Studentische Arbeiten

Im Rahmen meiner Forschung an dem Code-Generierungs-Tool Buggy werden spezielle Compound-Graphen verwendet, die neben der Graphstruktur auch noch eine Hierarchie aufbauen. Diese wird durch Compound Knoten realisiert. Dies sind Knoten die selber wieder Graphen enthalten können. Dazu gibt es mehrere Layer von Kanten die entweder über spezifische Ports verbunden sind oder aber Knoten direkt verbinden.

Die Graph Implementierung (zu finden unter https://github.com/BuggyOrg/graphtools) hat dafür einige Anfrage-Möglichkeiten die das Arbeiten mit den Graphen erleichtern soll. Die ganzen Operationen sind dafür persistent implementiert, das heißt nach außen hin scheinen die Graphen immutable zu sein. Dies hat für uns den Vorteil, dass Operationen leicht nachvollziehbar bleiben und Fehler meist einfach zu identifizieren sind.

Zum sicherstellen der immutability werden momentan alle Graphen für jede Operation kopiert. Dies ist sehr aufwändig und kann eindeutig verbessert werden.

Ziel dieser Bachelorarbeit ist das Entwickeln von Algorithmen zum effizienten Bearbeiten und Anfragen in oben vorgestellten Compound Graphen. Dazu sollen existierende Verfahren zum Erzeugen von effizienten persistenten Datenstrukturen evaluiert werden und an die Bedürfnisse des existierenden Graphen angepasst werden.

Algebraische Datentypen schaffen sind eine elegante Beschreibung von Datentypen, die stark das Konzept rekursiver Definitionen ausnutzen. Algorithmen, die solche Datentypen verwenden ähneln in der Struktur stark der Datenstrukturdefinition und führen so zu meistens gut nachvollziehbaren Code. Die Umsetzung solcher algebraischer Datentypen in ausführbaren Programmen ist direkt ableitbar aus deren Definition und basiert meist aus verlinkten Strukturen.

Genau diese Interpretation der Datenstrukturen (als verlinkte Strukturen) führt jedoch häufig zu schlechteren Laufzeiten. Das dereferenzieren von Pointern ist eine teure Operation, da diese den Cache einer CPU nicht ausnutzen kann. Um die elegante Struktur von algebraischen Datentypen zu erhalten und dennoch performante Programme erzeugen zu können, wäre eine Analyse der Datenstruktur denkbar, die versucht die verlinkten Strukturen durch Arrays zu ersetzen (wo möglich). Diese Bachelorarbeit soll genau solche Fälle untersuchen und das Optimierungspotential von Ersetzungssystemen analysieren.

Am Welfenlab wird gerade eine Datenflussbasiertes System (Buggy) entwickelt das unter anderem das Ziel verfolgt das manuelle Optimieren von Code zu automatisieren.

Ein Teil dieses Problems ist die Optimierung der Datentypen, die in einem Programm verwendet werden. Z.B. sind Ganzzahloperationen schneller als Floating-Point Operationen. Oft wird deswegen der Datentyp int verwendet, auch wenn ein Floating-Point Typ genau die selben Ergebnisse liefern würde. Die Entscheidung welcher Typ wann am geeignetsten ist wird üblicherweise intuitiv vom Programmierer getroffen.

In dieser Arbeit soll dieser intuitive Entscheidungsprozess analysieret werden und im existierenden Buggy-System algorithmisch eine automatisierte Typentscheidung implementiert werden die zunächst Datentypen wie double und int gegeneinander abwägt. Denkbar wären auch kompliziertere Typentscheidungen wie z.B. SIMD Typen oder ähnliches.

Die Optimierung von Programmen geschieht auf verschiedenen Abstraktionsebenen: Einerseits bei der Wahl des passenden Algorithmus, andererseits durch Transformationen des Programmquellcodes. Werden Transformationen angewandt so müssen diese ein äquivalentes Programm induzieren. Dies wird üblicherweise erreicht indem der Kontrollflussgraph des Programmes berechnet wird. In einem Kontrollflussgraphen sind alle Abhängigkeiten explizit gegeben wodurch äquivalente Programmtransformationen einfacher angegeben werden können. In den meisten Programmiersprachen wird dafür ein approximativer Kontrollflussgraph aus dem Programmquellcode berechnet.In dieser Arbeit wird ein Framework zum Erstellen und Anwenden von Graphersetzungssystemen erstellt, dass Programme die mit dem am Institut entwickelten System "Buggy" geschrieben sind, optimieren soll. Diese haben den Vorteil, dass der Kontrollflussgraph explizit und vollständig gegeben ist und überdies eine hierarchische Struktur vorhanden ist, die auch Optimierungen auf höheren Abstraktionsebenen ermöglichen können.

In der Bachelorarbeit wird eine Prozedur ausgearbeitet, die Probleme, welche auf gegebenen Daten eines bestimmten Datentyps formuliert sind, verschiedene Lösungsfunktionen auswählen kann. Der Benutzer definiert im Idealfall lediglich das Problem und übergibt eine optionale Menge an Eigenschaften, die von der zu verwendenden Funktion erfüllt sein sollen. Das zugrunde liegende System soll dann mit Hilfe der drei Komponenten Eingabedaten, Problemstellung und den zu erfüllenden Eigenschaften eine Entscheidung treffen können, welcher Algorithmus für das Problem am sinnvollsten anzuwenden ist. Die Entscheidungsfindung wird dafür in eine statische Komponente (zur Erzeugung des Programmes) und eine dynamische Komponente (beim Ausführen des Programmes) unterteilt werden. 

In der modernen Medizin fallen heutzutage routinemäßig große Mengen an tomographischen Daten an. Neben der Datenhaltung an sich ist die Segmentierung, d.h. die Merkmalsextraktion, eines der wichtigsten Themen. Besonders für schwer zu klassifizierende traumatische Veränderungen (bspw. Trümerbruch) lassen sich in der Regel keine modellbasierte Verfahren verwenden. Hier muss auf allgemeine Verfahren zurückgegriffen werden, die in der richtigen Kombination eine gute Approximation der gewünschten Struktur liefern. Oft kommt es jedoch zu unerwünschten Übergängen, d.h. die eigentliche Struktur ist durch eine auflösungsbedingte Ungenauigkeit über eine (dünne) Verbindung mit weiteren Strukturen verbunden. Um diese zu identifizieren, haben sich das Konzept des Reeb Graph als nützlich erwiesen. Dabei wird schichtweise nach Zusammenhangskomponenten gesucht und diese mit ihren Verbindungen zu Komponenten in den benachbarten Schichten in einer Graph Struktur abgelegt.

Ziel dieser Arbeit, ist der Entwurf und die Implementierung eines Reeb Graph Analyse Moduls für die Segmentnachbearbeitung. Neben der Abbildung und interaktiven Darstellung des Reeb Graphs in transversaler, sagittaler und frontaler Anordnung soll vor allem die graphische Unterstützung von Split- und Merge-Operationen umgesetzt werden.

Insbesondere durch ihre vielseitige Verwendbarkeit kommen Vierecksgittern eine zunehmend größere Bedeutung zu. Die Visualisierung von 3D-Objekten mithilfe von Vierecken ist zum einen optisch deutlich ansprechender als die Darstellung mit „herkömmlichen“ Dreiecksgittern und zum anderen bieten sie meist eine bessere Grundlage für weiterführende Anwendungen wie z. B. Texturierung. Nichtsdestotrotz ist die Berechnung dieser Gitter durchaus kompliziert. Während Dreiecksgitter einfach durch Algorithmen wie die Delaunay-Triangulation erzeugt werden können, sind die meisten aktuellen Algorithmen für Vierecksgitter, insbesondere in Bezug auf Effizienz und Verlässlichkeit, verhältnismäßig eingeschränkt. Unser Hauptziel ist es daher einen neuen Quad-Remeshing-Algorithmus zu implementieren, welcher aus einem gegebenen Dreiecksnetz ein Vierecksgitter erzeugt. Um dies zu erreichen werden wir einen Parametrisierungs-Ansatz verwenden, d. h. das kartesische Netzgitter soll mithilfe einer globalen Parametrisierung auf die Oberfläche projiziert werden. Dies lässt sich auf ein gemischt-ganzzahliges Optimierungsproblem zurückführen, welches effektiv und zuverlässig durch Anwendung verschiedener Komplexitätsreduktionen und Ausnutzen weiterer Zwangsbedingungen gelöst werden kann. Wir werden diese auf aktuellen Publikationen basierende Methode im Hinblick auf Verlässlichkeit und Effizienz untersuchen, um ihre Stärken und Schwächen herauszustellen. Hiermit werden wir versuchen weitere Optimierungen zu entwickeln, um einen allgemeineren Quad-Remeshing Algorithmus zu erstellen, welcher „echte“ Vierecksgitter effizient und verlässlich erzeugt.

Beim Schreiben von Code entstehen häufig Situationen in denen die verwendete Programmiersprache nicht optimal geeignet ist um den jeweiligen Sachverhalt darzustellen. Insbesondere graphische Repräsentationen des zugrundeliegenden Problems könnten beim Lesen des Codes oft hilfreich sein. Modernere Entwicklungsumgebungen sind so vielseitig, dass das Einbinden von graphischen Elementen kein Problem wäre. Dennoch gibt es nicht einmal die Möglichkeit in Kommentaren graphische Elemente einbinden zu können. Interaktive Elemente sind noch weniger verbreitet.Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Editor-Plugins (für Atom), welches es zunächst ermöglichen soll graphische Elemente in Editoren einbinden zu können. Darauf aufbauend soll eine Abstraktion von gewissen Code Elementen durch grafische Bausteine ermöglicht werden. Z.B. Bezier Splines über entsprechende graphischen Interfaces eingegeben.

Probleme in der Differentialgeometrie oder Finiten Elemente Methode erfordern häufig die Umsetzung komplexer mathematischer Zusammenhänge in einer mehr oder weniger dafür geeigneten Programmiersprache. Häufige Anwendungen sind unter anderem die automatische Bestimmung von Ableitungen, numerische Integration und die Aufstellung symbolischer Matrizen.
Zahlreiche Programmiersprachen bieten bereits symbolische Bibliotheken, die solche Aufgaben übernehmen können, allerdings sind der Integration mit dem restlichen Programm immer noch Grenzen gesetzt. Einerseits können die erzeugten Ausdrücke nur relativ ineffizient evaluiert werden, andererseits ist die Ausdrucksfähigkeit auf die Möglichkeiten der Bibliothek beschränkt. Diese Arbeit soll aus symbolischen Ausdrücken auf erweiterbare Art zur Laufzeit effizienten, ausführbaren Code erzeugen.

This work is researching the response of the basilar membrane of the human cochlear to different stimuli from the scala tympani. A triangle mesh of the basilar membrane is used to produce a shell model. On this model a three-dimensional thin shell simulation is performed by using a modified cloth simulator that accounts for flexural energy over the mesh edges. The force that the scala tympani would induce on the basilar membrane is directly applied to the simulated model. A Lattice-Boltzman fluid simulation generates reasonable forces to apply to the model and observe. Several examples show the validity of the simulation.

Für die Planung von Hüftoperationen ist eine genaue Analyse der patientenindividuellen Geometrie erforderlich. Dabei ist vor allem die Oberflächenstruktur der Hüftpfanne (Acetabulum) als Kontaktregion zum Femurkopf von besonderem Interesse.

Ziel dieser Arbeit ist es, die verschiedenen Unterstrukturen des Actetabulum (fossa acetabuli, incisura acetabuli, ...) in einem 3D Oberflächenmodell zu erkennen. Dabei kann auf den Ergebnissen der Arbeit "Automatische Erkennung des Acetabulum in 3D-Pelvis Modellen" von Lurz Jurek Leonhardt aufgebaut werden. Mit der Detektion der Substrukturen des Acetabulums sollen die dort vorgestellten Methoden, bspw. im Bereich der incisura, weiter verbessert werden.

In klinischen Prozessen spielt die tomographische Bildgewinnung heutzutage eine immer größere Rolle. Die dabei gewonnen Schichtbilddaten sind jedoch nur der erste Schritt eines komplexen Verarbeitungsprozesses. Eine auch heute noch schwierige Aufgabe ist die sogenannte Segmentierung, bei der bestimmte Substrukturen (Organe, Knochen, ...) identifiziert werden. Als besonders vielversprechend haben sich dabei Algorithmen gezeigt, die anwendungsspezifisches Modellwissen mit einbeziehen (modelbasierte Segmentierung).

Um Bilder auf Ähnlichkeit zu vergleichen, kann man aus den Umgebungen ausgewählter Punkte Featuredeskriptoren extrahieren und anschließend diese vergleichen. Ein etabliertes Verfahren dazu ist SIFT (Scale invariant feature transform).

Zum Vergleich von 3D-Formen gibt es als Featuredeskriptoren di sogenannten Heat Kernel Signatures, die die geometrische Umgebung eines Punktes dadurch beschreiben, wie er abkühlen würde, wenn man ihn erhitzt. Mittels am Welfenlab entwickelter bildabhängig modifizierter Laplaceoperatoren kann ein Analogen der Wärmeleitungsgleichung auch für Bilddaten aufgestellt und so eine HKS für Punkte in Bildern definiert werden.

In der Bachelorarbeit werden SIFT und HKS für Bilder miteinander verglichen.

Die Cochlea ist der Teil des Innenohrs, der für die Aufnahme der auditiven Reize zuständig ist. Dabei breitet sich eine Schallwelle in einem Fluid aus und versetzt die Membran des Corti-Organs in Bewegung, sodass diese die mechanischen Schwingungen in Nervenimpulse umwandeln kann.

Bei dem Lattice Boltzmann Verfahren wird ein Fluid mithilfe eines zellulären Automaten auf Teilchenebene diskretisiert. Unter Verwendung dieses Verfahrens kombiniert mit der Immersed Boundary Methode wird die Mechanik einer zweidimensionalen Cochlea modelliert und analysiert. Dabei soll insbesondere die Lokalisierung der eingehenden Schallwellen durch das ovale Fenster auf der Basilarmembran nachgebildet werden und mit den Ergebnissen von u.a. Gerstenberger et al 2013 verglichen werden.

Vorteil von diesem Verfahren ist, dass dieses sowohl gut parallelisierbar, als auch einen geringen Speicherverbrauch hat und sich daher eigenen sollte die dynamischen Strömungen innerhalb der Cochlea zu Analysieren.

In dieser Arbeit wird das Zusammenspiel der Lattice Boltzmann Methode mit dem Immersed Boundary Verfahren untersucht. Das Lattice Boltzmann Verfahren ist ein gribbasierter Fluid Löser der mit relativ einfachen lokalen Regeln die Boltzmanngleichung lösen kann.

Um nun komplexe Geometrien die nicht am Gitter ausgerichtete sind zu unterstüzen soll das Immersed Boundary Verfahren verwendet werden. Dieses ermöglicht es Obejkte die physikalisch nicht auf dem Gitter simuliert werden mit dem Fluid zu koppeln. So können die Vorteile der Lattice Boltzmann Methode ausgenutzt werden (z.B. die hervoragende Parallelisierbarkeit) ohne dabei auf Modelle in Lagranger Sicht verzichten zu müssen.

In dieser Arbeit wird dafür eine stabile Kopplung verschiedener Systeme mit dem Immersed Boundary Verfahren vorgestellt und soweit möglich mit Literaturwerten verglichen.

Bei der Visualisierung von Fluiden in drei Dimensionen müssen viele Daten in verständlicher Form dargestellt werden. Da die große Menge an verschiedenen Daten in einer Grafik meist kompliziert und nicht unbedingt verständlich ist, beschäftigt sich diese Arbeit mit Möglichkeiten Fluide in drei Dimensionen anschaulich zu visualisieren.

Um Fluide zu Visualisieren müssen grundsätzlich zwei Arten von Felder dargestellt werden können. Einmal skalare Felder wie z.B. der Druck oder die Dichte, andererseits Vektor Felder wie die Geschwindigkeit. Problematisch ist dabei oft die Überdeckung von Details die inmitten des beobachteten Volumens liegen. Dafür soll diese Bachelorarbeit Möglichkeiten schaffen Felder darzustellen und geeignet filtern zu können um spezifierte Regionen einzublenden und andere auszublenden.

In dem Projekt "Tactil Displays for Virtual Reality Applications" wird mittels einer FEM-Simulation, die sich auf Asynchrone Variationelle Integration (AVI) stützt, der Kontakt eines Fingers mit einer Oberfläche simuliert. Da jedes Element in einem individuellen Zeitschritt berechnet wird, muss ein Algorithmus darüber wachen, dass die gesamte Simulation zeitlich möglichst kontinuierlich abläuft und keine zu großen Abstände zwischen den Elementen herrschen. Eine hohe Geschwindigkeit kann durch Parallelisierung der Simulation erreicht werden. Die Reihenfolge der Berechnung der AVI-Elemente wird durch einen Algorithmus ermittelt, der hinsichtlich seiner Parallelisierbarkeit durch unterschiedliche Kollisionsbehandlungen untersucht wird. Die Anzahl der Kollisionen sowie der gleichmäßig Fortschritt in der Zeit sind zu optimierende Aspekte.

Das Lattice Boltzmann Verfahren ist ein Verfahren das die Boltzmanngleichung lösen kann, welches auf einem regulären Gitter mittels einfacher Evolutionsregeln, ähnlich derer eines Zellulären Automatens, arbeitet. Bei der Implementierung einer verteilten Simulation sind insbesondere die Latenzen ein den Speedup begrezender Faktor. Die Latenzen entstehen dabei hauptsächlich durch den Abgleich der Randbereiche. Deswegen versucht man beim Erstellen der einzelnen Subdomains die Randbereiche so klein wie möglich zu halten, dabei soll jedoch das Innere so groß wie möglich bleiben. Ziel dieser Arbeit ist es eine möglichst optimale Zerlegung einer Domäne in Teilbereiche zu finden. Dazu sind insbesondere die Rechengeschwindigkeit der einzelnen Rechner und die Geschwindigkeit der einzelnen Netzwerkverbindungen zu beachten.

Eine Wahrnehmung der „virtuellen Welt“ beschränkt sich aktuell größtenteils auf den optischen, sowie den akustischen Sinn. Um realistische Sinneseindrücke zu vermitteln wäre eine Verwendung des taktilen Sinnes wünschenswert. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Übertragungsfunktion entwickelt werden, die den Zusammenhang zwischen mechanischer Kraft des Aktuators und entsprechenden Stressmaßen am Rezeptor, basierend auf den Daten einer Finite-Elemente Simulation, beschreibt. Mittels Inversion dieser Funktion sollen so später optimale Anregungen der Aktuatoren gefunden werden, die den Eindruck realer Oberflächen möglichst detailgetreu abbilden.

Betreuer: Rasmus Buchmann, Alexander Vais

Visuelle Qualität und kurze Berechnungszeiten sind wichtige Eigenschaften einer Fluidsimulation, die erreicht werden müssen ohne die Stabilität der Simulation zu beeinträchtigen. Häufig verwendete Methoden wie "Stable Fluids" oder "Smoothed Particle Hydrodynamics" sind nicht ausreichend um die Vortizität eines Fluids ausreichend abzubilden. Diese Arbeit implementiert daher ein auf dem sog. "Discrete Exterior Calculus" basierendes Framework, dass die physikalischen Größen als diskrete Differentialformen modelliert und die zeitliche Entwicklung des Fluids über einen geometrisch motivierten Integrationsalgorithmus berechnet.

In dieser Arbeit soll eine Textilsimulation mit einem einfachen Kontaktmodell implementiert werden, die sich an der haptischen Textilsimulation des HAPTEX Projektes orientiert. Einer der wesentlichen Anforderungen an die Simulation ist daher eine hohe Simulationsgeschwindigkeit, um die für haptisches Empfinden benötigten 1000Hz im Kontaktbereich erreichen zu können. Im Gegensatz zu dem vorangegangenem HAPTEX-Projekt soll ein FEM basierender Algorithmus implementiert werden, der sich auf die sog. Asynchrone Variationelle Integration (AVI) stützt. Dieser Ansatz hat den Vorteil, jedes Element mit einen individuellen Zeitschritt berechnen zu können. In dieser Arbeit soll nun untersucht werden, inwiefern es möglich ist, mit einem zeitadaptiven Ansatz die o.g. Anforderungen an die haptische Echtzeit zu erfüllen.

In dem durch die DFG geförderten Projekt "Tactile Displays for Virtual-Reality-Applications" wird in Kooperation mit dem Institut für Dynamik und Schwingungen (IDS) und dem Institut für Mikroproduktionstechnik (IMPT) ein sog. taktiles Display entwickelt, welches in der Lage ist, den Wahrnehmungseindruck real existierender Oberflächen auf einem Array von beweglichen Stiften nachzubilden. Am Institut für Mensch-Maschine-Kommunikation wird zur Zeit ein Modell entwickelt, welches die für die Erzeugung dieses taktilen Eindrucks notwendigen Parameter in Form von zeitlich variablen diskreten Frequenzspektren auf Basis gegebener Oberflächenparameter bestimmt. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Hardwareeinheit zu konzipieren und zu realisieren, welche die durch das Modell gegebenen diskreten Frequenzspektren in ein kontinuierliches Signal umsetzt, welches zur Ansteuerung des taktilen Displays verwendet werden kann. Wesentliche Anforderungen an dieser Hardwareeinheit sind neben einer hohe Qualität des Ausgangssignals auch eine einfache Möglichkeit der Skalierung auf größere Displays.

Hüftimplantate zählen zu den häufigsten orthopädischen Operationen. Für eine patientenindividuelle Planung von Implantat und Eingriff ist es notwendig, sowohl die Hüfte (Pelvis) als auch den Oberschenkelknochen (Femur) zu identifizieren. Von besonderem Interesse ist dabei die Kontaktregion, die aus dem Kopf des Femur (caput ossis femoris) und der Hüftpfanne (acetabulum) besteht.

Ziel dieser Arbeit ist es, das Acetabulum in gegebenen 3D-Pelvis Modellen zu identifizieren. Dafür sollen unterschiedliche Algorithmen untersucht, implementiert und verglichen werden.

In dieser Arbeit soll eine Fluidsimulation mit der Lattice Boltzmann Methode implementiert werden. Diese Methode diskretisiert das Fluid mit zellulären Automaten und erreicht dadurch eine hohe Parallelität. Teil dieser Arbeit ist die Beschreibung der Diskretisierung, die im Lattice Boltzmann Verfahren angewandt wird. Zusätzlich dazu soll das Verfahren implementiert werden und anhand üblicher Beispiele wie dem "Lid-Driven-Cavity-Flow" Beispiel mit bekannten Lösungsverfahren verglichen werden. Dabei sind insbesondere die Konvergenzraten, Parallelität, Einhaltung der Inkompressibilitätsbedingung und die Interaktion mit Objekten von Interesse.

Diese Arbeit befasst sich mit der Parallelisierung des Lattice Boltzmann Verfahrens. Das Lattice Boltzmann Verfahren löst die Boltzmanngleichung über eine reguläre Diskretisierung und verwendet Regeln ähnlich der von Zellulären Automaten. Diese Formulierung hat den großen Vorteil, dass sie lokal arbeitet und somit leicht parallelisierbar ist. In dieser Arbeit wird neben der Shared-Memory Parallelisierung auch die Parallelisierung auf ein Clustersystem untersucht. Dazu wird ein Protokoll zur Kommunikations der einzelnen Rechner entwickelt welches möglichst gut Latenzen überdecken soll.

• [1] Trottenberg, Ulrich, Cornelius W. Oosterlee, and Anton Schuller. Multigrid. Academic press, 2000.
• [2] Frederickson, Paul O., and Oliver A. McBryan. Recent developments for the PSMG multiscale method. No. CU-CS-524-91. COLORADO UNIV AT BOULDER DEPT OF COMPUTER SCIENCE, 1991. 

In dieser Arbeit soll ein haptisches Gerät (z.B. das Phantom) verwendet werden um ein haptische Virtual Clay Simulation zu entwickeln. Das haptische Gerät soll einem dabei die Möglichkeit geben ein virtuelles Objekt zu verformen und vielleicht auch topologisch zu ändern, um so verschiedenste Modelle fertigen zu können. Dazu sollen verschiedene Werkzeuge angeboten werden, die einem das Modellieren erleichtern sollen. Es soll zunächst recherchiert werden ob Mesh-based, Voxel-based oder gemischte Verfahren am besten geeignet für die haptische Interaktionen sind . Die große Herausforderung steckt dabei im Erreichen der haptischen Echtzeit, die 1000 fps benötigt. Technisch kann dieses über lokal-adaptive Verfahren erreicht werden. Ein Teil dieser Arbeit wird sein, die vorhandene Netzwerkschnittstelle für die haptischen Geräte zu vervollständigen. Eine Bachelorarbeit / Studienarbeit mit geringerem Umfang ist auch denkbar.

Der am Institut entwickelte prozedurale Planetengenerator kann Terrain-Daten für einen Planeten mit verschiedenen klimatischen Zonen aus einem einzelnem Seed erzeugen. Der daraus resultierende Planet verfügt jedoch noch über keine Vegetation. Ein manuelles setzen der Vegetation ist nicht nur aufwändig, sondern führt auch zu unrealistische wirkenden Regionen. Deshalb soll in dieser Arbeit ein System entworfen werden, welches eine Vegetation für einen zufällig generierten Planeten erzeugt und auch visualisiert. Technisch soll die Vegetation durch einen Zellulären Automaten unter Zuhilfenahme von spieltheoretischen Modellen erzeugt werden. Dazu muss ein Basisdatensatz an Vegetationsobjekten wie Bäumen, Kakteen, Sträuchern, etc. erzeugt werden und geeignet kategorisiert werden. Unter Zuhilfenahme dieses Datensatzes soll  auf der Oberfläche ein Zellulärer Automat simuliert werden, dessen Regeln sich aus dem spieltheoretischen Modell und den klimatischen Gegebenheiten ableiten.

Im alltäglichen Leben ist die Hand einer der wesentlichsten Werkzeuge um mit der umgebenden Welt zu interagieren. Diese Interaktionsmöglichkeit wird bei der Arbeit mit Computern nur unzureichend über eingaben via Tastatur und Maus umgesetzt. Besonders bei Interaktionen mit einer dreidimensionalen Welt sind diese limitierten Werkzeuge ein großes Hinderniss für eine intuitive Steuerung. Natürlicher wäre eine Steuerung die die Bewegung der Hände mit einbeziehen würde. Dazu soll in dieser Bachelorarbeit der CyberGlove 2 Datenhandschuh zur Exploration einer dreidimensionalen Szene verwendet werden. Die Fingerstellung wird dabei über Widerstandssensoren im Handschuh gemessen und kann so zur Darstellung des Handmodells verwendet werden. Die Informationen über die Lage der Hand im Raum soll anschließend, durch am Kopf befestigte Kameras und Marker auf der Hand, rekonstruiert werden. Diese Arbeit soll in ein plattformunabhängiges Java-Framework integriert werden, dass die Darstellung dreidimensionaler Szenen mittels eines Head-Mounted-Displays ermöglicht soll. Die Darstellung wird in der Bachelorarbiet "Stereographische Visualisierung von 360° Aufnahmen auf einem Head Mounted Display (HMD)" durch Peter Denis implementiert. Durch die stereoskopsiche Darstellung der Szene gepaart mit der Interaktion durch die Hand soll so eine hohe Immersion erreicht werden, die ein intuitives Arbeiten in der virtuellen Szene erlaubt.

Auf Basis der vorangegangen Bachelorarbeit "Prozedurale Multiskalen-Generierung von Planetenoberflächen" angefertigt von Felix Haase, soll in dieser Arbeit ein physikalisches Modell entwickelt werden, dass den Wasserkreislauf eines Planeten simuliert. Das Modell für den Wasserkreislauf arbeitet mit verschiedenen Schichten, die z.B. die Planetenoberfläche und die Atmosphäre darstellen. In diesen Schichten werden unterschiedliche Modelle simuliert, so soll für die Atmosphäre ein projiziertes SPH Fluid verwendet werden. Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung einer interaktiven Simulation auf einer Planetenoberfläche, die neben einer plausiblen Wolkenmechanik in der Atmosphäre auch eine realistisch wirkende Entwicklung der Vegetation auf der Planetenoberfläche ermöglichen soll.

Bei den aktuellen Planungsverfahren für den Luftverkehr entstehen regelmäßig Situationen, in denen die Flugzeuge die gesetzlich vorgeschriebenen Sicherheitsabstände nicht einhalten können. Diese Unterschreitungen werden als Kollisionen bezeichnet. Es gibt verschiedene Verfahren zur Erkennung von Kollisionen und zur Aulösung von Kollisionssituationen. Diese Verfahren sind wenig integriert und nutzen nicht die Vorteile der modernen Navigationstechnologie (z.B. DG-PS). Die Ausweichtrajektorien werden nicht optimiert. Am DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) werden die Trajektorien als Teil des 4D-Raumes abgebildet. Der 4D-Raum setzt sich aus den drei Raumdimensionen und der vierten Zeitdimension zusammen. In dieser Arbeit wurde ein Programm entwickelt, das aus einer Menge von übergebenen Trajektorien eine Trajektorie so anpasst, dass keine Konflikte mehr vorhanden sind. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein mit Konflikten behafteter Bereich mit einer generierten Trajektorie überbrückt. Die Generierung der Ausweichtrajektorie geschieht in konsistenter 4D-Planung. Das automatisierte Generieren der Ausweichtrajektorien auf Basis des 4D-Raums erlaubt das Modellieren des Lateral- und Vertikal-Ausweichens. Zusätzlich kann mit Hilfe der Zeitdimension auch das Variieren der Geschwindigkeit zur Vermeidung der Kollision abgebildet werden. Bei der automatischen Generation eröffnet sich die Möglichkeit, die Trajektorie zu optimieren: Zum Beispiel nach solchen Aspekten wie Treibstoffeffizienz oder Flugkomfort für Passagiere. Das entwickelte Programm generiert keine fliegbare Trajektorie, sondern diskretisiert lediglich den Suchraum um den Konfliktbereich und sucht nach einer möglichen Überbrückung für den Konfliktbereich. Als Ergebnis wird eine Liste mit Punkten im 4D-Raum ausgegeben. Diese Liste wird von der DLR-eigenen TrafficSim in eine fliegbare Trajektorie umgewandelt. Bei der Generierung der Ausweichtrajektorie ist zu beachten, dass TrafficSim mit geringerer Anzahl von Punkten bessere fliegbare Trajektorien generiert als bei höherer.

Ziel dieser Arbeit ist es Planetenoberflächen prozedural zu generieren. Dazu sollen insbesondere Fraktale verwendet werden die es ermöglichen sollen die Planeten auf verschiedenen Skalen mit unterschiedlichem Detailgrad darzustellen. Die zu entwickelnden Methoden sollen dabei klimatische Unterschiede bei der Generierung berücksichtigen. Neben der prozeduralen Generierung sollen auch verschiedene LOD (Level of Detail) Verfahren untersucht werden, um die Planeten in Echtzeit anzeigen und deren Detailgrad nahtlos anpassen zu können.

Texturen dienen in der Computergrafik der Erzeugung detaillierter Oberflächenstrukturen ohne eine Verfeinerung der zugrundeliegenden Geometrie. 2D Texturen sind dabei oft Fotografien von Oberflächen, die beim Rendern  auf die entsprechenden Oberflächen der Szene abgebildet werden. Sie erzeugen eine realistische Anmutung der Oberflächen von Objekten. Schnitte durch Objekte können mit dieser Methode allerdings nur schlecht visualisiert werden, da dies das Vorhandensein von 2D-Fotografien verschiedener Schnittrichtungen voraussetzt.

3D- oder Solid Textures können hier Abhilfe schaffen, da sie Informationen über die Detailstruktur des Inneren von Objekten geben. Sie werden üblicherweise als Voxeldatensatz, d.h. als Skalar- oder Vektorfeld auf einem ortsfesten, meist orthogonalen Raumgitter gespeichert. Moderne Grafikkarten bieten mittlerweile Hardware-Unterstützung für 2D-Texturen, so dass das Problem der Beschaffung von 3D-Texturen in letzter Zeit in den Mittelpunkt wissenschaftlicher Betrachtung gerückt wurde. Es wurden verschiedene funktionale Syntheseverfahren, als auch die Erzeugung auf Grundlage von Exemplaren, also zweidimensionalen Beispielbildern vorgeschlagen (Übersicht in [1]). In dieser Arbeit soll ein fortgeschrittenes Verfahren, z.B. basierend auf der Arbeit von Kopf et al. [2] entwickelt werden. Die Implementation soll in Java oder C++ erfolgen und die entstehenden 3D-Texturen in YaDiV geladen werden können. Speziell sollen als Exemplare Mikroskopien von Dualphasenstählen dienen, auf deren Besonderheiten Rücksicht genommen werden soll. Quellen [1] Pietroni et al. "Solid-Texture Synthesis: A Survey", IEEE Computer Graphics  and Applications, 2010. [2] Kopf et al. "Solid Texture Synthesis from 2D Exemplars", ACM Trans. Graph., Vol. 26, No. 3, 2007, p. 2.

Written by Georg Konwisser (gekonwi AT gmail.com):

Abstract

Development of algorithms often focuses on one task: creating an algorithm which is better than another one doing the same task. The developer is thus compelled to answer the question: "Which algorithm is better?" The highly extendable modular framework and application I developed and implemented for this thesis can help developers of any classifying, matching or retrieval algorithms to answer this question with less implementation effort saving development time and cost.

Overview

Ein Großteil der heutigen Anwendungen nutzen die parallele Ausführung von Programmen zum verringern der Rechenzeit. Die Parallelisierung erfolgt dabei meist in feinster Handarbeit und erfordert viel Zeit. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines Frameworks, dass die Parallelisierung von Programmen einerseits und den eigentlichen Entwicklungsprozess besser unterstüzen soll. Dabei soll das Framework mit einer Share-Nothing Architektur ein stabiles System bieten, dass ohne weiteren Aufwand die einzelnen Programmkomponenten parallel ausführen kann. Dazu soll das System modular gehalten werden, sodass die entwickelten Module leicht für jedermann verwendbar sind. Dafür werden klare Interfaces zur Kommunikation benötigt. Technisch wird das ganze über die ZeroMQ Bibliothek und einer Serialisierungsbibliothek wie Google Protocol Buffers implementiert werden. Dadurch wird es auch möglich sein Module in verschiedenen Programmiersprachen zu schreiben.

Wachsende Anforderungen im Bereich des Automobilbaus an den Werkstoff
Stahl im Hinblick auf geringe Kosten, hohe Ressourceneffizienz und
Sicherheitsanforderungen führen zu einem ansteigenden Einsatz von
hochfesten sowie höher- und höchstfesten Stählen im Karosseriebau. Bei
den meisten Stählen dieser Grenzklassen werden die mechanischen
Eigenschaften durch eine gezielte Mischung unterschiedlich harter
Gefügebestandteile (Phasen) wie Ferrit, Bainit, Austenit und Martensit
gesteuert. Für den Festigkeitsbereich von 350 – 1000 MPa gewinnen
besonders Dualphasenstähle (DP-Stähle) an Bedeutung.

Das makroskopische Fließverhalten von DP-Stählen hängt im Wesentlichen
von den Eigenschaften einzelner Phasen (Ferrit und Martensit) sowie der
Morphologie des Martensits ab und wird seit einiger Zeit im Rahmen der
numerischen Mikromechanik beschrieben. Dabei wird das makroskopische
Fließverhalten mit Hilfe eines repräsentativen Volumenelements (RVE)
modelliert, das einen statistisch repräsentativen Ausschnitt der
Mikrostruktur des Werkstoffs im dreidimensionalen Raum darstellt.

Das Ziel der Arbeit ist, eine Methode zu entwickeln, um auf Basis
möglichst weniger zweidimensionlaer Schliffbilder eines realen DP-Stahls
eine dreidimensionale Textur zu synthetisieren, die die statistische Verteilung
von wesentlichen Merkmalen und Struktur der Schnittbilder nachbildet.

Die im Rahmen dieser Arbeit zu entwickelnde Software soll als Plugin für
die YaDiV Software in Java realisiert werden.

Wie viele Flecken sind hier zu sehen?

Oft übersehen wird dabei die Frage, ob die darstellbaren Farb- oder Grauwerte auch optisch auseinandergehalten werden können. Im DICOM Standard wurden dazu umfangreiche Untersuchungen durchgeführt und für die medizinische Befundung spezielle Monitore und Kalibrierungstechniken gefordert. Wie aber sieht es auf normalen LCD Monitoren aus, die z.B. in der präoperativen Planung verwendet werden?

Am Institut für Mensch-Maschine-Kommunikation wird aktuell ein Raum für Forschung in Bereich Virtual-Reality ausgestattet. In einer Reihe von studentischen Arbeiten sollen daher kleinere Anwendungen für die einzelnen Komponenten dieses VR-Raums entwickelt werden. Diese sollen in erster Linie für nachfolgende Arbeiten die Verwendung der vorhandenen Programmierschnittstellen demonstrieren. Es soll aber auch die Leistungsfähigkeit der Geräte und vor allem deren Grenzen analysiert
werden.

Eine dieser Komponenten ist ein Datenhandschuh, der die Gelenkstellungen einer Hand erfassen kann. Mithilfe dieses Geräts soll ein System entwickelt werden, das die Steuerung von Anwendungen durch Gesten ermöglichen soll. Dazu soll im Rahmen dieser Arbeit die Ansteuerung des Datenhandschuhs und dessen Einbindung in ein bestehendes Framework realisiert werden. Die Möglichkeit der Erkennung einfacher Gesten soll dabei aufgezeigt werden.

Diese Bachelorarbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem Institut für Sportwissenschaft der Leibniz Universität Hannover und beschreibt die Entwicklung einer Applikation zur Darstellung von Szenen für die Durchführung von Wahrnehmungsversuchen.

Die Applikation soll vom Institut für Sportwissenschaft zur Untersuchung der spezifischen Wahrnehmungsfähigkeiten eingesetzt werden. Dabei wird einem Probanden eine Sequenz von Szenarien gezeigt in denen sich Kugeln auf definierten Trajektorien bewegen und sich sich in Geschwindigkeit, Größe, Farbe und Textur unterscheiden. Der Proband soll dabei frühzeitig beispielsweise Kollisionen zwischen Kugeln oder mit einem zentral aufgestellten Pylonen erkennen. Dabei sollen Korrelationen zwischen der Reaktionszeit, den Objektparametern und Merkmalen der Probanden bestimmt werden.

Während der Ausarbeitung entstand eine Applikation welche ein flexibles und benutzerfreundliches Frontend bietet. Dieses schließt unter anderem die Berechnung möglicher Kollisionszeitpunkte ein. Daher wird, nach einer kurzen Anforderungsanalyse, zunächst auf ein Verfahren zur Berechnung dieser Zeitpunkte eingegangen, welches maßgeblich auf der Lösung von Gleichungen 4. Grades über geeignete Formeln basiert.

Im Folgenden wird dann auf die notwendigen Grundlagen für die Anbindung an ein Headtracking-System in Kombination mit einer Stereoprojektion eingegangen. Dabei wird auf die mathematischen Hintergründe eingegangen, welche für die Umsetzung der Projektion notwendig waren. Dies schließt Verfahren wie die Augenseparation und die Transformation der Sichtebene abhängig von der Betrachterposition ein.

Abschließend erfolgt eine Erläuterung der Softwarearchitektur, welche maßgeblich auf Basis der Anforderungen spezifiziert wurde. Dabei wird aufgezeigt, wie durch die Strukturierung der Software eine zukünftige Erweiterbarkeit gewährleistet werden konnte.

Virtuelle Realität ist die Darstellung der Wirklichkeit und ihrer physikalischen Eigenschaften in einer in Echtzeit computergenerierten virtuellen Umgebung. Neben der optischen und akustischen Wahrnehmung kann auch die taktile Wahrnehmung in der virtuellen Umgebung ermöglicht werden. Unter taktiler Wahrnehmung wird das Erkennen von Druck, Berührung und Vibrationen auf der Haut verstanden. Im Gegensatz zur haptischen Interaktion mit virtuellen Gegenständen über Kraftrückkopplungssysteme wurde die taktile Simulation feiner Oberflächenstrukturen bisher wenig erforscht. Am Lehrstuhl für Graphische Datenverarbeitung wurden verschiedene Experimente mit einem taktilen Display (siehe Bild) durchgeführt. In dieser Arbeit soll ein weiterer Algorithmus zur taktilen Simulation von Oberflächenstrukturen untersucht werden. Dazu ist es unter anderem notwendig, die Firmware des taktilen Displays anzupassen.

In the recent years the visual illusion of virtual reality systems has reached a convincing level. But a more important factor, the interaction with the virtual environment, is still far away from being natural. Thus research groups investigate methods to enrich interaction by adding the haptic modality.

This talk will present a part of the work within the eu-funded research group of HAPTEX, which aims to mediate the experience of touch and feel of virtual textiles .

f1(x1, x2, . . . , xn) = 0
f2(x1, x2, . . . , xn) = 0
...
fs(x1, x2, . . . , xn) = 0