Im Fokus dieser Arbeit steht die Entwicklung und Realisierung einer Nutzerschnittstelle für die computergestützte Bearbeitung von Oberflächen dreidimensionaler Designobjekte, die durch herkömmliche CAD-Systeme nur unzureichend unterstützt werden können. Es werden Methoden und Algorithmen erarbeitet, um die Interaktion des Benutzers direkt auf Basis der für das Design relevanten 3D Objektoberflächen zu ermöglichen. Den Ausgangspunkt bildet das Proxy-Konzept des Forschungsfeldes zur Mensch-Maschine-Interaktion, in welchem physische Stellvertreterobjekte zur Manipulation virtueller Objekte genutzt werden. Im ersten Teil der Arbeit wird dieses Konzept um eine auf die Oberfläche des bearbeiteten Objektes bezogene Interaktion und Designfunktionalität erweitert. Dazu wird das Konzept eines CAD-Proxys entwickelt und verschiedene Umsetzungen und Anwendungen erläutert. Dabei werden die CAD-Proxys in drei Typen unterschieden. Der exakte CAD-Proxy ermöglicht es, ein virtuelles Objekt mit einem formgleichen, physischen Gegenstück zu bearbeiten. Beim abstrakten CAD-Proxy wird gezeigt, wie auch ein anders geformtes Gegenstück zum Einsatz kommen kann. Der augmentierte CAD-Proxy erlaubt die Anzeige des Designs direkt auf dem physischen Gegenstück. Nutzerstudien belegen, dass die CAD-Proxys zur Erstellung eines Designs auf einer Oberfläche deutlich besser geeignet sind als eine klassische Nutzerschnittstelle. Dies gilt insbesondere für anspruchsvolle Designaufgaben, etwa im künstlerischen Design. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Verarbeitung von Linienzügen im Gestaltungsprozess eingeführt, welche das Konzept der aktiven Konturen auf Oberflächen erweitern. Diese Linienzüge werden auf die Form der Oberfläche bezogen verarbeitet und beachten gleichzeitig wichtige Merkmale, wie bspw. die Kanten des Objektes. Es wird ein neues Verfahren vorgestellt, mit dem aktive Konturen auch auf schlecht vernetzten Oberflächen eingesetzt werden können und gleichzeitig Formen flexibler repräsentieren können als bisherige Ansätze. Für den Bezug der Designlinien zur Oberfläche wird eine neue Datenstruktur eingeführt, die ein geometrisches Nachbarschaftsproblem löst. Es wird gezeigt, dass diese Struktur auf den getesteten Objekten mindestens um Faktor 14 schneller ist als alternative Ansätze und auch direkt auf andere Problemstellungen anwendbar ist. Der dritte Teil enthält die Betrachtungen zum Formverständnis der Designobjekte, welche für die Designlinien und die Modellierung der Designobjekte benötigt werden. Dabei kommt die Krümmungsberechnung als etabliertes Werkzeug derartiger Analysen zum Einsatz. Hier wird eine neue Betrachtung erarbeitet, die den Einfluss unterschiedlicher Faktoren auf die Genauigkeit der Krümmungsschätzung und auf die Eignung verschiedener Schätzungsverfahren erstmals umfassend untersucht. Durch die Kombination existierender Verfahren kann das Verfahren der Shape Operator Approximation entwickelt werden, welches Eigenschaften wie Schätzungsgenauigkeit, Performanz und eine einfache Formulierung bekannter Verfahren vereint.

Virtuelle Realität (VR) wird seit Jahrzehnten in Industrie und Forschung sowie im Unterhaltungssektor genutzt. Dabei sind die verwendeten VR-Systeme meist nur auf einen Nutzer ausgelegt, wodurch es für andere Betrachter zu perspektivischen Verzerrungen kommt. Um mehreren Personen ein visuell gleichberechtigtes Nutzen des VR-Systems zu ermöglichen, muss jedem Nutzer eine individuelle Perspektive vermittelt werden. Es wird ein Klassifikationsschema vorgestellt, anhand dessen für verschiedene Interaktionsszenarien Anforderungen für eine derartige Hardwareumsetzung ableitbar sind. Um ausgewählte Aspekte der Mehrbenutzerinteraktionen zu untersuchen, wurde eine Prototypenplattform erstellt, mit der eine vielfältige Palette von Interaktionsszenarien für zwei Nutzer umgesetzt werden kann. Eine parallel zu dieser Arbeit entstandene mehrbenutzerfähige Powerwall und eine Erweiterung dieser zu einer L-Bench wurden genutzt, um mit zwei Studien ausgewählte Aspekte der Interaktion mehrerer Benutzer in VR empirisch zu untersuchen. Dazu wurden zwei Anwendungen kreiert: ein Puzzlespiel, welches eine Informationsasymmetrie zwischen den Nutzern simuliert, sowie ein Objekteinpassungsspiel, welches die Interaktion um eine körperliche Komponente erweitert. Mit diesen wurde untersucht, welche Sichtwechselmetapher zur Auflösung der Asymmetrie am besten geeignet ist.

Motion capture is the process to record the movement of a human. To accomplish this, a hybrid tracking system is used. It combines an optic tracking system with a magnetic one to compensate shortcomings and effectively use their advantages. Another part of this work copes with the conversion of the tracking data into skeletal information and related topics like skeleton definition, skeleton fitting or parameterization of joint rotations. / Mittels Motion Capture werden die Bewegungen eines Menschen in computerlesbare Form überführt. Dazu wird ein hybrides Trackingsystem verwendet, das durch Kombination eines optischen mit einem magnetischen System entsteht und die Schwächen der Einzelsysteme kompensiert. Neben der Realisierung dieses Hybridsystems steht die Übertragung der gewonnenen Bewegungsdaten auf ein Skelettmodell und damit verbundene Fragen, wie Skelettdefinition, Skelettanpassung oder Beschränkung der Gelenkrotationen im Vordergrund.

The analysis of heterogeneous, complex data sets has become important in many scientific domains. With the help of scientific visualization, researchers can be supported in exploring their research results. One domain, where researchers have to deal with spatio-temporal data from different sources including simulation, observation and time-independent data, is meteorology. In this thesis, a concept and workflow for the 3D visualization of meteorological data was developed in cooperation with domain experts. Three case studies have been conducted based on the developed concept. In addition, the concept has been enhanced based on the experiences gained from the case studies. In contrast to existing all-in-one software applications, the proposed workflow employs a combination of existing software applications and their extensions to make a variety of already implemented visualization algorithms available. The workflow provides methods for data integration and for abstraction of the data as well as for generating representations of the variables of interest. Solutions for visualizing sets of variables, comparing results of multiple simulation runs and results of simulations based on different models are presented. The concept includes the presentation of the visualization scenes in virtual reality environments for a more comprehensible display of multifaceted data. To enable the user to navigate within the scenes, some interaction functionality was provided to control time, camera, and display of objects. The proposed methods have been selected with respect to the requirements defined in cooperation with the domain experts and have been verified with user tests. The developed visualization methods are used to analyze and present recent research results as well as for educational purposes. As the proposed approach uses generally applicable concepts, it can also be applied for the analysis of scientific data from other disciplines. / In nahezu allen Wissenschaftsdisziplinen steigt der Umfang erhobener Daten. Diese sind oftmals heterogen und besitzen eine komplexe Struktur, was ihre Analyse zu einer Herausforderung macht. Die wissenschaftliche Visualisierung bietet hier Möglichkeiten, Wissenschaftler bei der Untersuchung ihrer Forschungsergebnisse zu unterstützen. Eine der Disziplinen, in denen räumlich-zeitliche Daten aus verschiedenen Quellen inklusive Simulations- und Observationsdaten eine Rolle spielen, ist die Meteorologie. In dieser Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Experten der Meteorologie ein Konzept und ein Workflow für die 3D-Visualisierung meteorologischer Daten entwickelt. Dabei wurden drei Fallstudien erarbeitet, die zum einen auf dem erstellten Konzept beruhen und zum anderen durch die während der Fallstudie gesammelten Erfahrungen das Konzept erweiterten. Der Workflow besteht aus einer Kombination existierender Software sowie Erweiterungen dieser. Damit wurden Funktionen zur Verfügung gestellt, die bei anderen Lösungsansätzen in diesem Bereich, die oft nur eine geringere Anzahl an Funktionalität bieten, nicht zur Verfügung stehen. Der Workflow beinhaltet Methoden zur Datenintegration sowie für die Abstraktion und Darstellung der Daten. Es wurden Lösungen für die Visualisierung einer Vielzahl an Variablen sowie zur vergleichenden Darstellung verschiedener Simulationsläufe und Simulationen verschiedener Modelle präsentiert. Die generierten Visualisierungsszenen wurden mit Hilfe von 3D-Geräten, beispielsweise eine Virtual-Reality-Umgebung, dargestellt. Die stereoskopische Projektion bietet dabei die Möglichkeit, diese komplexen Daten mit verbessertem räumlichem Eindruck darzustellen. Um dem Nutzer eine umfassende Analyse der Daten zu ermöglichen, wurden eine Reihe von Funktionen zur Interaktion zur Verfügung gestellt, um beispielsweise Zeit, Kamera und die Anzeige von 3D-Objekten zu steuern. Das Konzept und der Workflow wurden entsprechend der Anforderungen entwickelt, die zusammen mit Fachexperten definiert wurden. Des Weiteren wurden die Anwendungen in verschiedenen Entwicklungsstadien durch Nutzer getestet und deren Feedback in die Entwicklung einbezogen. Die Ergebnisse der Fallstudien wurden von den Wissenschaftlern benutzt, um ihre Daten zu analysieren, sowie diese zu präsentieren und in der Lehre einzusetzen. Da der vorgeschlagene Workflow allgemein anwendbare Konzepte beinhaltet, kann dieser auch für die Analyse wissenschaftlicher Daten anderer Disziplinen verwendet werden.

Die Produktvisualisierung in AR/VR-Anwendungen erfordert einen weitgehend manuellen Prozess der Datenaufbereitung. Bisherige Veröffentlichungen konzentrieren sich auf die fehlerfreie Triangulation oder Transformation von Produktstrukturdaten und Anzeigeattributen für AR/VR-Anwendungen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Aufbereitung der benötigten Geometriedaten. In diesem Zusammenhang kann durch Automatisierung eine deutliche Aufwandsreduzierung erreicht werden. Die Schritte der Geometrieaufbereitung werden identifiziert und auf ihr Automatisierungspotenzial hin untersucht. Darüber hinaus werden mögliche Kopplungen von Teilschritten diskutiert. Es wird eine Struktur für den Geometrieaufbereitungsprozess vorgeschlagen. Mit diesem strukturierten Prozess wird es möglich, die verfügbare Rechenleistung der Zielplattform bei der Geometrieaufbereitung zu berücksichtigen. Die Anzahl der zu rendernden Objekte, die Qualität der Tesselierung und der Detailgrad können durch die automatisierte Wahl der Transformationsparameter gesteuert werden. Es wird ein Software-Tool vorgestellt, in dem Teile der automatischen Aufbereitung bereits implementiert sind. Nach einer Analyse der Produktstruktur einer CAD-Datei wird die Transformation für jede Komponente (Bauteil oder Baugruppe) durchgeführt. Bisher implementierte Funktionen erlauben z.B. die Auswahl von Komponenten anhand von Filteroptionen, die Transformation im Batch-Modus, das Entfernen bestimmter Details und die Erstellung von UV-Maps. Flexibilität, Transformationsqualität und Zeitersparnis werden beschrieben und diskutiert.

Aus der Einleitung "Der Einsatz von Virtual Reality (VR) Methoden in der Fabrikplanung und Absicherung ist bei großen produzierenden Unternehmen heute in allen Phasen des Produktentwicklungsprozesses (PEP) „State of the Art“ (Runde 2012). Virtual Reality ermöglicht die frühzeitige Visualisierung eines Entwicklungsstands in Originalgröße. Dadurch lassen sich Design- oder Konzeptentwürfe visualisieren, frühzeitig Fehler erkennen und Absicherungen hinsichtlich Ergonomie, oder Ein- und Ausbauuntersuchung durchführen (Rademacher, 2014). Diese Absicherungen, insbesondere die Prüfung von Produktionsanlagen wird heute vor allem mit statische Modellen durchgeführt (Westkämper & Runde 2006). Weiterhin resultiert die zunehmende Vernetzung und Intelligenz von Produktionsanlagen im Kontext von Industrie 4.0 in hochkomplexen Anlagensteuerungen. Zur frühzeitigen Überprüfung der Datenquellen bzw. Planungsdaten für die reale Anlage hinsichtlich ihrer Korrektheit, Vollständigkeit und Konsistenz bereits während der Entwicklung werden daher zunehmend auch Techniken der funktionellen Virtualisierung eingesetzt. ..."

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Virtual Reality (VR) is used for a variety of applications ranging from entertainment to psychological medicine. VR has been demonstrated to influence higher order cognitive functions and cortical plasticity, with implications on phobia and stroke treatment. An integral part for successful VR is a high sense of presence – a feeling of ‘being there’ in the virtual scenario. The underlying cognitive and perceptive functions causing presence in VR scenarios are however not completely known. It is evident that the brain function is influenced by drugs, such as ethanol, potentially confounding cortical plasticity, also in VR. As ethanol is ubiquitous and forms part of daily life, understanding the effects of ethanol on presence and user experience, the attitudes and emotions about using VR applications, is important. This exploratory study aims at contributing towards an understanding of how low-dose ethanol intake influences presence, user experience and their relationship in a validated VR context. It was found that low-level ethanol consumption did influence presence and user experience, but on a minimal level. In contrast, correlations between presence and user experience were strongly influenced by low-dose ethanol. Ethanol consumption may consequently alter cognitive and perceptive functions related to the connections between presence and user experience.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erarbeitung eines Planungssystems, wo mit Hilfe des Konzeptes der virtuellen Realität, das effektive Fördervolumen von vorschublosen Schaufelradbaggern im Kopfblockverhieb für beliebige Schneidwiderstände, Scheibenzusammensetzungen, Schneid- und Blockgeometrien bestimmt werden kann. Hierzu wurden am Schaufelradbagger 1510 SRs 6300.50.15 im Braunkohlentagebau Nochten intensive Feldmessungen des Schneidwiderstandes sowie des effektiven Fördervolumens durchgeführt. Besonderes Augenmerk wurde auf Fördervolumenverluste gelegt, welche durch Brems- und Beschleunigungsvorgänge des Radauslegers an den Schwenkenden entstehen. Der Einfluss dieser Fördervolumenverluste an den Schwenkenden wurde analysiert und bewertet. Durch umfangreiche VR Simulationen konnten für den Schaufelradbagger SRs 6300 im Tagebau Nochten optimierte Technologieparameter (Scheibenhöhe, Spantiefe) vorgeschlagen werden.

Life science today involves computational analysis of a large amount and variety of data, such as volumetric data acquired by state-of-the-art microscopes, or mesh data from analysis of such data or simulations. The advent of new imaging technologies, such as lightsheet microscopy, has resulted in the users being confronted with an ever-growing amount of data, with even terabytes of imaging data created within a day. With the possibility of gentler and more high-performance imaging, the spatiotemporal complexity of the model systems or processes of interest is increasing as well. Visualisation is often the first step in making sense of this data, and a crucial part of building and debugging analysis pipelines. It is therefore important that visualisations can be quickly prototyped, as well as developed or embedded into full applications. In order to better judge spatiotemporal relationships, immersive hardware, such as Virtual or Augmented Reality (VR/AR) headsets and associated controllers are becoming invaluable tools. In this work we present scenery, a modular and extensible visualisation framework for the Java VM that can handle mesh and large volumetric data, containing multiple views, timepoints, and color channels. scenery is free and open-source software, works on all major platforms, and uses the Vulkan or OpenGL rendering APIs. We introduce scenery's main features, and discuss its use with VR/AR hardware and in distributed rendering. In addition to the visualisation framework, we present a series of case studies, where scenery can provide tangible benefit in developmental and systems biology: With Bionic Tracking, we demonstrate a new technique for tracking cells in 4D volumetric datasets via tracking eye gaze in a virtual reality headset, with the potential to speed up manual tracking tasks by an order of magnitude. We further introduce ideas to move towards virtual reality-based laser ablation and perform a user study in order to gain insight into performance, acceptance and issues when performing ablation tasks with virtual reality hardware in fast developing specimen. To tame the amount of data originating from state-of-the-art volumetric microscopes, we present ideas how to render the highly-efficient Adaptive Particle Representation, and finally, we present sciview, an ImageJ2/Fiji plugin making the features of scenery available to a wider audience.:Abstract Foreword and Acknowledgements Overview and Contributions Part 1 - Introduction 1 Fluorescence Microscopy 2 Introduction to Visual Processing 3 A Short Introduction to Cross Reality 4 Eye Tracking and Gaze-based Interaction Part 2 - VR and AR for System Biology 5 scenery — VR/AR for Systems Biology 6 Rendering 7 Input Handling and Integration of External Hardware 8 Distributed Rendering 9 Miscellaneous Subsystems 10 Future Development Directions Part III - Case Studies C A S E S T U D I E S 11 Bionic Tracking: Using Eye Tracking for Cell Tracking 12 Towards Interactive Virtual Reality Laser Ablation 13 Rendering the Adaptive Particle Representation 14 sciview — Integrating scenery into ImageJ2 & Fiji Part IV - Conclusion 15 Conclusions and Outlook Backmatter & Appendices A Questionnaire for VR Ablation User Study B Full Correlations in VR Ablation Questionnaire C Questionnaire for Bionic Tracking User Study List of Tables List of Figures Bibliography Selbstständigkeitserklärung