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Diese Diplomarbeit beschäftigt sich sowohl mit der Akquisition, der Verwaltung und der winkelabhängigen, spektralen Reflexionsfunktion BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) und BTFs (Bidirection Texture Functions) von einigen ausgewählten realistischen Materialoberflächen bei fester Beleuchtung, als auch der Generierung der BTFs aus vorhandenen BRDFs und BTFs und der Anwendung der Beschreibung von Oberflächen mittels BRDFs und BTFs bei Erzeugungen von 3D-Szenen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden Konzepte für eine effektivere Nutzung von BTFs in der photorealistischen Bilderzeugung entwickelt und prototypisch umgesetzt. Der Fokus liegt dabei auf einer vereinfachten Synthese von BTFs aus vorhandenen BRDF- und BTF-Daten, sowie in einer effizienten Nutzbarmachung dieser Informationen für Rendering-Prozesse.
Diese Arbeit behandelt das Thema der Darstellung und der Simulation von Pflanzen mit Lindenmayer-Systemen. Zur Darstellung der aus Lindenmayer- Systemen entwickelten Strukturen wird das Programm Linde 3D entwickelt, welches dem Benutzer das Erstellen und die Simulation von Objekten unter Verwendung von deterministischen, geschachtelten, stochastischen, kontextsensitiven, umgebungssensitiven und offenen Lindenmayer-Systemen ermöglicht.
Neben der Entwicklung des Programms Linde 3D liegt ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Simulation der biologischen Prozesse Vernalisation und Stratifikation. Für die Simulation dieser Prozesse werden Lindenmayer- Systeme entwickelt, welche die Grundfunktionalität der Prozesse simulieren und in Abhängigkeit dieser dreidimensionale Modelle der Pflanze erzeugen.
Das Programm Linde 3D ist so konzipiert, dass es allgemein eingesetzt werden kann. Neben dem Verständnis für die abstrakten Modelle der Lindenmayer-Systeme werden keine speziellen Kenntnisse des Anwenders vorausgesetzt. Die Eingabe der L-Systeme erfolgt entweder über die Auswahl vordefinierter Lindenmayer-Systeme und Umweltdaten oder durch Komposition von Lindenmayer-Systemen und Umweltdaten durch den Anwender. Die graphische Interpretation der Lindenmayer-Systeme erfolgt unter Verwendung des Schildkröten-Modells. Die Ausgabe des Programms Linde 3D besteht zum einen aus einer direkten Darstellung der generierten Szene im Programm und zum anderen aus der Ausgabe der Szene in Form einer oder mehrerer Dateien für den POVRay Raytracer. Die erzeugten Dateien können durch externe Programme aufbereitet und zu einer Animation zusammengefügt werden.
Die vorliegende Arbeit beginnt mit einer kurzen Einführung in das Thema der Fraktale und Lindenmayer-Systeme, sowie den nötigen Grundlagen für das Verständnis der biologischen Hintergründe. Im Anschluss werden dem Leser die notwendigen theoretischen Grundkenntnisse zu Lindenmayer-Systemen und ein Einblick in aktuelle Anwendungen und Entwicklungen vermittelt. Nach einer Beschreibung der Anforderungen, des Aufbaus und der Implementierung des Programms Linde 3D werden die erworbenen Grundkenntnisse im Bereich der Lindenmayer-Systeme und das Programm Linde 3D eingesetzt, um Schritt für Schritt Lindenmayer-Systeme für die Simulation der biologischen Prozesse Vernalisation und Stratifikation zu entwickeln. Nach der Konstruktion der L-Systeme werden die erworbenen theoretischen Grundlagen für den Bereich des Testens von Parser und Schildkröten-Modell auf Funktionalität benötigt. Im Ausblick werden Ideen für Anwendungen und Erweiterungen des Programms Linde 3D beschrieben.
Die Gotik ist eine Kunstepoche des Mittelalters, die eine große Anzahl beeindruckender Bauten hervorgebracht hat. Hierbei sind besonders die monumentalen Sakralbauten dieser Zeit mit ihren eindrucksvollen Fenstern hervorzuheben. Rosetten gehören zu den größten Fenstern in gotischen Kathedralen. Sie sind kreisförmige Fenster, die vor allem durch ihre komplexe Aufbauweise auffallen. Das Grundbauelement der Rosetten ist das sog. Maßwerk - ein Steinwerk das als dekoratives Muster für Fenster und Wände in gotischen Bauten eingesetzt wird. Charakteristisch für diese Muster sind sich wiederholende, verschieden große geometrische Formen, was an die Eigenschaft der Selbstähnlichkeit bei Fraktalen erinnert.
Die manuelle Modellierung gotischer Fenster ist auf Grund deren komplexen Aufbaus sehr aufwendig. Eine prozedurale Generierung hingegen automatisiert den Modellierungsprozess weitgehend und verringert damit den Zeit- und Modellierungsaufwand per Hand.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine prozedurale Methode beschrieben, die die aufwendige manuelle Modellierung der Rosetten bzw. des Maßwerks zum größten Teil ersetzt. Diese Methode basiert auf der Analyse der fraktalen Struktur des Maßwerks und nutzt dabei dessen Selbstähnlichkeit aus, um Rosetten automatisch zu generieren. Mit der in dieser Arbeit entwickelten Implementierung ist es mögliche, eine große Vielfalt gotischer Rosetten zu beschreiben und mit Hilfe der 3D-Grafik-Engine OGRE graphisch darzustellen.
Random graph models, originally conceived to study the structure of networks and the emergence of their properties, have become an indispensable tool for experimental algorithmics. Amongst them, hyperbolic random graphs form a well-accepted family, yielding realistic complex networks while being both mathematically and algorithmically tractable. We introduce two generators MemGen and HyperGen for the G_{alpha,C}(n) model, which distributes n random points within a hyperbolic plane and produces m=n*d/2 undirected edges for all point pairs close by; the expected average degree d and exponent 2*alpha+1 of the power-law degree distribution are controlled by alpha>1/2 and C. Both algorithms emit a stream of edges which they do not have to store. MemGen keeps O(n) items in internal memory and has a time complexity of O(n*log(log n) + m), which is optimal for networks with an average degree of d=Omega(log(log n)). For realistic values of d=o(n / log^{1/alpha}(n)), HyperGen reduces the memory footprint to O([n^{1-alpha}*d^alpha + log(n)]*log(n)). In an experimental evaluation, we compare HyperGen with four generators among which it is consistently the fastest. For small d=10 we measure a speed-up of 4.0 compared to the fastest publicly available generator increasing to 29.6 for d=1000. On commodity hardware, HyperGen produces 3.7e8 edges per second for graphs with 1e6 < m < 1e12 and alpha=1, utilising less than 600MB of RAM. We demonstrate nearly linear scalability on an Intel Xeon Phi.
First measurements of balance functions (BFs) of all combinations of identified charged hadron (π,K,p) pairs in Pb−Pb collisions at sNN−−−√=2.76 TeV recorded by the ALICE detector are presented. The BF measurements are carried out as two-dimensional differential correlators versus the relative rapidity (Δy) and azimuthal angle (Δφ) of hadron pairs, and studied as a function of collision centrality. The Δφ dependence of BFs is expected to be sensitive to the light quark diffusivity in the quark−gluon plasma. While the BF azimuthal widths of all pairs substantially decrease from peripheral to central collisions, the longitudinal widths exhibit mixed behaviors: BFs of ππ and cross-species pairs narrow significantly in more central collisions, whereas those of KK and pp are found to be independent of collision centrality. This dichotomy is qualitatively consistent with the presence of strong radial flow effects and the existence of two stages of quark production in relativistic heavy-ion collisions. Finally, the first measurements of the collision centrality evolution of BF integrals are presented, with the observation that charge balancing fractions are nearly independent of collision centrality in Pb−Pb collisions. Overall, the results presented provide new and challenging constraints for theoretical models of hadron production and transport in relativistic heavy-ion collisions.
First measurements of balance functions (BFs) of all combinations of identified charged hadron (π,K,p) pairs in Pb−Pb collisions at sNN−−−√=2.76 TeV recorded by the ALICE detector are presented. The BF measurements are carried out as two-dimensional differential correlators versus the relative rapidity (Δy) and azimuthal angle (Δφ) of hadron pairs, and studied as a function of collision centrality. The Δφ dependence of BFs is expected to be sensitive to the light quark diffusivity in the quark−gluon plasma. While the BF azimuthal widths of all pairs substantially decrease from peripheral to central collisions, the longitudinal widths exhibit mixed behaviors: BFs of ππ and cross-species pairs narrow significantly in more central collisions, whereas those of KK and pp are found to be independent of collision centrality. This dichotomy is qualitatively consistent with the presence of strong radial flow effects and the existence of two stages of quark production in relativistic heavy-ion collisions. Finally, the first measurements of the collision centrality evolution of BF integrals are presented, with the observation that charge balancing fractions are nearly independent of collision centrality in Pb−Pb collisions. Overall, the results presented provide new and challenging constraints for theoretical models of hadron production and transport in relativistic heavy-ion collisions.
Diese Arbeit untersucht den Einfluss des Game-Design auf ausgelöste Lernprozesse und den Erfolg von Serious Games. Hierzu werden Game-Design Paradigmen entwickelt, die als Richtlinien für Konzeption und Umsetzung eines Serious Game dienen. Als Serious Games werden Videospiele bezeichnet, die zur Wissensvermittlung konzipiert worden sind. Dabei sollen die motivationalen Faktoren eines Videospiels genutzt werden, um einen intrinsisch motivierten Lernprozess auszulösen. Das Bewertungkriterium für den Erfolg einer Spielmechanik ist somit die Erfüllung der Lernziele. Damit dieses Erfolgskriterium genauer untersucht werden kann, werden die ausgelösten Lernprozesse differenziert betrachtet. In der Literatur werden folgende Lernprozesse hervorgehoben: Der Prozess des Erfahrungslernens und metakognitive Prozesse. Darüber hinaus sind Eigenschaften der Zielgruppe, wie Alter oder Geschlecht weitere wichtige Faktoren. Das dieser Arbeit zu Grunde liegende Forschungsframework setzt sich wie folgt zusammen: Lernszenario, Lernprozess und Lernerfolg. Das Lernszenario ist durch folgende Faktoren charakterisiert: Game Characteristics (Eigenschaften des Serious Game), Instructional Content (Arbeitsanweisungen und Trainingsetting) sowie Player Characteristics (Eigenschaften der Zielgruppe). Diese Parameter bedingen den Lernprozess, welcher unter dem Aspekt des Erfahrungslernens und der Metakognition analysiert wird. Eine besondere Problemstellung in den Player Characteristics ergibt sich aus dem sogenannten Net-Generation Konflikt. Mit Net-Generation wird die Generation bezeichnet, welche mit neuen Medien wie Internet und mobiler Kommunikation aufgewachsen ist. Diese besitzt im Unterschied zu älteren Generationen ein anderes Lernverhalten. Um die Aspekte des Net-Generation Konflikts und die Auswirkungen auf den Lernprozesses untersuchen zu können, wird ein Serious Game entwickelt, dessen Spielmechanik sich an folgenden Game-Design Paradigmen ausrichtet: Akzeptanz, Leichte Zugänglichkeit, Spielspaß und die Unterstützung des Lernprozesses. Dieses Serious Game FISS (Fertigungs- und Instandhaltungs-Strategie Simulation) wird bei der Daimler AG seit 2008 zur Ausbildung von Ingenieuren eingesetzt. FISS simuliert eine Fertigungslinie, die mit Hilfe geeigneter Wartungsstrategien und effizientem Personaleinsatz erfolgreich geführt werden soll. Die Spielmechanik orientiert sich an dem Genre der Rundenstrategie und wird in einem Anwesenheitstraining im Team durchgeführt. Hervorzuheben ist, dass die Zielgruppe bezüglich des Alters inhomogen ist und deshalb der Net-Generation Konflikt berücksichtigt werden muss. Im Anschluss wird FISS unter folgenden Aspekten untersucht: Der Prozess des Erfahrungslernens, metakognitive Prozesse und die Integration der Non-Net-Generation. Die Ergebnisse zeigen, dass die Eigenschaften des Game-Design einen signifikanten Einfluss auf den Prozess des Erfahrungslernens und die Lernerfolge besitzen. Spieler mit einem praktischen Zugang zu Lerninhalten (Concrete Experience) erzielten einen signifikant größeren Wissenzuwachs. Zudem profitierten alle Spieler von FISS, jedoch konnte in einer Vorstudie kein Einfluss metakognitiver Fähigkeiten auf den Wissenzuwachs nachgewiesen werden. Die weitere zentrale Studie dieser Arbeit fokussiert den Net-Generation Konflikt und evaluiert den Erfolg der eingangs aufgestellten Game-Design Paradigmen. Hierzu werden die Teilnehmer nach drei Altersgruppen getrennt betrachtet: Non-Net-Generation, Net-Generation und die dazwischen liegende Crossover-Generation. Es zeigt sich, dass der Lern- und Spielerfolg aller Generationen gleichermaßen signifikant ist und nur innerhalb des zu erwartenden Standardfehlers abweicht. FISS eignet sich folglich für alle Generationen. Diese Ergebnisse können stellvertretend für Serious Games im Genre der Rundenstrategie gesehen werden. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der Auswirkungen des Game-Design auf den Lernerfolg. Hiermit können potentielle Schwachstellen eines Serious Game erkannt und vermieden werden. Die Erkenntnisse im Bereich des Erfahrungslernens ermöglichen zudem eine bessere Anpassungen an die Zielgruppe. Für die zukünftige Forschung wurde mit dem in dieser Arbeit entwickelten Framework eine Grundlage geschaffen.
G-CSC Report 2010
(2011)
The present report gives a short summary of the research of the Goethe Center for Scientific Computing (G-CSC) of the Goethe University Frankfurt. G-CSC aims at developing and applying methods and tools for modelling and numerical simulation of problems from empirical science and technology. In particular, fast solvers for partial differential equations (i.e. pde) such as robust, parallel, and adaptive multigrid methods and numerical methods for stochastic differential equations are developed. These methods are highly adanvced and allow to solve complex problems..
The G-CSC is organised in departments and interdisciplinary research groups. Departments are localised directly at the G-CSC, while the task of interdisciplinary research groups is to bridge disciplines and to bring scientists form different departments together. Currently, G-CSC consists of the department Simulation and Modelling and the interdisciplinary research group Computational Finance.