten eingesetzt wird. Charakteristisch für diese Muster sind sich wiederholende, verschieden große geometrische Formen, was an die Eigenschaft der Selbstähnlichkeit bei Fraktalen erinnert.
Die manuelle Modellierung gotischer Fenster ist auf Grund deren komplexen Aufbaus sehr aufwendig. Eine prozedurale Generierung hingegen automatisiert den Modellierungsprozess weitgehend und verringert damit den Zeit- und Modellierungsaufwand per Hand.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine prozedurale Methode beschrieben, die die aufwendige manuelle Modellierung der Rosetten bzw. des Maßwerks zum größten Teil ersetzt. Diese Methode basiert auf der Analyse der fraktalen Struktur des Maßwerks und nutzt dabei dessen Selbstähnlichkeit aus, um Rosetten automatisch zu generieren. Mit der in dieser Arbeit entwickelten Implementierung ist es mögliche, eine große Vielfalt gotischer Rosetten zu beschreiben und mit Hilfe der 3D-Grafik-Engine OGRE graphisch darzustellen.
Manipulierte Bilder werden zu einem immer gröÿeren Problem in der aktuellen Berichterstattung und sie verursachen in vielen Fällen Empörung unter den Lesern.
In dieser Diplomarbeit werden verschiedene Ansätze aus der aktuellen Forschung aufgezeigt, die zur Erkennung von manipulierten digitalen Bildern benutzt werden können. Hierbei liegt der Schwerpunkt besonders auf verschiedenen statistischen Ansätzen von Farid, Johnson und Popescu. Ein Abriss über die wichtigsten inhaltsbasierten Algorithmen wird ebenfalls gegeben.
Weiterhin wird für die Algorithmen, die im Hinblick auf technische Realisierbarkeit, Laufzeit und ein breites Spektrum von möglichen Szenarien vielversprechend wirken, eine Automatisierung entwickelt, die die Analyse ohne weitere Benutzereingaben durchführt. Das Augenmerk liegt hier besonders darauf, dass die zu analysierenden Bilder möglichst wenige Vorraussetzungen erfüllen müssen, damit es eine Möglichkeit der korrekten Erkennung gibt.
Diese Automatisierungen werden implementiert, wenn möglich verbessert und auf einer Menge von Bildern getestet. Enthalten sind sowohl zufallsgenerierte Bilder, als auch aus geometrischen Formen synthetisierte und natürliche Bilder. Die Erkennung der auf die Bilder angewandten Fälschungstechniken beschäftigt sich vor allem mit Duplikationen, Einfügen und Interpolation von Bereichen.
Der Test dieser Implementierung konzentriert sich auf die absolute Effektivität und Effiienz gegen die gegebene Testmenge, betrachtet jedoch auch die spezifischen Vor- und Nachteile der ursprünglichen Algorithmen und der entwickelten Verbesserung. Ihre Ergebnisse, die sie auf den Testbildern erbringen, legen die Grundlage für eine Beurteilung der Algorithmen bezüglich Laufzeit und Effiienz.
Aufbauend auf diesen Analysen wird eine Bewertung der Algotihmen vorgenommen, die auch einen Ausblick auf mögliche Szenarien in der digitalen Bildbearbeitung und der Erkennung von Fälschungen für die nächsten Jahre geben soll.
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.
Konzeption und Implementierung einer Kommunikation zwischen Second Life und Web 2.0 Anwendungen
(2009)
Im Rahmen dieser Arbeit haben wir ein Konzept und einen Prototypen zur Kommunikation zwischen Second Life und Web 2.0 entwickelt.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird ein Konzept und ein Prototyp zur Kommunikation zwischen Second Life und Web 2.0-Anwendungen entwickelt. In der Übung zur Veranstaltung "Einführung in das Projektmanagement" wurden Meetings in Second Life abgehalten. Dabei haben die Studierenden im Rahmen der Übung Protokolle erstellt, die sie im Internet veröffentlichten. Die Protokollierung musste immer manuell durchgeführt werden und war dadurch fehleranfällig und nicht ausfallsicher. Hier entstand der Wunsch, die Protokollierung zu automatisieren und somit den administrativen Aufwand zu reduzieren.
Im Kapitel 2 werden die Grundlagen behandelt, die für das Verständnis der Arbeit notwendig sind. Hierbei werden Second Life, sowie Blog und Wiki als Repräsentanten von Web 2.0 vorgestellt. Außerdem wird eine klare Abgrenzung zwischen diesen Technologien aufgezeigt.
Die Analyse dieser Diplomarbeit umfaÿt unter anderem die verschiedenen Möglichkeiten der Übertragung der Informationen zwischen Second Life und den Web 2.0-Anwendungen.
Im Konzept ist die Gesamtarchitektur zur Kommunikation zwischen Second Life und den Web 2.0 Anwendungen enthalten. Die Hauptsystemkomponenten, die dafür notwendig sind, stellen eine Ansammlung aus Second Life Skripten, dem HTTP Supervisor und den Wiki Bot Skripten dar. Die Second Life und die Wiki Bot Skripten sind eine Ansammlung von Unterprogrammen, die jeweils auf eine Aufgabe spezialisiert sind. Die genaue Erklärung wird im Kapitel 4 Aufgrund der Unterschiede der Web 2.0 Anwendungen wurde ein Bot eingesetzt, der eine Web 2.0 Anwendung bedient. Der HTTP Supervisor dient der Vermittlung dient der Vermittlung der Daten zwischen Second Life und der Web 2.0 Anwendung. Auÿerdem speichert er die Daten in temporäre Dateien. Der Second Life Teil des Programms dient der Steuerung des gesamten Systes.
Durch die prototypische Umsetzung ist die Durchführbarkeit bewiesen, die Daten aus Second Life herauszuführen und im MediaWiki zu speichern.
Lernplattformen sind E-Learning-Systeme, deren Kernfunktionalität die Verwaltung und Verteilung von Lernmaterialien über das World Wide Web ist. In dieser Arbeit wurde untersucht, wie durch Aufzeichnung (Tracking), Auswertung und Visualisierung von Lernaktivitäten in Lernplattformen eine Verbesserung der Lernqualität erreicht werden kann. Der Ansatzpunkt dafür war, Informationen zu Lernaktivitäten in geeigneter Weise Lehrenden und Lernenden zu präsentieren, so dass diese Rückschlüsse ziehen können, um Lernprozesse eigenständig zu optimieren. Viele Lernplattformen verfolgen bereits diesen Ansatz und verfügen deshalb über entsprechende Funktionalität.
Es mussten zwei wesentliche Fragen beantwortet werden:
1. Was müssen Lernende und Lehrende über erfolgte Lernaktivitäten wissen?
2. Wie werden Lernaktivitäten in geeigneter Weise präsentiert?
Diese Fragen wurden durch Betrachtung existierender Lernplattformen (State of the Art) sowie Befragung von Experten in Form von Interviews beantwortet. Zur Beantwortung der 2. Frage wurden außerdem allgemeine Grundlagen der Auswertung und Visualisierung von Daten verwendet sowie (zu einem geringen Teil) Auswertungs- und Visualisierungsverfahren von Systemen, die keine Lernplattformen sind. Besondere Aufmerksamkeit wurde auch dem
Datenschutz gewidmet.
Beruhend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde dann ein Konzept für ein Auswertungs-/Visualisierungssystem entwickelt das in verschiedenen Punkten eine Verbesserung des State of the Art darstellt.
Teile des Konzepts wurden schließlich für das webbasierte Softwaresystem LernBar, das über einen Großteil der Funktionalität einer Lernplattform verfügt, prototypisch implementiert. Durch die Implementierung soll es ermöglicht werden, das Konzept im praktischen Einsatz zu evaluieren, was im Rahmen dieser Arbeit nicht möglich war.