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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.
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.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein Konzept zur Extraktion von semantischen Informationen aus Wiki-Systemen entwickelt. Ausgangspunkt ist die Tatsache, dass in einem Wiki-System eine Reihe von Informationen in strukturierten, semi-strukturierten oder unstrukturierten Texten vorliegen, deren Semantik nicht immer auf den ersten Blick ersichtlich ist. Daher umfasste die Analyse zum einen, welche Informationen explizit und welche implizit vorhanden sind und zum anderen, welche Beziehungen sich aus den gefundenen Informationen ableiten lassen. Dabei handelt es sich beispielsweise um Beziehungen zwischen verschiedenen Seiten oder um Beziehungen zwischen Wörtern. Hierfür wurde eine Schablone definiert, die jede Information, die extrahiert werden kann, im Detail beschreibt. Dies beinhaltet sowohl die Semantik und die Datenquelle, aus der die Informationen extrahiert werden können, als auch eine Anleitung zur Extraktion und die abschließende Darstellung als XML-Element. Da aber nicht jede Information und deren Semantik sicher ist, wird zwischen sicheren und unsicheren Informationen unterschieden. Die Analyse hat allerdings ergeben, dass es eine Reihe an Informationen gibt, denen nicht automatisch eine Semantik zugewiesen werden kann. Außerdem wurden die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der verschiedenen Wiki-Systeme analysiert, die für die Entwicklung des Konzeptes notwendig waren. Im Konzept ist die Gesamtarchitektur zur Extraktion von semantischen Informationen enthalten. Zwei Hauptsystemkomponenten waren hierfür notwendig: Wrapper und Mediator. Aufgrund der Unterschiede der Wiki-Systeme, wie beispielsweise die verwendete Programmiersprache, Datenbank oder Datei und Wiki-Syntax, wurde eine Wrapper eingesetzt. Der Mediator dient hingegen als Vermittler zwischen der jeweiligen Anwendung und dem Wiki-System. Durch die prototypische Implementation des Konzeptes ist die Durchführbarkeit bewiesen, bestimmte semantische Informationen zu extrahieren und diese in eine für die Weiterverarbeitung geeignete Form zu bringen. Das heißt, bestimmte Informationen können automatisch oder halb-automatisch in eine semantische Beziehung zueinander gesetzt werden.
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.
Augmented Reality ist eine Technologie, mit der die Wahrnehmung der realen Umgebung durch computergenerierte Sinnesreize verändert bzw. erweitert wird. Zur Erweiterung dieser „angereicherten Realität“ werden virtuelle Informationen wie z.B. 3D-Objekte, Grafiken und Videos in Echtzeit in Abbildern der realen Umgebung dargestellt. Die Erweiterungen helfen dem Anwender Aufgaben in der Realität auszuführen, da sie ihm Informationen bereitstellen, die er – ohne AR – nicht unmittelbar wahrnehmen könnte. Die Zielsetzung ist, dem Benutzer den Eindruck zu vermitteln, dass die reale Umgebung und die virtuellen Objekte koexistent miteinander verschmelzen. Für AR-Anwendungen existieren zahlreiche potenzielle Einsatzgebiete, doch verhindern bisher einige Probleme die Verbreitung dieser Technologie. Einer breiten Nutzung von AR-Anwendungen steht beispielsweise die Problematik gegenüber, dass deren Erstellung hohe programmiertechnische Anforderungen an die Entwickler stellt. Zur Verminderung dieser Probleme ist es wünschenswert Benutzern ohne Programmierkenntnisse (Autoren) die Entwicklung von AR-Anwendungen zu ermöglichen. Zum anderen bestehen technologische Probleme bei den für die Registrierung der virtuellen Objekte essenziellen Trackingverfahren. Weiterhin weisen die bisherigen AR-Anwendungen im Allgemeinen und die mittels autorenorientierter Systeme erstellten AR-Applikationen im Besonderen Defizite bezüglich der Authentizität der Darstellungen auf. Dabei sind hauptsächlich inkorrekte Verdeckungen und unrealistische Schatten bei den virtuellen Objekten verantwortlich für den Verlust des Koexistenzeindrucks. In dieser Arbeit wird unter Berücksichtigung der Trackingprobleme und auf Basis von Analysen, die die wichtigsten Authentizitätskriterien bestimmen, ein Konzept zur authentischen Integration von virtuellen Objekten in AR-Anwendungen erarbeitet und dargelegt. Auf diesem Integrationsprozess basierend werden Konzepte für Werkzeuge mit grafischen Benutzungsschnittstellen abgeleitet, mit denen Autoren die Erstellung von AR-Anwendungen mit hoher Darstellungsauthentizität ermöglicht wird. Einerseits verfügen die mit diesen Werkzeugen erstellten AR-Anwendungen über eine verbesserte Registrierung der virtuellen Objekte. Andererseits stellen die Werkzeuge Lösungen bereit, damit die virtuellen Objekte der AR-Anwendungen korrekte Verdeckungen aufweisen und über Schatten und Schattierungseffekte verfügen, die mit der tatsächlichen Beleuchtungssituation der realen Umgebung übereinstimmen. Sämtliche dieser Autorenwerkzeuge basieren auf einem in dieser Arbeit dargelegten Prinzip, bei dem die authentische Integration mittels leicht verständlicher bzw. wenig komplexer Arbeitsschritte und auf Basis der Verwendung einer Bildsequenz der realen Zielumgebung stattfindet. Die Konzepte dieser Arbeit werden durch die Implementierung der Autorenwerkzeuge validiert. Dabei zeigt sich, dass die Konzepte technisch umsetzbar sind. Die Evaluierung basiert auf der Gegenüberstellung eines in dieser Arbeit entwickelten Anforderungskatalogs und verdeutlicht die Eignung des Integrationsprozesses und der davon abgeleiteten Konzepte der Autorenwerkzeuge. Die Autorenwerkzeuge werden in eine bestehende, frei verfügbare AR-Autorenumgebung integriert.
Wiki-Systeme im eLearning
(2006)
Wiki-Systeme lassen sich in den verschiedensten Anwendungsgebieten auf angenehme Weise, aufgrund ihrer Open-Source Lizenz, durch die Anreicherung entsprechender Zusatzmodule anpassen. An dieser Stelle muss jedoch bedacht werden, dass durch die Integration vermehrter Funktionen, das charakteristische Merkmal der Wiki-Systeme 'Einfachheit' an Präsenz verlieren kann. Dieses, für Wikis typische Charakteristikum ist eine nicht zu unterschätzende Stärke, da sowohl die Expansion der Enzyklopädie Wikipedia, als auch die zunehmende Anzahl bestehender Wikis im Internet geradezu Beweis dafür sind, dass keine anderen Anwendungen in diesem Verhältnis existiert haben. Würde somit das Wiki, aufgrund der Anpassung an ein vorliegendes Konzept an Einfachheit verlieren, so müssten die Beweggründe des Wiki-Einsatzes noch mal überdacht werden. Ebenso könnte in den Bereichen, in denen die Stärken von Wikis unbrauchbar sind, ein anderes System womöglich bessere Ergebnisse liefern als ein Wiki. Aus diesen Gründen sollte vor einem Wiki-Einsatz überprüft werden, ob die vorhandenen Merkmale und Funktionen eines Wikis mit den eigenen Anforderungen übereinstimmen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Befragung hat gezeigt, das Wikis größtenteils als Präsentationsmedium, zur gemeinsamen Texterstellung und als Informationsplattform genutzt werden. Es ist deutlich geworden, dass die Integration von Wikis im Lehrbereich geeignete Anwendung findet. Auffallend war, dass zwar bei (fast) allen Befragten Schwierigkeiten aufgetreten sind und sogar erhoffte Erwartungen teilweise nicht erfüllt wurden, dennoch war der größte Teil der Befragten mit dem Wiki-Einsatz zufrieden und bewertete diesen als positiv. Die Art der aufgetretenen Schwierigkeiten und Schwachstellen zeigt, dass den Lehrenden gewisse Anleitungen und Richtlinien für einen erfolgreichen Wiki-Einsatz fehlten. Denn Informationen zum didaktischen Rahmen - in denen Wikis eingesetzt werden können - und wie Wikis eingesetzt werden sollen, waren nicht vorhanden. Somit sollen die - in dieser Arbeit - erarbeiteten Empfehlungen und Kriterien, Lehrende zu einem optimierten Wiki-Einsatz in Lehrveranstaltungen verhelfen. Außerdem sind in dieser Arbeit Vorgaben enthalten, wie Wiki-Einsätze von Lehrenden gestaltet werden können, so dass die häufig auftretenden Probleme vermieden werden können. Die erarbeiteten Empfehlungen und Kriterien sind gleichermaßen aus den positiven, wie auch aus den negativen Erfahrungen der Befragten entstanden. Insbesondere sollen die Empfehlungen und Kriterien, die von den Befragten permanent beklagten auftretenden Schwierigkeiten und Probleme verhindern. Eine Garantie jedoch, dass die Einhaltung dieser Empfehlungen und Kriterien zu einem erfolgreichen Wiki-Einsatz führen und ob keine relevanten Kriterien unbeachtet gelassen sind, kann an dieser Stelle nicht gegeben werden. Ob sich nun die Probleme, die sich mit Wiki-Einsätzen wiederholt ergeben haben, durch die Befolgung dieser Kriterien und Empfehlungen vermeiden lassen, könnte im Rahmen einer nachfolgenden Diplomarbeit untersucht werden, in der Wiki- Einsätze, begleitet werden. Weiterhin sollte im Rahmen einer weiteren Arbeit die Situation der Lernenden und die Auswirkung auf das Lernverhalten in Verbindung mit Wiki-Systemen evaluiert werden, so dass einige Thesen dieser Arbeit belegt oder gar widerlegt werden können.
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.
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.
Visualisierungssysteme nutzen die Mittel der modernen Computergraphik, um Informationen und Zusammenhänge zu veranschaulichen. Ein wichtiges Teilgebiet besteht dabei in der Veranschaulichung großer Informationsmengen zur Gewinnung eines Überblicks und Vorauswahl potentiell interessanter Teilmengen, die dann mit weiterführenden Methoden im Detail erforscht werden können. Das Relevanzkugelmodell wurde erstmals eingeführt, um als Bestandteil des LyberWorld-Projekts genau diese Vorselektion auf einer Menge von Textdokumenten zu leisten. Ziel dieser Arbeit ist es, dieses Modell in eine neue Form auf Basis des World Wide Web zu überführen und damit aus der engen Anbindung an das ursprüngliche System zu lösen und allgemeiner verwendbar zu machen. Zu diesem Zweck werden zunächst das Modell an sich und seine früheren Implementierungen genauer betrachtet, dann nach Auswahl geeigneter Hilfsmittel – VRML zur graphischen Modellierung und Java zur Handhabung der Funktionalität – Konzepte zur weiteren Ausgestaltung und zur Behebung existierender Schwächen des Ansatzes erarbeitet, und schließlich die resultierende Implementierung beschrieben und bewertet.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Generierung virtueller Organismen respektive mit der dreidimensionalen Nachbildung anatomischer Strukturen von Pflanzen, Tieren, Menschen und imaginärer Wesen per Computer. Berücksichtigt werden dabei sowohl die verschiedenen Aspekte der Visualisierung, der Modellierung, der Animation sowie der Wachstums-, Deformations- und Bewegungssimulation. Dazu wird zuerst eine umfassende State-of-the-Art-Analyse konventioneller Methoden zur Organismengenerierung durchgeführt. Im Laufe dieser Analyse werden die Defizite herkömmlicher Verfahren aufgezeigt und damit eine gezielte Anforderungsanalyse für neue Verfahren erstellt. Mit Hilfe dieser Anforderungsanalyse wurde nach neuen Lösungsansätzen gesucht. Besonders hilfreich hat sich in diesem Zusammenhang die Frankfurter Organismus- und Evolutionstheorie erwiesen. Gemäß dieser Theorie stellen Organismen aus biomechanischer Sicht komplexe hydropneumatische Konstruktionen dar. Ihre Körperformen und Bewegungen werden weitgehend durch stabilisierende, kräfteerzeugende und kräfteübertragende Strukturen generiert, die den Gesetzen der klassischen Hydropneumatik folgen. So entstand die Idee, Organismen auf der anatomischen Ebene als eine komplexe Hierarchie unterschiedlicher hydropneumatischer Einheiten anzusehen, welche mechanisch miteinander interagieren. Diese Sichtweise liefert die Grundlage für ein neues biologisches Simulationsmodell. Es erlaubt der Computergraphik, sowohl die Form eines Organismus zu beschreiben als auch sein Verhalten bezüglich seiner Bewegungsabläufe, seiner evolutionären Formveränderungen, seiner Wachstumsprozesse und seiner Reaktion auf externe mechanische Krafteinwirkungen numerisch zu simulieren. Aufbauend auf diesem biologischen Simulationsmodell wurde ein neues Verfahren (Quaoaring) entwickelt und implementiert, das es erlaubt, beliebige organische Einheiten interaktiv in Echtzeit zu modellieren. Gleichzeitig ermöglicht dieses Verfahren die Animation von Bewegungen, Wachstumsprozessen und sogar evolutionären Entwicklungen. Die Animation verhält sich dabei im Wesentlichen biologisch stringent, z.B. wird das interne Volumen während komplexer Bewegungsabläufe konstant gehalten. Die größte Stärke der neuen Modellierungs- und Animationstechnik ist die holistische Verschmelzung des biologischen Simulationsmodells mit einem computergraphischen Geometriemodell. Dieses erlaubt dem Modellierer, biologische Konzepte für die Beschreibung der Form und anderer Attribute einer organischen Einheit zu verwenden. Darüber hinaus ermöglicht es die Animation des geometrischen Modells durch einfache Parameterspezifikation auf einer hohen Abstraktionsebene. Dazu wird ein utorenprozess beschrieben, wie Quaoaring für Modellierungs- und Animationszwecke verwendet werden kann. Es werden Aspekte der prototypischen Implementierung der Quaoaringtechnologie behandelt und über die Ergebnisse berichtet, die bei der Implementierung und der Anwendung dieses Softwareframeworks gewonnen wurden. Schließlich wird die Quaoaringtechnologie in ihrem technologischen Kontext beleuchtet, um ihr Zukunftspotential einzuschätzen.
In den Anwendungsbereichen der Mixed Reality (MR) werden die reale und die virtuelle Welt kombiniert, so dass ein Eindruck der Koexistenz beider Welten entsteht. Meist wird dabei die reale Umgebung durch virtuelle Objekte angereichert, die dem Anwender zusätzliche Informationen bieten sollen. Um die virtuellen Objekte richtig zu positionieren, muss die reale Umgebung erkannt werden. Diese Erkennung der realen Umgebung wird meist durch Bestimmung und Verfolgung von Orientierung und Positionierung der realen Objekte realisiert, was als Tracking bezeichnet wird und einen der wichtigsten Bestandteile für MR-Anwendung darstellt. Ohne die exakte Ausrichtung von realen und virtuellen Objekten, geht die Illusion verloren, dass die virtuellen Objekte Teil der realen Umgebung sind und mit ihr verschmelzen. Markerkombination Das markerbasierte Tracking ist ein Verfahren, das die Bestimmung der Positionierung von realen Objekten durch zusätzliche Markierungen in der realen Umgebung ermöglicht. Diese Markierungen können besonders gut durch Bildanalyseverfahren extrahiert werden und bieten anhand ihrer speziellen Form Positionierungsinformationen. Der Einsatz dieser Trackingtechnologie ist dabei denkbar einfache und kostengünstig. Ein breiter Anwendungsbereich ist durch den kostengünstigen Einsatz dieser Technologien gegeben, allerdings ist das Erstellen von MR-Anwendungen fast ausschließlich MR-Spezialisten vorbehalten, die über Programmierfertigkeiten und spezielle Kenntnisse aus dem MR-Bereich besitzen. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Umsetzung der Konzepte, die einem Personenkreis, der lediglich über geringe Kenntnisse von MR-Technologien und deren Anwendung verfügt, den kostengünstigen und einfachen Einsatz von markerbasierten Trackingtechnologien ermöglicht. Die im Rahmen der Arbeit durchgeführte Analyse verweist auf die problematischen Anwendungsfälle des markerbasierten Trackings, die durch die Verdeckung von Markern zustande kommen, in der Beschränkung der Markeranzahl begründet sind, oder durch die Schwankung der Trackingangaben entstehen. Diese Problembereiche sind bei der Entwicklung berücksichtigt worden und können mit Hilfe der entwickelten Konzepte vom Autor bewältigt werden. Das Konzept der Markerkategorien ermöglicht dabei den Einsatz von angepassten Filterungstechniken. Die redundante Markerkombination behebt das Verdeckungsproblem und eliminiert Schwankungen durch das Kombinieren von mehreren Trackinginformationen. Die Gütefunktion ermöglicht die Bewertung von Trackinginformationen und wird zur Gewichtung der Trackingangaben innerhalb einer Markerkombination genutzt. Das Konzept der Markertupel ermöglicht eine Wiederverwendung von Markern, durch den Ansatz der Bereichsunterteilung. Die Konzepte sind in der AMIRE-Umgebung vollständig implementiert und getestet worden. Zum Abschluss ist rückblickend eine kritische Betrachtung der Arbeit, in punkto Vorgehensweise und erreichter Ergebnisse durchgeführt worden.
Das größte Problem bei der Erstellung von MR-Anwendungen besteht darin, dass sie meistens durch Programmierung erstellt werden. Daher muss ein Autor spezielles Fachwissen über MR-Technologie und zumindest allgemeine Programmierkenntnisse mitbringen, um eine MR-Anwendung erstellen zu können. Dieser Erstellungsprozess soll mit Hilfe von MR-Autorensystemen, die derzeit auf dem Markt existieren und in der Forschung entwickelt werden, vereinfacht werden. Dies war ein Grund, warum diese Arbeit sich zum Ziel erklärte, zu überprüfen, inwieweit die Erstellung von MRAnwendungen durch Einsatz von MR-Autorensystemen vereinfacht wird. Ein weiteres Hauptziel war die Erstellung einer repräsentativen MR-Anwendung, die in dieser Arbeit als MR-Referenzanwendung bezeichnet wird. Sie sollte vor allem bei weiteren Entwicklungen als Vorlage dienen können und auf Basis von standardisierten Vorgehensmodellen, wie das Wasserfallmodell, erstellt werden. Ganz wichtig war es noch im Rahmen dieser Arbeit zu bestätigen, dass standardisierte Vorgehensmodelle auf MR-Anwendungen übertragbar sind. Um diese Ziele zu erreichen, sind in dieser Arbeit viele Schritte befolgt worden, die jeweils als Teilziele betrachtet werden können. Die MR-Referenzanwendung , die im Rahmen dieser Arbeit erstellt wurde, sollte mit Hilfe eines MR-Autorensystems umgesetzt werden. Um das richtige MRAutorensystem dafür auszusuchen, wurden im Rahmen einer Analyse fakultative und obligatorische Anforderungen an MR-Autorensysteme definiert, worin auch Funktionen identifiziert wurden, die ein solches System bereitstellen sollte. Das Anbieten einer Vorschau ist ein Beispiel für diese Funktionen, die bei der Erstellung von MR-Anwendungen eine essentielle Rolle spielen können. Die obligatorischen Anforderungen sind welche, die jedes Softwaresystem erfüllen soll, während die fakultativen das Ziel der Verbesserung von Autorensystemen verfolgen. Mit Hilfe der Analyse wurde ein Vergleich zwischen bekannten MR-Autorensystemen gezogen, dessen Ergebnis AMIRE als ein für die Ziele dieser Arbeit geeignetes MR-Autorensystem identifizierte. Für die MR-Referenzanwendung , die ähnliche Funktionen aufweisen sollte wie andere typische MR-Anwendungen wurden Funktionen, Anwendungsfälle und Design der Oberfläche spezifiziert. Diese Spezifikation wurde unabhängig von dem ausgesuchten Autorensystem durchgeführt, um darin analog zur Software-Technik das Augenmerk auf fachliche und nicht auf technische Aspekte zu legen. Um ans Ziel zu gelangen, wurde die MR-Referenzanwendung durch AMIRE realisiert, jedoch musste zuvor ihre Spezifikation auf dieses MR-Autorensystem überführt werden. Bei der Überführung wurde die Realisierung aus technischer Sicht betrachtet, das heißt es wurden verschiedene Vorbereitungen, wie die Auswahl der benötigten Komponenten, die Planung der Anwendungslogik und die Aufteilung der Anwendung in verschiedenen Zuständen, durchgeführt. Nach der gelungenen Realisierung und beispielhaften Dokumentation der MRReferenzanwendung konnte die Arbeit bewertet werden, worin die erzielten Resultate den Zielen der Arbeit gegenübergestellt wurden. Die Ergebnisse bestätigen, dass mit AMIRE die Entwicklung einer MR-Anwendung ohne Spezialwissen möglich ist und dass diese Arbeit alle ihrer Ziele innerhalb des festgelegten Zeitrahmens erreicht hat.
Configuration, simulation and visualization of simple biochemical reaction-diffusion systems in 3D
(2004)
Background In biological systems, molecules of different species diffuse within the reaction compartments and interact with each other, ultimately giving rise to such complex structures like living cells. In order to investigate the formation of subcellular structures and patterns (e.g. signal transduction) or spatial effects in metabolic processes, it would be helpful to use simulations of such reaction-diffusion systems. Pattern formation has been extensively studied in two dimensions. However, the extension to three-dimensional reaction-diffusion systems poses some challenges to the visualization of the processes being simulated. Scope of the Thesis The aim of this thesis is the specification and development of algorithms and methods for the three-dimensional configuration, simulation and visualization of biochemical reaction-diffusion systems consisting of a small number of molecules and reactions. After an initial review of existing literature about 2D/3D reaction-diffusion systems, a 3D simulation algorithm (PDE solver), based on an existing 2D-simulation algorithm for reaction-diffusion systems written by Prof. Herbert Sauro, has to be developed. In a succeeding step, this algorithm has to be optimized for high performance. A prototypic 3D configuration tool for the initial state of the system has to be developed. This basic tool should enable the user to define and store the location of molecules, membranes and channels within the reaction space of user-defined size. A suitable data structure has to be defined for the representation of the reaction space. The main focus of this thesis is the specification and prototypic implementation of a suitable reaction space visualization component for the display of the simulation results. In particular, the possibility of 3D visualization during course of the simulation has to be investigated. During the development phase, the quality and usability of the visualizations has to be evaluated in user tests. The simulation, configuration and visualization prototypes should be compliant with the Systems Biology Workbench to ensure compatibility with software from other authors. The thesis is carried out in close cooperation with Prof. Herbert Sauro at the Keck Graduate Institute, Claremont, CA, USA. Due to this international cooperation the thesis will be written in English.
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.
Die Darstellung photorealistischer Szenen durch Computer hat in Folge der Entwicklung immer effizienterer Algorithmen und leistungsfähigerer Hardware in den vergangenen Jahren gewaltige Fortschritte gemacht. Täuschend echt simulierte Spezialeffekte sind aus kaum einem Hollywood-Spielfilm mehr wegzudenken und sind zum Teil nur sehr schwierig als computergenerierte Bilder zu erkennen. Aufgrund der Komplexität von lebenden Organismen gibt es allerdings noch kein einwandfreies Verfahren, welches ein komplettes Lebewesen realistisch, sei es statisch oder in Bewegung, mit dem Computer simulieren kann. Im Bereich der Animation sind wirkungsvolle Resultate zu verzeichnen, da das Skelett eines Menschen oder Wirbeltieres durch geeignete Methoden simuliert und Bewegungen damit täuschend echt mit dem Computer nachgebildet werden können. Die Schwierigkeit, eine komplett realistische Visualisierung eines Lebewesens zu erreichen, liegt allerdings in der Darstellung weiterer Strukturen eines Organismus, die zwar nicht direkt sichtbar sind aber dennoch Einfluss auf die sichtbaren Bereiche haben. Bei diesen Strukturen handelt es sich um Muskel- und Fettgewebeschichten. Die Oberfläche von Figuren wird durch Muskeln sowohl in der Bewegung als auch in statischen Positionen deutlich sichtbar verändert. Dieser Effekt wird bisher bei der Visualisierung von Lebewesen nur unzureichend beachtet, was zu den aufgeführten nicht vollständig realistisch wirkenden Ergebnissen führt. Bei der Simulation von Muskeln wurden bis heute verschiedene Muskelmodelle entwickelt, die einen Muskel als Gesamtheit in Hinblick auf seine grundsätzlichen physikalischen Eigenschaften, wie z. B. Kraftentwicklung oder Kontraktionsgeschwindigkeit, sehr gut beschreiben. Viele Effekte des Muskels, die sich hauptsächlich auf einer tiefer liegenden Ebene abspielen, sind bis heute noch nicht erforscht, was folglich auch keine entsprechende Simulation auf dem Computer zulässt. Beschrieben werden die verschiedenen Muskeltypen (Skelett-, glatte und Herzmuskulatur) und Muskelformen (spindelförmige, einfach/doppelt gefiedert, etc.). Des weiteren wird auf die unterschiedlichen Muskelfasertypen (FTO, STO, usw.) mit ihren Eigenschaften und Funktionen eingegangen. Weitere Themen sind der strukturelle Aufbau eines Skelettmuskels, der Kontraktionsmechanismus und die Ansteuerung durch Nervenreize. Im Bereich Biomechanik, also der Forschung nach den physikalischen Vorgängen im Muskel, führte die Komplexität der Struktur und Funktionsweise eines Muskels zu einer ausgedehnten Vielfalt an Forschungsarbeiten. Zahlreiche Effekte, die bei einem arbeitenden Muskel beobachtet werden können, konnten bis heute noch nicht erklärt werden. Die Erkenntnisse, die für diese Arbeit relevant sind, sind jedoch in einem ausreichenden Maße erforscht und durch entsprechende mathematische Modelle repräsentierbar. Die Mechanik, die einem Muskel zugrunde liegt, wird auf diesen Modelle aufbauend beschrieben. Neben den Größen, die im später vorgestellten Modell verwendet worden sind, wird auch auf sonstige für biomechanische Untersuchungen relevante Eigenschaften eingegangen. Weiterhin wird dargestellt, wie verschiedene Kontraktionen (Einzelzuckung, Tetanus) mechanisch funktionieren. Für Muskelarbeit und Muskelleistung werden verschiedene Diagramme vorgestellt, welche die Zusammenhänge zwischen den physikalischen Größen Kraft, Geschwindigkeit, Arbeit und Leistung zeigen. Nach Vorstellung der ISOFIT-Methode zur Bestimmung von Muskel-Sehnen-Eigenschaften werden mathematische Formeln und Gleichungen zur Beschreibung von Kraft-Geschwindigkeits- und Kraft-Längen-Verhältnissen sowie der serienelastischen Komponente und der Muskelaktivierung, die zur Bewegungsgleichung führen, angegeben. Es folgen weitere mathematische Funktionen, welche die Aktivierungsvorgänge unterschiedlicher Muskelkontraktionen beschreiben, sowie das Muskelmodell nach Hill, welches seit vielen Jahren eine geeignete Basis für Forschungen im Bereich der Biomechanik darstellt. Bezüglich der Computergraphik wird ein kurzer Abriss gegeben, wie künstliche Menschen modelliert und animiert werden. Eine Übersicht über verschiedene Methoden zur Repräsentation der Oberfläche von Körpern, sowie deren Deformation unter Berücksichtigung der Einwirkung von Muskeln gibt die State-of-the-Art-Recherche. Neben den Oberflächenmodellen (Starrkörperdeformation, lokale Oberflächen-Operatoren, Skinning, Konturverformung, Deformation durch Keyshapes) werden auch Volumen- (Körperrepräsentation durch Primitive, Iso-Flächen) und Multi-Layer-Modelle (3-Layer-Modell, 4-Layer-Modell) vorgestellt und deren Vor- und Nachteile herausgearbeitet. Eine geeignete Repräsentation der Oberfläche, die Verformungen durch Muskelaktivität einbezieht, wurde durch die Benutzung von Pneus gekoppelt mit der Quaoaring-Technik gefunden. Dieses Verfahren, das auf Beobachtungen aus der Biologie basiert und zur Darstellung von organischen Körpern benutzt wird, ist ausgesprochen passend, um einen Muskel-Sehnen-Apparat graphisch darzustellen, handelt es sich doch hierbei auch um eine organische Struktur. Um die beiden Teilmodelle Simulation und Visualisierung zu verbinden, bietet sich die aus der Biomechanik bekannte Actionline an, die eine imaginäre Kraftlinie im Muskel und der Sehne darstellt. Die bei der Quaoaring-Methode verwendete Centerline, welches die Basis zur Modellierung des volumenkonstanten Körpers ist, kann durch die Kopplung an die physikalischen Vorgänge zu einer solchen Actionline erweitert werden. Veränderungen in der Länge und des Verlaufs der Actionline z. B. durch Muskelkontraktion wirken sich dadurch direkt auf die Form des Muskels aus und die Verbindung zur Visualisierung ist hergestellt.
Konzept und Implementierung eines Systems zur Visualisierung von Zelldifferenzierungssimulationen
(2004)
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zunächst den Stand der Forschung auf dem Gebiet der Zelldifferenzierungssimulatoren und –visualisierungen zu ermitteln. Davon ausgehend wurde ein eigenes Konzept für ein Visualisierungssystem entwickelt. Es wurde in einer prototypischen Implementierung mit dem Titel D-VISION umgesetzt. Die Recherchearbeiten ergaben, dass in der Forschung bisher hauptsächlich biochemische Reaktions-Netzwerke, die mithilfe von Differentialgleichungen gelöst werden, für Zell-Simulationen benutzt werden. Der dabei verwendete Abstraktionsgrad der repräsentierten Zellen ist zu hoch, um die gestellten Anforderungen einer realistischen 3D-Darstellung der Zellen zu erfüllen. Die grundlegende Idee, die Zelldifferenzierung aufgrund ihrer Genexpression also der in den Zellen vorhandenen Substanzen zu beschreiben, wurde als Basis für das Konzept für D-VISION verwendet. Die Daten, die visualisiert werden sollen, sind die Zellen selbst, die Substanzen, die in der Zelle vorhanden sind, Substanzen an der Zellhülle und die Gene, die in einer Zelle aktiv sind. Die Visualisierung wird durch Darstellung von aufeinander folgenden Standbildern vorgenommen, in denen navigiert werden kann. Zellen werden in Form von Kugeln repräsentiert, die, um eine realistischere Ansicht zu erreichen, so deformiert werden, dass sich die Kugeloberflächen aneinander angleichen. Die Deformation bietet nicht nur in der Ansicht von außen ein natürliches Bild. Auch die Möglichkeit, ein Schnittbild durch den Zellhaufen zu erzeugen, ergibt durch die Deformation eine mit realen Mikroskopieaufnahmen vergleichbare Darstellung. Ein solches zweidimensionales Schnittbild kann durch Verschieben der Schnittebene eine stufenlose Fahrt durch die Schichten des simulierten Zellhaufens zeigen. Neben den Zellen selbst, liegt ein besonderes Augenmerk auf der Darstellung von Substanzkonzentrationen. Sie werden durch kleine Objekte (Tiny Cubes) dargestellt. Allerdings unterscheidet sich ihr Einsatz von der bisher verbreiteten Methode, volumetrische Daten durch Farbskalen zu repräsentieren. Sie geben die Stoffmengen allein durch ihre Anzahl wieder. Um Zusammenhänge mit der Zelldifferenzierung erkennbar zu machen, können bis zu drei verschiedene Stoffe gleichzeitig angezeigt werden. Der Benutzer hat die Möglichkeit, Regeln bezüglich des Zustandes von Zellen zu formulieren. Die so definierten Zellklassen, fassen Zellen gleichen Typs zusammen und ermöglichen so die Darstellung von Zelldifferenzierung. D-VISION wurde konzipiert, um auch mit Simulatoren zusammen zu arbeiten, die Grid Computing für ihre Berechnungen nutzen. Ein separater Datenaufbereiter soll die Simulationsdaten verwalten. Der entwickelte Prototyp ist flexibel genug, um auch mit einfacheren Simulatoren zusammenzuarbeiten. Auf welchem Weg die visualisierten Daten gewonnen werden, spielt keine Rolle. Auch reine Messwerte, können zu guten Bildern führen.
Die Arbeitsgruppe für Chemie und Physik der Atmosphäre am Institut für Meteorologie und Geophysik der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt befasst sich unter anderem mit der Entwicklung einer Continous Flow Diffusion Chamber zur Erfassung und Klassifikation von CCN und IN. Diese Partikel besitzen eine Größe im Mikrometerbereich und sind somit nicht leicht zu erfassen und zu unterscheiden. Bei vergleichbaren Versuchen beschränkte sich bisher die automatische Auswertung auf die Anzahl der Partikel. Es gibt noch kein Verfahren, welches eine Klassifikation in CCN und IN videobasiert vornehmen kann. Es lag ebenfalls kein reales Bildmaterial vor, welches zu Testzwecken für die Klassifikation geeignet gewesen wäre. Basierend auf den physikalischen und meteorologischen Grundlagen wurde mittels Raytracing ein künstlicher Bilddatensatz mit kleinen Eiskristallen und Wassertröpfchen unter verschiedenen Betrachtungsverhältnissen erstellt. Anhand dieses Bilddatensatzes wurde dann ein Verfahren zur Klassifikation entwickelt und prototypisch implementiert, welches dies mittels Methoden aus der graphischen Datenverarbeitung und durch Berechnung der Momente vornimmt. Es war notwendig, Verfahren aus der Kameratechnik zu betrachten, die später in der realen Anwendung mit sehr kurzzeitiger Belichtung, geeigneter Optik und hochauflösender CCD-Kamera detaillierte Bilder von Objekten in der Größe von einigen 10µm liefern können.
Es ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, die Entwicklung von Virtuellen Umgebungen und insbesondere deren Inhalte in der Art zu vereinfachen, dass die bestehende Lücke zwischen der abstrakten Beschreibung und Modellierung einer Problemstellung und der praktischen Umsetzung geschlossen wird. Dazu wurden in Kapitel 1 zunächst die Gründe und Überlegungen dargestellt, die zur Erstellung der vorliegenden Arbeit beigetragen haben. Es wurde gezeigt, dass zu einer großen Verbreitung und einer guten Integration von 3D Systemen nicht nur die Verfügbarkeit der entsprechenden Hardware gehört, sondern auch die Möglichkeit für jedermann - oder zumindest für viele - diese Techniken für die eigene Arbeit zu nutzen, wobei diese Verwendung die Erstellung von Interaktionsszenarien und Verhaltensbeschreibungen einschließt. Es wurde darauf hingewiesen, dass heutige Konzepte und Technologien der Verhaltenserstellung aufgrund ihrer Komplexität nicht zur weiten Verbreitung ausreichen, und es wurden Ideen und Vorschläge für neue Ansätze genannt. Zur Hervorhebung von Kernproblemen der heutigen Vorgehensweise bei der Erstellung Virtueller Umgebungen wurden in Kapitel 2 die Motivationen und die Überlegungen, die zu den technischen Lösungen führten, mit der Sicht und den Ansprüchen unterschiedlicher Disziplinen auf die Verhaltensbeschreibung verglichen. In diesem Zusammenhang wurden die Problematiken der Interdisziplinarität, der Verhaltenspartitionierung und der Darstellung von Verhalten vorgestellt. Das Ergebnis war die Forderung nach einem Paradigmenwechsel – weg von der technischen Orientierung, hin zu einer autorenfokussierten Erstellung Virtueller Welten. Darüber hinaus wurden grundlegende Konzepte der Ingenieurswissenschaften dargelegt. Unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse wurde in Kapitel 3 eine Analyse der Problemstellung anhand bestehender Arbeiten in drei Bereichen durchgeführt: Den Bereichen der manuellen und der automatisierten Erstellung sowie dem Bereich, in dem Ingenieurskonzepte auf die 3D Computergraphik angewendet werden. Aktuelle Arbeiten wurden im Hinblick darauf untersucht, welche Strukturen und Prozesse bei der Erstellung der Verhaltensbeschreibungen für Virtuelle Umgebungen auftreten und worin diese begründet sind. Zugleich wurde dabei die Unterstützung in Form von Hilfsmitteln und Vorlagen untersucht, die der Autor während der Erstellung erfährt. Es wurde aufgezeigt, dass heutige Technologien begründetermaßen meist auf einer hierarchischen Beschreibung des Inhalts aufbauen. Zum einen hilft die Hierarchie dem geübten Benutzer bei der Strukturierung und zum anderen lassen sich solche Beschreibungen schnell in ein mathematisches Modell der notwendigen Kinematik übertragen. Aber die innere Struktur einer Szene stimmt nicht notwendigerweise mit der eines baumförmigen Graphen überein. Darüber hinaus entspricht die Granularität der zum Aufbau des Szenengraphen verwendeten Elemente nicht den Vorkenntnissen der Autoren. In Kapitel 4 wurde als Lösungsansatz das Konzept der Visual Design Pattern zur Strukturbeschreibung hergeleitet. Es ermöglicht den Aufbau von Szenen aus der Perspektive des Autors. Diesem Konzept liegt die Idee zugrunde, dass in Verhaltensbeschreibungen für Virtuelle Umgebungen wiederkehrende Muster existieren, die für den Autor sichtbar und handhabbar gemacht werden sollen. Hierfür wurde basierend auf einer Betrachtung der Anforderungen und der Zielsetzung im Bereich der 3D Computergraphik, ausgehend von der ursprünglichen Idee der Design Pattern, durch eine Spezialisierung das Konzept der Visual Design Pattern zur visuellen Strukturbeschreibung Virtueller Umgebungen erarbeitet und definiert. Die Spezialisierung erfolgte im Hinblick auf die Integration einer Pattern-Visualisierung und die dadurch möglichen Interaktionsbeschreibungen zur Anpassung. Der vorgestellte Ansatz impliziert einen angepassten Produktionsprozess, bei dem die Erfahrungen und Anwendungsbeispiele, die durch ein Visual Design Pattern zusammengefasst und beschrieben sind, in der Form von Visual Templates umgesetzt wurden, so dass diese als Strukturelemente zum Aufbau neuer Szenen sowohl bei der manuellen, als auch bei der automatisierten Erstellung benutzt werden können. Die konzeptionelle Grundlage zum Aufbau der Visual Templates basiert auf dem Einsatz von 3D Komponenten als virtuelle Abbilder realer und imaginärer Entitäten. Ausgehend von den durch das Konzept der Visual Templates gegebenen Anforderungen zum einen und den Ergebnissen der Analyse zum anderen wurden die elementaren Eigenschaften für die 3D Komponenten hergeleitet und daraus die entsprechende Architektur spezifiziert. Abschließend wurde aufgezeigt, wie die erforderliche Persistenz auf der Basis eines XML-Dialekts konzeptionell umgesetzt wird. In Kapitel 5 wurde die Realisierung der vorgestellten Konzepte dargelegt. Das Konzept der Visual Design Pattern, das daraus abgeleitete Konzept der Visual Templates und das Konzept der zum Aufbau notwendigen 3D Komponenten stellen Ansätze zur Unterstützung eines Autors Virtueller Umgebungen dar. Entsprechend wurden in Kapitel 6 die beschriebenen Konzepte und deren Realisierung anhand von unterschiedlichen Anwendungsbeispielen aus den Bereichen des Notfalltrainings, der Medizin und der Innenarchitektur angewendet, wobei die Vor- und Nachteile im Vergleich zur konventionellen Erstellung analysiert wurden. Auf dieser Grundlage erfolgte zum Abschluss eine Bewertung der in dieser Arbeit vorgestellten Konzepte im Hinblick auf die erklärten Ziele. Als Kriterien dienten hierzu die vier Prinzipien der Erstellung. Demnach dient das zugrundeliegende Konzept der Visual Design Pattern in geeigneter Weise dazu, linguistische Konstruktionsmethoden zu integrieren. Durch die Nutzung der 3D-Komponenten in der Form der Component Markup Language ist es möglich geworden, diesen Ansatz auf eine formale Grundlage zu stellen und über die Visualisierung und die Anpassung in der Form von Vorlagen als visuelle Konstruktionsmethode in Autorenumgebungen zu integrieren.
Die Leistungsfähigkeit moderner Grafikhardware erreicht ein Niveau, auf dem sich selbst aufwändig gestaltete 3D-Szenen in kürzester Zeit berechnen lassen. Die Möglichkeiten, die diese Systeme zur Navigation und Interaktion im dreidimensionalen Raum bieten, erscheinen vielen Anwendern jedoch nicht intuitiv genug. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, neue Navigations- und Interaktionstechniken für räumliche Anwendungen zu entwerfen und anhand einer prototypischen Implementierung die Eignung dieser Techniken für die Interaktion mit einem virtuellen Modell des Rubik’s Cube zu untersuchen. Da die entwickelten Verfahren ihre Tauglichkeit insbesondere bei der Interaktion über klassische Ein- und Ausgabegeräte unter Beweis stellen sollten (Maus, Tastatur und 2D-Display), waren geeignete Abbildungen der zu beherrschenden Freiheitsgrade zu konzipieren. Die Beschreibung grundlegender Aspekte der menschlichen Wahrnehmung führte zum Konzept der 3D-Metapher, welche die Durchführung einer dreidimensionalen Operation mit Hilfe von 2D-Eingabegeräten erklärt. Einzelne Interaktionsaufgaben des 3D-Raums wurden dargestellt und Beispiele von metaphorischen Konzepten für ihre Implementierung gegeben. Nach der Darstellung der am Rubik’s Cube auftretenden Interaktionsformen wurden metaphorische Konzepte für die Operationen Inspektion und Rotation entworfen und ihre besonderen Eigenschaften beschrieben; hierbei wurde zudem auf spezielle Verfahren eingegangen, die bei der Implementierung dieser Metaphern eingesetzt wurden. Im Rahmen einer Benutzerstudie wurde die Bedienung der konzipierten Interaktionsmetaphern im praktischen Einsatz getestet. Hierbei wurden insbesondere die Kriterien Intuitivität, Effizienz und Erlernbarkeit untersucht sowie die zeitliche Performance und Fehlerhäufigkeiten beim Einsatz der unterschiedlichen Werkzeuge analysiert. Die vorliegende Arbeit bietet eine Reihe von Ansätzen für künftige Erweiterungen, wie zum Beispiel die Weiterentwicklung zu einer Autorenumgebung für interaktive Anwendungen oder die Integration eines Kommunikationskanals zwischen den einzelnen Interaktionsmetaphern, um auf diese Weise auch komplexe Verhaltensmuster implementieren zu können.
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer haptischen 3D-Benutzungsoberfläche für die Virtual-Glove-Box. Eine „Glove Box“ ist ein Apparat, in welchem chemische Versuche in abgeschlossener Atmosphäre durchgeführt werden können. Die „Virtual Glove Box“ setzt dieses Konzept für Virtual Reality Anwendungen um. Die Oberflächenelemente waren als wiederverwendbare Komponenten auszuführen. Die Bedienung erfolgt unter Einsatz zweier virtueller Hände mit an den Händen getragenen Exoskeletten zur Vermittlung des haptischen Feedbacks. Es enstand EASY, ein System zur einfachen und individuellen Gestaltung von Benutzungsberflächenelementen. Diese können in ein bereitgestelltes Framework einfügt und ohne Wissen über die zugrundeliegende Hardware benutzt werden. Die Entwicklung konnte nicht abgeschlossen werden, da die zur Verfügung stehenden Hardware-Komponenten nicht in Betrieb zu nehmen waren.