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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.
Algorithms and data structures constitute the theoretical foundations of computer science and are an integral part of any classical computer science curriculum. Due to their high level of abstraction, the understanding of algorithms is of crucial concern to the vast majority of novice students. To facilitate the understanding and teaching of algorithms, a new research field termed "algorithm visualisation" evolved in the early 1980's. This field is concerned with innovating techniques and concepts for the development of effective algorithm visualisations for teaching, study, and research purposes. Due to the large number of requirements that high-quality algorithm visualisations need to meet, developing and deploying effective algorithm visualisations from scratch is often deemed to be an arduous, time-consuming task, which necessitates high-level skills in didactics, design, programming and evaluation. A substantial part of this thesis is devoted to the problems and solutions related to the automation of three-dimensional visual simulation of algorithms. The scientific contribution of the research presented in this work lies in addressing three concerns: - Identifying and investigating the issues related to the full automation of visual simulations. - Developing an automation-based approach to minimising the effort required for creating effective visual simulations. - Designing and implementing a rich environment for the visualisation of arbitrary algorithms and data structures in 3D. The presented research in this thesis is of considerable interest to (1) researchers anxious to facilitate the development process of algorithm visualisations, (2) educators concerned with adopting algorithm visualisations as a teaching aid and (3) students interested in developing their own algorithm animations.
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.
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.
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.
In der modernen Hochschullehre haben sich eLearning-Elemente als ein Teil des Lehrrepertoires etabliert. Der Einsatz interaktiver webbasierter Selbstlernmodule (Web Based Trainings (WBT)) ist dabei eine Option. Hochschulen und Unternehmen versprechen sich dadurch neue Möglichkeiten des Lehrens und Lernens, um z. B. einen Ausgleich heterogener Vorerfahrungen sowie eine stärkere aktive Beteiligung der Lernenden zu bewirken. Damit die Erstellung und Strukturierung dieser Inhalte mit möglichst geringem Aufwand erfolgen kann, bieten Autorensysteme Unterstützung.
Zu den Grundfunktionen von Autorensystemen gehören unter anderem, das Einbinden gebräuchlicher Medienformate, die einfache Erstellung von Fragen sowie verschiedene Auswertungs- und Feedbackmöglichkeiten. Obwohl Autorensysteme schon vor vielen Jahren ihre erste praktische Anwendung fanden, gibt es nach wie vor Schwachstellen, die sich auf den gesamten Erstellungsprozess wie auch auf einzelne Funktionen beziehen. Im Detail wird bemängelt, dass die Werkzeuge zu komplex und unflexibel sind. Darüber hinaus fehlt häufig eine zufriedenstellende Verknüpfung der vielen Werkzeuge entlang der Prozesskette zu einer Gesamtlösung.
Des Weiteren wird die Konzentration auf die Produktionsphase kritisiert, wodurch andere wichtige Prozesse in den Hintergrund treten bzw. außer Acht gelassen werden.
Im Rahmen der Zusammenarbeit mit einem Automobilhersteller, für den die erste Version des Autorensystems LernBar weiterentwickelt wurde, spielte der Begriff „Lean Production“ inhaltlich in der Umsetzung der WBTs eine wesentliche Rolle. Die Lean Production, die über viele Jahre für die Automobilindustrie entwickelt, verbessert und angepasst wurde, liefert Optimierungsansätze für den Produktionsbereich. Ein wirtschaftlicher Nutzen des Lean-Ansatzes wird auch in anderen Bereichen gesehen wie z. B. in der Softwareentwicklung („Lean Software Development“) oder im Management („Lean Management“). Dabei bietet die Wertschöpfungsorientierung Lösungen für die widersprüchlichen Ziele mehr Leistungen zu geringeren Kosten, schneller und in höherer Qualität zugleich zu liefern. Aus der Grundidee der Lean Production entwickelte sich vorliegendes Dissertationsthema in Bezug darauf, inwiefern sich diese Prinzipien auf den WBT-Produktionsprozess übertragen lassen und die LernBar (das hierfür weiterentwickelnde Autorensystem) dabei Unterstützung bieten kann.
Zunächst wurde analysiert, welche Werkzeuge und Hilfestellungen benötigt werden, um unter dem Aspekt der Lean Production WBTs im universitären Umfeld erstellen zu können. In diesem Zusammenhang wurden Merkmale einer „Lean Media Production“ definiert sowie konzeptionell und technisch umgesetzt. Zur Verbesserung der Prozesse flossen Ergebnisse aus empirischer und praktischer Forschung ein. Im Vergleich zu anderen Entwicklungen bei denen häufig das Hauptziel eine umfangreiche Funktionalität ist, werden u.a. folgende übertragbare Ziele bei der Umsetzung verfolgt: Verschwendung vermeiden, eine starke Einbeziehung der Kunden, Werkzeuge die nahtlos ineinandergreifen, eine hohe Flexibilität und eine stetige Qualitätsverbesserung.
Zur Erreichung dieser Zielsetzungen wurden alle Prozesse kontinuierlich verbessert, sich auf das Wesentliche und die Wertschöpfung konzentriert sowie überflüssige Schritte eliminiert. Demnach ist unter dem Begriff „Lean Media Production“ ein skalierbarer, effizienter und effektiver Produktionsprozess zu verstehen, in dem alle Werkzeuge ineinandergreifen.
Die Realisierung der „Lean Media Production“ erfolgte anhand des Autorensystems LernBar, wobei die typischen Softwareentwicklungsphasen Entwurf, Implementierung und Evaluierung mehrfach durchlaufen wurden. Ausschlaggebend dabei war, dass der „Lean“-Aspekt berücksichtigt wurde und dies somit eine neue Vorgehensweise bei der Umsetzung eines Autorensystems darstellt. Im Verlauf der Entwicklungen ergaben sich, durch eine formative Evaluation, den Einsatz in Projekten und eine empirische Begleitforschung, neue Anforderungen an das System. Ein Vergleich der zwei Produktionssysteme, Automobil vs. WBT-Produktion, zeigt und bestätigt die Erwartung, dass nicht alle Prinzipien der Lean Production übertragbar sind.
Dennoch war diese Untersuchung notwendig, da sie Denkanstöße zur Entwicklung und Optimierung des Erstellungsprozesses eines WBTs gab. Auch die Ergebnisse der abschließenden Online-Befragung ergaben, dass die Ziele der Arbeit erreicht wurden, dass aber weiterer Optimierungsbedarf besteht. Die LernBar Release 3 bietet für alle Produktionsphasen Werkzeuge an, durch die eine effektive und effiziente Erstellung von WBTs von der Idee bis zur Distribution möglich ist.
Stand noch vor fünf Jahren zu Beginn dieser Arbeit das Endprodukt bei der LernBar Entwicklung im Vordergrund, verlagerte sich durch den Einfluss dieser Dissertation der Schwerpunkt auf den gesamten Produktionsprozess. Unter Berücksichtigung der in diesem Zusammenhang entwickelten Prinzipien einer „Lean Media Production“, nehmen bspw. die Wirtschaftlichkeit und die starke Kundenorientierung während des Produktionsprozesses einen wichtigen Stellenwert ein. Dieser Ansatz ist eine neue Vorgehensweise im Bereich der Entwicklung von Autorensystemen, der seine Anerkennung und Professionalität durch die Ergebnisse des selbstentwickelten Evaluationsbogens sowie dem stetig wachsenden Einsatz in Schulen, Hochschulen und Unternehmen belegen kann.
In weiteren Forschungsarbeiten ist zu untersuchen, welche Lean Production Prinzipien zu verwenden oder anzupassen sind, wenn z. B. in größeren Teams oder mobil produziert wird. Des Weiteren sollte überprüft werden, inwieweit die Lernenden mit dem Endprodukt zufrieden sind und in ihrem Lernprozess unterstützt werden. Durch diese Forschungsarbeit wurde ein Beitrag dazu geleistet, die Lehre und Ausbildung zu optimieren, indem die Autoren/Lehrende in der Erstellung ihrer digitalen Lerninhalte im gesamten Prozess von aufeinander abgestimmten Werkzeugen unterstützt werden.
Unter Web-based Trainings (WBTs) versteht man multimediale, interaktive und thematisch abgeschlossene Lerneinheiten in einem Browser. Seit der Entstehung des Internets in den 1990er Jahren sind diese ein wichtiger und etablierter Baustein bei der Konzeption und Entwicklung von eLearning-Szenarien. Diese Lerneinheiten werden üblicherweise von Lehrenden mit entsprechenden Autorensystemen erstellt. In selteneren Fällen handelt es sich bei deren Umsetzungen um individuell programmierte Einzellösungen. Betrachtet man WBTs aus der Sicht der Lernenden, dann lässt sich feststellen, dass zunehmend auch nicht explizit als Lerneinheiten erstellte Inhalte genutzt werden, die jedoch genau den Bedürfnissen des jeweiligen Lernenden entsprechen (im Rahmen des informellen und selbstgesteuerten Lernens). Zum einen liegt das an der zunehmenden Verfügbarkeit und Vielfalt von „alternativen Lerninhalten“ im Internet generell (freie Lizenzen und innovative Autorentools). Zum anderen aber auch an der Möglichkeit, diese Inhalte von überall aus und zu jeder Zeit einfach finden zu können (mobiles Internet, Suchmaschinen und Sprachassistenten) bzw. eingeordnet und empfohlen zu bekommen (Empfehlungssysteme und soziale Medien).
Aus dieser Veränderung heraus ergibt sich im Rahmen dieser Dissertation die zentrale Fragestellung, ob das Konzept eines dedizierten WBT-Autorensystems den neuen Anforderungen von frei verfügbaren, interaktiven Lerninhalten (Khan Academy, YouTube und Wikipedia) und einer Vielzahl ständig wachsender und kostenfreier Autorentools für beliebige Web-Inhalte (H5P, PowToon oder Pageflow) überhaupt noch gerecht wird und wo in diesem Fall genau die Alleinstellungsmerkmale eines WBTs liegen?
Zur Beantwortung dieser Frage beschäftigt sich die Arbeit grundlegend mit dem Begriff „Web-based Training“, den über die Zeit geänderten Rahmenbedingungen und den daraus resultierenden Implikationen für die Entwicklung von WBT-Autorensystemen. Mittels des gewählten Design-based Research (DBR)-Ansatzes konnte durch kontinuierliche Zyklen von Gestaltung, Durchführung, Analyse und Re-Design am Beispiel mehrerer eLearning-Projekte der Begriff WBT neudefininiert bzw. reinterpretiert werden, so dass sich der Fokus der Definition auf das konzentriert, was WBTs im Vergleich zu anderen Inhalten und Funktionen im Internet im Kern unterscheidet: dem Lehr-/Lernaspekt (nachfolgend Web-based Training 2.0 (WBT 2.0)).
Basierend auf dieser Neudefinition konnten vier Kernfunktionalitäten ausgearbeitet werden, die die zuvor genannten Herausforderungen adressieren und in Form eines Design Frameworks detailliert beschreiben. Untersucht und entwickelt wurden die unterschiedlichen Aspekte und Funktionen der WBTs 2.0 anhand der iterativen „Meso-Zyklen“ des DBR-Ansatzes, wobei jedes der darin durchgeführten Projekte auch eigene Ergebnisse mit sich bringt, welche jeweils unter didaktischen und vor allem aber technischen Gesichtspunkten erörtert wurden. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse flossen jeweils in den Entwicklungsprozess der LernBar ein („Makro-Zyklus“), ein im Rahmen dieser Arbeit und von studiumdigitale, der zentralen eLearning-Einrichtung der Goethe-Universität, entwickeltes WBT-Autorensystem. Dabei wurden die Entwicklungen kontinuierlich unter Einbezug von Nutzerfeedbacks (jährliche Anwendertreffen, Schulungen, Befragungen, Support) überprüft und weiterentwickelt.
Abschließend endet der letzte Entwicklungszyklus des DBR-Ansatzes mit der Konzeption und Umsetzung von drei WBT 2.0-Systemkomponenten, wodurch sich flexibel beliebige Web-Inhalte mit entsprechenden WBT 2.0-Funktionalitäten erweitern lassen, um auch im Kontext von offenen Lehr-/Lernprozessen durchgeführte Aktivitäten transparent, nachvollziehbar und somit überprüfbar zu machen (Constructive Alignment).
Somit bietet diese Forschungsarbeit einen interdisziplinären, nutzerzentrierten und in der Praxis erprobten Ansatz für die Umsetzung und den Einsatz von WBTs im Kontext offener Lehr-/Lernprozesse. Dabei verschiebt sich der bisherige Fokus von der reinen Medienproduktion hin zu einem ganzheitlichen Ansatz, bei dem der Lehr-/Lernaspekt im Vordergrund steht (Lernbedarf erkennen, decken und überprüfen). Entscheidend ist dabei, dass zum Decken eines Lernbedarfs sämtliche zur Verfügung stehenden Ressourcen des Internets genutzt werden können, wobei WBTs 2.0 dazu lediglich den didaktischen Prozess definieren und diesen für die Lehrenden und Lernende transparent und zugänglich machen.
WBTs 2.0 profitieren dadurch zukünftig von der zunehmenden Vielfalt und Verfügbarkeit von Inhalten und Funktionen im Internet und ermöglichen es, den Entwicklern von WBT 2.0-Autorensystemen sich auf das Wesentliche zu konzentrieren: den Lehr-/Lernprozess.
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.
In dieser Arbeit wurden Web Browser bezüglich ihrer Eignung zum Erstellen interaktiver eLearning Fragen untersucht. Vor dem Hintergrund der speziellen Charakteristika von mobilen Endgeräten wurden insbesondere die Aspekte der Beschränkung auf standardisierte Technologien, sowie die Clientseitigkeit der Applikation hervorgehoben. Es konnte eine Grundlage geschaffen werden, die das Erstellen von interaktiven Fragen nur mit Hilfe von HTML und Javascript ermöglicht und es wurde ein weitgehender Verzicht auf serverseitige Komponenten erreicht.
The number of multilingual texts in the World Wide Web (WWW) is increasing dramatically and a multilingual economic zone like the European Union (EU) requires the availability of multilingual Natural Language Processing (NLP) tools. Due to a rapid development of NLP tools, many lexical, syntactic, semantic and other linguistic features have been used in different NLP applications. However, there are some situations where these features can not be used due the application type or unavailability of NLP resources for some of the languages. That is why an application that is intended to handle multilingual texts must have features that are not dependent on a particular language and specific linguistic tools. In this thesis, we will focus on two such applications: text readability and source and translation classification.
In this thesis, we provide 18 features that are not only suitable for both applications, but are also language and linguistic tools independent. In order to build a readability classifier, we use texts from three different languages: English, German and Bangla. Our proposed features achieve a classification accuracy that is comparable with a classifier using 40 linguistic features. The readability classifier achieves a classification F-score of 74.21% on the English Wikipedia corpus, an F-score of 75.47% on the English textbook corpus, an F-score of 86.46% on the Bangla textbook corpus and an F-score of 86.26% on the German GEO/GEOLino corpus.
We used more than two million sentence pairs from 21 European languages in order to build the source and translation classifier. The classifier using the same eighteen features achieves a classification accuracy of 86.63%. We also used the same features to build a classifier that classifies translated texts based on their origin. The classifier achieves classification accuracy of 75% for texts from 10 European languages. In this thesis, we also provide four different corpora, three for text readability analysis and one for corpus based translation studies.
Scenegraph LoD-Analyse
(2012)
Level of Detail-Verfahren sind in der Computergrafik alltäglich und allgegenwärtig. Da das Thema seit Jahren ein aktiv bearbeitetes Feld in der Wissenschaft ist, existiert eine extreme Fülle an Verfahren mit unterschiedlichen Ansätzen oder Verfeinerungen. Es ist jedoch sehr schwer, die Unterschiede zwischen den Verfahren zu quantifizieren. Jede Arbeit nutzt ihre eigenen Testfälle und Methoden, wodurch sich selten echte Rückschlüsse auf Vergleiche zu anderen Verfahren ziehen lassen. Um hier einen Ansatz zur Lösung dieses Problems zu präsentieren, wird vorgeschlagen, ein allgemein nutzbares Testframework zu erstellen, das geeignet ist, LOD-Verfahren auf unterschiedliche Aspekte hin zu untersuchen. Es wird eine Reihe von konkreten Tests und ein dazugehöriges Programm als Rahmenwerk vorgestellt werden, das einen solchen Ansatz implementiert. Diese Testimplementierung ist bewusst einfach gehalten, sie wird jedoch einen guten Überblick darüber geben, welche Probleme es zu lösen gilt und worauf dabei geachtet werden muss.
Die folgende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit dem Thema des Displacement-Mappings unter Verwendung eines Tessellation-Shaders. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Programm zu entwerfen, welches einen visuellen Einblick in die Tessellation und in das Displacement-Mapping bietet. Des Weiteren soll die Leistung der Tessellation mit der des Geometry-Shaders und einem QuadTree-Verfahren verglichen werden.
Dazu wird zuerst beschrieben, welche Umgebung zur Implementierung verwendet wurde. Anschließend werden zunächst einige geläufige Mappingverfahren betrachtet. Im nächsten Abschnitt wird dann auf die Tessellation und das Displacement-Mapping in Bezug auf Funktionsweise und Implementierung eingegangen. Es folgt ein Vergleich der Performance der unterschiedlichen Mapping-Verfahren untereinander. In einem weiteren Vergleich wird die Performance der Tessellation (mit Displacement-Mapping) mit einem Geometry-Shader und einem QuadTree-Verfahren anhand eines Terrains durchgeführt. Abschließend erfolgt die Beschreibung des Programms.
With increasing heterogeneity of modern hardware, different requirements for 3d applications arise. Despite the fact that real-time rendering of photo-realistic images is possible using today’s graphics cards, still large computational effort is required. Furthermore, smart-phones or computers with older, less powerful graphics cards may not be able to reproduce these results. To retain interactive rendering, usually the detail of a scene is reduced, and so less data needs to be processed. This removal of data, however, may introduce errors, so called artifacts. These artifacts may be distracting for a human spectator when gazing at the display. Thus, the visual quality of the presented scene is reduced. This is counteracted by identifying features of an object that can be removed without introducing artifacts. Most methods utilize geometrical properties, such as distance or shape, to rate the quality of the performed reduction. This information used to generate so called Levels Of Detail (LODs), which are made available to the rendering system. This reduces the detail of an object using the precalculated LODs, e.g. when it is moved into the back of the scene. The appropriate LOD is selected using a metric, and it is replaced with the current displayed version. This exchange must be made smoothly, requiring both LOD-versions to be drawn simultaneously during a transition. Otherwise, this exchange will introduce discontinuities, which are easily discovered by a human spectator. After completion of the transition, only the newly introduced LOD-version is drawn and the previous overhead removed. These LOD-methods usually operate with discrete levels and exploit limitations of both the display and the spectator: the human.
Humans are limited in their vision. This ranges from being unable to distinct colors at varying illumination scenarios to the limitation to focus only at one location at a time. Researchers have developed many applications to exploit these limitations to increase the quality of an applied compression. Some popular methods of vision-based compression are MPEG or JPEG. For example, a JPEG compression exploits the reduced sensitivity of humans regarding color and so encodes colors with a lower resolution. Also, other fields, such as auditive perception, allow the exploitation of human limitations. The MP3 compression, for example, reduces the quality of stored frequencies if other frequencies are masking it. For representation of perception various computer models exist. In our rendering scenario, a model is advantageous that cannot be influenced by a human spectator, such as the visual salience or saliency.
Saliency is a notion from psycho-physics that determines how an object “pops out” of its surrounding. These outstanding objects (or features) are important for the human vision and are directly evaluated by our Human Visual System (HVS). Saliency combines multiple parts of the HVS and allows an identification of regions where humans are likely to look at. In applications, saliency-based methods have been used to control recursive or progressive rendering methods. Especially expensive display methods, such as pathtracing or global illumination calculations, benefit from a perceptual representation as recursions or calculations can be aborted if only small or unperceivable errors are expected to occur. Yet, saliency is commonly applied to 2d images, and an extension towards 3d objects has only partially been presented. Some issues need to be addressed to accomplish a complete transfer.
In this work, we present a smart rendering system that not only utilizes a 3d visual salience model but also applies the reduction in detail directly during rendering. As opposed to normal LOD-methods, this detail reduction is not limited to a predefined set of levels, but rather a dynamic and continuous LOD is created. Furthermore, to apply this reduction in a human-oriented way, a universal function to compute saliency of a 3d object is presented. The definition of this function allows to precalculate and store object-related visual salience information. This stored data is then applicable in any illumination scenario and allows to identify regions of interest on the surface of a 3d object. Unlike preprocessed methods, which generate a view-independent LOD, this identification includes information of the scene as well. Thus, we are able to define a perception-based, view-specific LOD. Performance measures of a prototypical implementation on computers with modern graphic cards achieved interactive frame rates, and several tests have proven the validity of the reduction.
The adaptation of an object is performed with a dynamic data structure, the TreeCut. It is designed to operate on hierarchical representations, which define a multi-resolution object. In such a hierarchy, the leaf nodes contain the highest detail while inner nodes are approximations of their respective subtree. As opposed to classical hierarchical rendering methods, a cut is stored and re-traversal of a tree during rendering is avoided. Due to the explicit cut representation, the TreeCut can be altered using only two core operations: refine and coarse. The refine-operation increases detail by replacing a node of the tree with its children while the coarse-operation removes the node along with its siblings and replaces them with their parent node. These operations do not rely on external information and can be performed in a local manner. These only require direct successor or predecessor information. Different strategies to evolve the TreeCut are presented, which adapt the representation using only information given by the current cut. These evaluate the cut by assigning either a priority or a target-level (or bucket) to each cut-node. The former is modelled as an optimization problem that increases the average priority of a cut while being restricted in some way, e.g. in size. The latter evolves the cut to match a certain distribution. This is applied in cases where a prioritization of nodes is not applicable. Both evaluation strategies operate with linear time complexity with respect to the size of the current TreeCut.
The data layout is chosen to separate rendering data and hierarchy to enable multi-threaded evaluation and display. The object is adapted over multiple frames while the rendering is not interrupted by the used evaluation strategy. Therefore, we separate the representation of the hierarchy from the rendering data. Due to its design, this overhead imposed to the TreeCut data structure does not influence rendering performance, and a linear time complexity for rendering is retained. The TreeCut is not only limited to alter geometrical detail of an object. The TreeCut has successfully been applied to create a non-photo-realistic stippling display, which draws the object with equal sized points in varying density. In this case the bucket-based evaluation strategy is utilized, which determines the distribution of the cut based on local illumination information. As an alternative, an attention drawing mechanism is proposed, which applies the TreeCut evaluation strategies to define the display style of a notification icon. A combination of external priorities is used to derive the appropriate icon version. An application for this mechanism is a messaging system that accounts for the current user situation.
When optimizing an object or scene, perceptual methods allow to account for or exploit human limitations. Therefore, visual salience approaches derive a saliency map, which encodes regions of interest in a 2d map. Rendering algorithms extract importance from such a map and adapt the rendering accordingly, e.g. abort a recursion when the current location is unsalient. The visual salience depends on multiple factors including the view and the illumination of the scene. We extend the existing definition of the 2d saliency and propose a universal function for 3d visual salience: the Bidirectional Saliency Weight Distribution Function (BSWDF). Instead of extracting the saliency from 2d image and approximate 3d information, we directly compute this information using the 3d data. We derive a list of equivalent features for the 3d scenario and add them to the BSWDF. As the BSWDF is universal, also 2d images are covered with the BSWDF, and the calculation of the important regions within images is possible.
To extract the individual features that contribute to visual salience, capabilities of modern graphics card in combination with an accumulation method for rendering is utilized. Inspired from point-based rendering methods local features are summed up in a single surface element (surfel) and are compared with their surround to determine whether they “pop out”. These operations are performed with a shader-program that is executed on the Graphics Processing Unit (GPU) and has direct access to the 3d data. This increases processing speed because no transfer of the data is required. After computation, each of these object-specific features can be combined to derive a saliency map for this object. Surface specific information, e.g. color or curvature, can be preprocessed and stored onto disk. We define a sampling scheme to determine the views that need to be evaluated for each object. With these schemes, the features can be interpolated for any view that occurs during rendering, and the according surface data is reconstructed. These sampling schemes compose a set of images in form of a lookup table. This is similar to existing rendering techniques, which extract illumination information from a lookup. The size of the lookup table increases only with the number of samples or the image size used for creation as the images are of equal size. Thus, the quality of the saliency data is independent of the object’s geometrical complexity. The computation of a BSWDF can be performed either on a Central Processing Unit (CPU) or a GPU, and an implementation requires only a few instructions when using a shader program. If the surface features have been stored during a preprocess, a reprojection of the data is performed and combined with the current information of the object. Once the data is available, the computation of the saliency values is done using a specialized illumination model, and a priority for each primitive is extracted. If the GPU is used, the calculated data has to be transferred from the graphics card. We therefore use the “transform feedback” capabilities, which allow high transfer rates and preserve the order of processed primitives. So, an identification of regions of interest based on the currently used primitives is achieved. The TreeCut evaluation strategies are then able to optimize the representation in an perception-based manner.
As the adaptation utilizes information of the current scene, each change to an object can result in new visual salience information. So, a self-optimizing system is defined: the Feedback System. The output generated by this system converges towards a perception-optimized solution. To proof the saliency information to be useful, user tests have been performed with the results generated by the proposed Feedback System. We compared a saliency-enhanced object compression to a pure geometrical approach, common for LOD-generation. One result of the tests is that saliency information allows to increase compression even further as possible with the pure geometrical methods. The participants were not able to distinguish between objects even if the saliency-based compression had only 60% of the size of the geometrical reduced object. If the size ratio is greater, saliency-based compression is rated, on average, with higher score and these results have a high significance using statistical tests. The Feedback System extends an 3d object with the capability of self-optimization. Not only geometrical detail but also other properties can be limited and optimized using the TreeCut in combination with a BSWDF. We present a dynamic animation, which utilizes a Software Development Kit (SDK) for physical simulations. This was chosen, on the one hand, to show the universal applicability of the proposed system, and on the other hand, to focus on the connection between the TreeCut and the SDK. We adapt the existing framework, and include the SDK within our design. In this case, the TreeCut-operations not only alter geometrical but also simulation detail. This increases calculation performance because both the rendering and the SDK operate on less data after the reduction has been completed.
The selected simulation type is a soft-body simulation. Soft-bodies are deformable in a certain degree but retain their internal connection. An example is a piece of cloth that smoothly fits the underlying surface without tearing apart. Other types are rigid bodies, i.e. idealistic objects that cannot be deformed, and fluids or gaseous materials, which are well suited for point-based simulations. Any of these simulations scales with the number of simulation nodes used, and a reduction of detail increases performance significantly. We define a specialized BSWDF to evaluate simulation specific features, such as motion. The Feedback System then increases detail in highly salient regions, e.g. those with large motion, and saves computation time by reducing detail in static parts of the simulation. So, detail of the simulation is preserved while less nodes are simulated.
The incorporation of perception in real-time rendering is an important part of recent research. Today, the HVS is well understood, and valid computer models have been derived. These models are frequently used in commercial and free software, e.g. JPEG compression. Within this thesis, the Tree-Cut is presented to change the LOD of an object in a dynamic and continuous manner. No definition of the individual levels in advance is required, and the transitions are performed locally. Furthermore, in combination with an identification of important regions by the BSWDF, a perceptual evaluation of a 3d object is achieved. As opposed to existing methods, which approximate data from 2d images, the perceptual information is directly acquired from 3d data. Some of this data can be preprocessed if necessary, to defer additional computations during rendering. The Feedback System, created by the TreeCut and the BSWDF, optimizes the representation and is not limited to visual data alone. We have shown with our prototype that interactive frame rates can be achieved with modern hardware, and we have proven the validity of the reductions by performing several user tests. However, the presented system only focuses on specific aspects, and more research is required to capture even more capabilities that a perception-based rendering system can provide.
Interactive Gorilla
(2010)
Beeindruckt von einer auf Annäherung reagierenden Dinosaurier-Animation des Brüsseler Naturkundemuseums, entstand die Idee einen noch komplexeren interaktiven Gorilla zu entwerfen. Der Gorilla soll dabei auf einer großen Leinwand dargestellt werden und die Besucher können mit diesem anhand ihrer Position interagieren, worauf er seine Tätigkeit und Gestik an diese anpasst.
Da keine Umsetzung, die durch gezielte Anpassungen das gewünschte Ergebnis liefern würde, vorhanden war, wurde das System im Rahmen dieser Arbeit angefertigt. Der Aufbau lässt sich dabei in drei große Module aufteilen, die auf den Ergebnissen des vorherigen Moduls arbeiten.
Zuerst wurde ein System entwickelt, mit dem es möglich ist die Besucher im Raum zu erfassen und festzustellen an welchen Positionen sie sich aufhalten. Diese Informationen werden von einer Verhaltenssimulation weiterverarbeitet. Diese ist durch einen endlichen Automaten realisiert, der auf einem Graphen operiert. Die Ergebnisse, die vom Erkennungssystem geliefert werden, sind dann dafür verantwortlich, dass sich das Verhalten entsprechend ändert. Zuletzt wird das aktuelle Verhalten des Gorillas mit Hilfe eines 3D-Modells und Animationen auf der Leinwand dargestellt.
Des weiteren sind im Rahmen dieser Arbeit zusätzliche Editoren entstanden um die Zustände des Graphen und die dadurch darzustellenden Animationen nachträglich anzupassen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der konkreten Erzeugung von 2-3D Visualisierung. Im Fokus steht der notwendige Prozess zur Erzeugung von Computergrafik.
Da die Computergrafik heut zu Tage wichtiger Bestandteil vieler Aufgabengebiete ist, sollte deren Nutzung auch allen Menschen zugänglich sein. In den vergangen Jahren blieb dies meist nur Leuten aus den Fachgebieten vorbehalten, aufgrund der Komplexität und des notwendigen „Know-how“ über die Thematik. Mittlerweile gilt diese Tatsache als überholt. Viele Erneuerung im Bereich von Hardware und Software haben es ermöglicht, dass selbst ungeübte Anwender in der Lage sind, ansehnliche 3D Grafiken an ihren PCs bei der Arbeit oder zu Hause zu erzeugen. Dies soll ebenfalls das Ziel dieser Arbeit sein. Dazu wird in eine Applikation erstellt die die Visualisierung von graphischen Primitiven unter der Verwendug von Microsofts DirectX leicht und schnell ermöglichen soll. Als Basis dient ein Rendering-Framework, welches auf einheitliches Schnittstellenkonzept setzt, um die strikte Trennung zwischen Anwender- und Fachwissen zu vollziehen.
Weitere Schwerpunkte dieser Arbeit liegen im Bereich der Modellierung von graphischen Primtiven und der Nutzung von Shadern. Dazu wird in der Modellierung der Import von archivierten Modellen umgesetzt. Die Nutzung von Shadern soll soweit vereinfacht werden, dass Anwender auf Shader beleibig zugreifen können. Dies soll durch eine Verknüpfung zwischen Shadern und Modellen erfolgen, die ebenfalls im Bereich der Modellierung erfolgt.
Das Internet als Informationsmedium ist Plattform für eine nie dagewesene Menge an Information, die für einen einzelnen Menschen nicht mehr zu überblicken ist.
Moderne Web-Suchmaschinen greifen auf die Methoden des Information Retrieval zurück um einem NutzerWerkzeuge anzubieten die zu ihrem Informationsbedürfnis relevanten Dokumente im Internet zu finden. Visualisierungen können diese Dokumentenmenge effektiver durch den Nutzer verarbeitbar machen. Eine komplexe Suchanfrage zu formulieren oder ein Suchergebnis nach bestimmten Kriterien zu filtern ist jedoch heute noch denjenigen vorbehalten die bereit sind, die erweiterten Funktionen der Suchmaschinen zu lernen.
Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz möchte durch die Kombination der Visualisierung, die einen effektiven Überblick über den Suchergebnisraum gibt, mit den mächtigen Filtermöglichkeiten moderner Suchmaschinen die einfache Filterung von Suchergebnismengen durch ein Direct Maniuplation Interface ermöglichen.