In diesem Preprint wird die Weiterentwicklung der 3D-FEM Software SPC-PM3Adh-XX kurz vorgestellt. Die Einleitung beschreibt schematisch den Ablauf des Programms und sechs Programmversionen. Weiterhin werden die allgemeinen Bedienungsanleitungen und die Funktionalität der einzelnen Versionen aufgeführt. Im letzten Abschnitt, dem Anhang, werden kurz das Standardfile und das Radiale Basisfunktionen-Datenfile erklärt.

Während in der industriellen Schuhherstellung viele Schritte im Fertigungsprozess des Produktes Schuh bereits computergestützt ablaufen, wird der Bereich des Schuhdesigns erst langsam durch neue Technologien unterstützt. Mehrere Herausforderungen ergeben sich durch diesen Schritt, deren Bewältigung auch einen wichtigen Beitrag im virtuellen Design anderer Produkte liefern kann. Dazu zählen Erkenntnisse in den Bereichen der individuell auf Maß gefertigten Produkte, der intuitiven Konstruktion der Produktbestandteile und der haptischen Interaktion mit den virtuellen Prototypen. Die vorliegende Arbeit soll einen detaillierten Einblick in die im Rahmen des Forschungsprojektes "Dreidimensionales Stiefeldesign auf der Grundlage realer Beinmessdaten" bearbeiteten Themengebiete geben. Die wissenschaftliche Ausarbeitung wird zur weiteren Verwendung der Forschungsergebnisse durch einen realistischen technischen Detailgrad ergänzt.:1. Einleitung 4 1.1. Bezug zum Forschungsprojekt 1.2. Zielstellung und Organisation 2. 3D-Modellierung des Unterschenkels und Zusammenführung mit dem Leistenmodell 2.1. Problemstellung 2.2. Formfindung und -erstellung 2.2.1. Zusammenführung mit 3D-Beinscan 2.2.2. Zusammenführung mit Approximation des 3D-Beinscans 2.2.3. Zusammenführung mit umfangsbasierter Approximation 2.3. Auswertung 2.4. Erweiterte geometrische Betrachtungen 2.4.1. Ausrichtung des Leistenmodells 2.4.2. Zusammenführung Leisten- und Schaftmodell 3. Konzeption eines Arbeitsplatzes zum dreidimensionalen Stiefeldesign 3.1. Spezifikation 3.1.1. Mechanischer Aufbau 3.1.2. Softwaretechnologischer Teil 3.2. Konzept 3.2.1. Haptisches Interaktionsgerät 3.2.2. Sekundäres Eingabegerät 3.2.3. Display 3.2.4. Aufbau Arbeitsplatz 3.2.5. Visualisierung 3.2.6. Traditionelle Mausinteraktion 3.2.7. Programmsteuerung 3.2.8. Navigation 3.2.9. Gesamtkonzept 3.3. Umsetzung 4. Stiefelspezifische Designelemente 4.1. Designlinien-basierte Eingabe 4.1.1. Skizzeninterpretation 4.1.2. Modifikation der Designlinien 4.1.3. Semantische Untersuchung in der Modellierung 4.1.4. Zusammenfassung 4.2. Darstellungs- und Modellierungskonzept 4.2.1. Grundlagen des Texture Mappings 4.2.2. Geometriesimulation durch Relief Mapping 4.2.3. GPU-basierte Modifikation 4.2.4. Auswertung 4.3. Schaftbestandteile 4.3.1. Schaftmaterial 4.3.2. Nähte 4.3.3. Accessoires 4.3.4. Reißverschluss 4.3.5. Schnürsenkel 4.3.6. Materialdetail 4.3.7. Falten 4.4. Externalisierte Spezifikation 4.5. Zusammenfassung und Ausblick 5. Generierung einfacher Sohlen 5.1. Extraktion der Sohlenlinie 5.1.1. Formbetrachtung am Leisten 5.1.2. Problemstellung und Lösungsansätze 5.1.3. Aktive Konturen 5.1.4. Umsetzung 5.2. Sohlenmodell 5.2.1. Anforderungsanalyse 5.2.2. Spezifikation 5.2.3. Erzeugung 6. Designbewertung und Anpassung 6.1. Werkzeuge zur Bemessung 6.2. Vergleich und Anpassung 6.3. Externalisierte Beurteilung 7. Export in CAD 8. Zusammenfassung A. Prototypen

Manufacturing of thermoplastic composite based on textile preforms made from hybrid yarns is well suited for the production of fiber-reinforced plastic (FRP) in medium- and large-scale production runs. Especially, the consolidation of thermoplastic FRP is currently complicated by the high viscosity of molten material. Woven multilayered and z-reinforced NCF-preforms are very interesting for FRP supposed to withstand threedimensional loading and impact stress. These preforms with z-directional reinforcement improve the FRP delamination behavior and out-of-plane characteristics. The wellknown composite parameters are essential to ensure the use of these materials in a wide range of applications.

Felsic phenocrysts of the laccoliths have straight size distributions (characteristic lengths 3.4 to 36 mm) and R-values from 1.34 to 0.78 (randomly distributed, no touching frameworks). Laccoliths have crystallinities from 10 to 30%. Textural coarsening possibly played a role in crystallization history. Serial sectioning reveals true shapes, sizes and three dimensional size distributions, non-touching frameworks, aspect ratios from 1.7:1.5:1 to 8.7:1.9:1 and a minimum sampling size of ~200 crystals. Different textural varieties develop late in system evolution and differed in density (~1%), viscosity and, thus, level of emplacement. Phenocryst populations formed on a timescale between 10 days and 2000 years, growth during emplacement is negligible. Models for filling and cooling of laccoliths suggest timescales from few 100 to ~20000 years. Contacts of laccoliths appear brecciated and sometimes show intercalation of magma and host sediment under ductile deformation. Dimensions of laccoliths plot in the field for such intrusions on a logarithmic width vs. thickness plot. Laccoliths intruded as distinct magma batches. More laccoliths than recognised before can be distinguished. Comparing felsic laccolith complexes in Late Palaeozoic transtensional basins, gives rise to new types of laccolith complexes termed Donnersberg and Halle type.

Die dreidimensionale Positionsbestimmung unter Tage ist eine in der bergbautechnischen Praxis häufig gestellte Aufgabe. Die derzeit gebräuchlichen Verfahren basieren überwiegend auf zahlreichen relativen Messungen zwischen Festpunkten an der Erdoberfläche und dem zu bestimmenden Punkt unter Tage. Das hier vorgestellte Verfahren ist ein im geodätischen Sinn absolutes Verfahren. Die Punktbestimmung erfolgt direkt mit Hilfe der Festpunkte über Tage und dem unbekannten Punkt unter Tage. Relative Messungen zu benachbarten Punkten sind nicht notwendig. Die Grundlage des Verfahrens bildet die zeitliche Erfassung transienter elektromagnetischer Felder an einem zu bestimmenden Punkt unter Tage. Die Quellen dieser Felder sind gleichstromdurchflossene Drahtschleifen an der Erdoberfläche, die näherungsweise magnetische Dipole darstellen. Nach Abschalten des Stromes zerfällt das statische Magnetfeld und induziert elektrische Ströme in der leitfähigen Erde. Das transiente Magnetfeld wird unter Tage an einem Punkt für verschiedene Senderpositionen aufgezeichnet. Mit Hilfe eines Inversionsalgorithmus werden letztlich die dreidimensionalen Koordinaten des Messpunktes bestimmt. / Three-dimensional positioning in mines and caves is a common challenge. The methods currently used are based on numerous relative measurements. The method presented here is an absolute procedure in a geodesic sense. The coordinates of the unknown point are directly calculated using the surface points and the point underground. Relative measurements to neighboring points are not necessary. The localization procedure is based on recording transient electromagnetic fields under-ground. They are generated at the surface using direct-current carrying wire loops, which approximately represent magnetic dipoles. After shutoff the static magnetic field decays and induces electric currents in the conductive Earth. The transient electromagnetic field is recorded at an unknown point in the subsurface for different source positions. Finally, the three-dimensional coordinates of this point are reconstructed using an inversion algorithm.

Immer mehr Produkte des alltäglichen Lebens besitzen elektronische Funktionalitäten durch Beleuchtungselemente, Speicher und Displays. Aufgrund der Positionierung im Massenmarkt werden häufig zweidimensionale Leiterplatten verwendet, die schnell und effektiv bestückt werden können. In der Folge ist die Freiheit der Formgebung allerdings stark eingeschränkt. Ein vielversprechender Ansatz ist die Umsetzung dreidimensionaler Elektronik. Eine bekannte Alternative sind 3D-MIDs (3D Molded Interconnect Divices). Bei den klassischen MID-Herstellungsverfahren werden spritzgegossene dreidimensionale Formteile hergestellt (Franke 2013). Anschließend erfolgt die Bedruckung von Leiterbahnen und bspw. die Bestückung von einfachen SMD-Bauteilen (Surface-Mounted Device). Die so entstehende dreidimensionale Elektronik ermöglicht die Umsetzung neuer Funktionen z.B. in der Sensorik oder Aktorik bei gleichzeitig reduziertem Gewicht (Orlob et al. 2009). Damit sind sie insbesondere für den Leichtbau in der Automobil- und Luftfahrtindustrie geeignet. Die Entwicklung entsprechender Fertigungsverfahren, -technologien und -linien ist derzeit der Fokus zahlreicher Forschungen. Da diese Verfahren technisch aufwendig und teilweise nicht vollständig automatisiert sind (Schierbaum 2017), bleibt die Hauptherausforderung einer breiten Anwendung weiterhin bestehen. Konventionell hergestellte dreidimensionale Elektronik ist aufgrund der hohen Kosten sowie der geringen Produktionsgeschwindigkeit nicht massenproduktionstauglich, was insbesondere in der Elektronikbranche eine grundlegende Voraussetzung darstellt. Ein breiter Einsatz ist damit eingeschränkt. Einen neuen Ansatz bietet das Thema Conformable Electronics. Im Gegensatz zu dem 3D-MID-Verfahren wird die Bedruckung und Bestückung konventionell im planaren Zustand durchgeführt. Erst in einem letzten Schritt erfolgt die Formgebung. Auf diesem Weg soll eine kostengünstige Herstellung von dreidimensionaler Elektronik ermöglicht werden. Im Folgenden wird die Vision eines Produktionsprozesses von dreidimensionaler Elektronik in großen Stückzahlen mit dem Fokus auf die Formgebung vorgestellt. Im Anschluss wird die Methode zur Entwicklung von Designs und der damit verbundenen Auswahl von Materialien erläutert. Eine große Bedeutung hat die Kombination der experimentellen und numerischen Simulation inne. Abschließend wird beispielhaft dargestellt, wie zukünftig eine Auslegung von Conformable Electronics erfolgen kann. [... aus der Einleitung]

Die extensive Zunahme von lebendigem Wachstum am Beispiel der mathematischen Fibonacci-Folge ergibt räumliche Strukturen von eigentümlichen Stülpungen und Auffaltungen, die den universellen Gesetzmäßigkeiten des Kosmos gehorchen. Solche mathematisch-abstrakten Ideen wollte ich dreidimensional in Skulpturen umsetzen und versuchte erst vergeblich, mir die daraus enstehenden räumlichen Körper rein imaginär vorzustellen und zeichnerisch oder klassisch skulptural umzusetzen – doch erst als mir die Idee kam, entlang dieser Gesetzmäßigkeiten zu häkeln, gelang es.

Knochenwachstumsfaktoren (Bone Morphogenetic Proteins, BMPs) sind ubiquitäre, sekretierte Proteine mit vielfältigen biologischen Funktionen. Die Vielfalt an zellulären Prozessen, die durch BMPs reguliert werden, von der Knochenentwicklung und Organhomöostase bis hin zur Neurogenese, erstaunt – und wirft angesichts von teils redundanten, teils spezifischen Funktionen der BMPs Fragen zu den Mechanismen ihrer Signalübermittlung auf. Die Signaltransduktion von BMPs erfolgt wie bei den strukturell verwandten TGF-βs und Activinen durch die ligandeninduzierte Oligomerisierung von transmembranen Serin/Threonin-Kinaserezeptoren, von denen zwei Typen – Typ I und Typ II – existieren. Einer Vielzahl von mehr als 18 BMP-Liganden stehen nach derzeitigem Erkenntnisstand nur vier Typ I und drei Typ II Rezeptorsubtypen für die Bildung von heteromeren Rezeptorkomplexen zur Verfügung. Ein BMP-Ligand kann hochspezifisch nur einen bestimmten Rezeptorsubtyp oder in einer promisken Art und Weise mehrere Rezeptorsubtypen binden. Trotz dieser Bindungspromiskuität üben BMPs ihre biologische Funktion überwiegend hochspezifisch aus, d.h. abhängig vom Liganden werden spezifische zelluläre Prozesse reguliert. Somit stellt sich die Frage, wie die Bildung von heteromeren Ligand-Rezeptor-Komplexen und die Aktivierung definierter intrazellulärer Signalkaskaden zusammenhängen und wie letztlich ein bestimmtes BMP-Signal durch einen „Flaschenhals“, repräsentiert durch die begrenzte Anzahl an Rezeptorsubtypen, in das Zellinnere übermittelt wird. Die Interaktionen zwischen BMP-2 / GDF-5 und den Typ I Rezeptoren BMPR-IA / BMPR-IB sind ein Paradebeispiel für Bindungspromiskuität und -spezifität. Während BMP-2 beide Rezeptoren BMPR-IA und BMPR-IB mit gleicher Bindungsaffinität bindet („promiske Interaktion“), zeigt GDF-5 eine 15-20fach höhere Bindungsaffinität zu BMPR-IB („spezifische“ Interaktion). Dieser Unterschied ist scheinbar gering, aber physiologisch überaus relevant. Um Einblick in die Mechanismen der molekularen Erkennung zwischen den Bindungspartnern zu gewinnen, wurden binäre und ternäre Komplexe aus den Liganden BMP-2 oder GDF-5, den extrazellulären Domänen der Typ I Rezeptoren BMPR-IA oder BMPR-IB sowie der extrazellulären Domäne des Typ II Rezeptors ActR-IIB untersucht. Die hier vorliegende Arbeit beschreibt die strukturelle und funktionelle Analyse dieser Ligand-Rezeptor-Komplexe. Um den Einfluss struktureller Flexibilität auf die BMP Typ I Rezeptor Erkennung näher zu analysieren, wurde zudem die Struktur von BMPRIA in freiem Zustand mittels NMR-Spektroskopie aufgeklärt. Aus Mutagenesedaten und der Kristallstruktur des GDF-5•BMPR-IB-Komplexes lassen sich im Vergleich zu bekannten Kristallstrukturen Merkmale ableiten, mit denen die Ligand-Rezeptor-Bindung und -Erkennung charakterisiert werden kann: (1) Die Hauptbindungsdeterminanten in Komplexen von BMPR-IA und BMPR-IB mit ihren Liganden sind unterschiedlich. Während in Komplexen mit BMPR-IB ein hydrophobes Motiv die Bindungsaffinität bestimmt, trägt in Komplexen mit BMPR-IA eine polare Interaktion signifikant zur Bindungsenergie bei. Ein Vergleich der Strukturen von freien und gebundenen Liganden und Typ I Rezeptoren zeigt, dass interessanterweise diese Hauptbindemotive erst bei der Ligand-Rezeptor-Interaktion entstehen, sodass ein „induced fit“ vorliegt und die Moleküle entsprechend „aufeinander falten“. (2) Die Bindungsspezifität wird durch periphere Schleifen in den Typ I Rezeptoren bestimmt. Wie Untersuchungen von Punktmutationen in BMPR-IA zeigen, die einer krebsartigen Darmerkrankung (Juvenile Polyposis) zugrunde liegen, führt erst die „richtige“ Kombination aus Flexibilität in den Schleifen und Rigidität des Rezeptorgrundgerüsts zu signalaktiven Typ I Rezeptoren mit einer potentiell den Liganden komplementären Oberfläche. Die mangelnde sterische Komplementarität von Ligand- und Rezeptoroberflächen führt zu der niedrigeren Bindungsaffinität von GDF-5 zu BMPR-IA im Vergleich zu BMPR-IB. Interessanterweise zeigen die hier vorgestellten, hochaufgelösten Strukturdaten, dass die Orientierungen/Positionen der Typ I Rezeptoren BMPR-IA und BMPR-IB in den Bindeepitopen der Liganden BMP-2 und GDF-5 variieren. Unter der Voraussetzung, dass die extrazelluläre Domäne, das Transmembransegment und die intrazelluläre Domäne der Typ I Rezeptoren ein starres Element bilden, sollte sich die unterschiedliche Orientierung der extrazellulären Domänen der Typ I Rezeptoren in der Anordnung der Kinasedomänen widerspiegeln und sich auf die Signaltransduktion auswirken. Möglicherweise ist eine bestimmte Anordnung der Kinasedomänen der Typ I und Typ II Rezeptoren für eine effiziente Phosphorylierung bzw. Signaltransduktion erforderlich. Der Vergleich mehrerer Ligand-Typ I Rezeptor-Komplexe zeigt, dass die unterschiedliche Orientierung dieser Rezeptoren möglicherweise vom Liganden abhängt. Angesichts der Bindungspromiskuität unter BMP-Liganden und -Rezeptoren könnten so spezifische Signale übermittelt und spezifische biologische Funktionen reguliert werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Erkenntnisse tragen wesentlich zur strukturellen Charakterisierung der Ligand-Rezeptor-Erkennung in der BMP-Familie bei. Die Frage, warum trotz strukturell hoch homologer Liganden und Rezeptoren und weitgehend konservierten Bindeepitopen eine teils promiske und teils spezifische Interaktion möglich ist, kann nun für die Liganden BMP-2 und GDF-5 sowie den beiden Typ I Rezeptoren BMPR-IA und BMPR-IB beantwortet werden. / Bone morphogenetic proteins (BMPs) are ubiquitous, secreted cytokines involved in a manifold of biological functions. The diversity of cellular processes regulated by BMPs, from bone development to tissue homeostasis and neuronal processes, is amazing – and raises questions about the mechanisms of signal transduction in the light of redundant functions on the one hand, and specific functions on the other hand. Similar to structurally related activins and TGF-βs, the signal transduction of BMPs is accomplished by ligand-induced oligomerization of transmembrane BMP type I and type II serine/threonine receptor kinases. According to current knowledge, only four type I and three type II receptor subtypes are available for BMP signal transduction, facing a multitude of more than 18 BMP ligands. Binding of BMP ligands to their receptors can be highly specific meaning that only one specific receptor of either subtype is used for signaling. In contrast, many BMP ligands can recruit more than one receptor subtype, which results in binding promiscuity. However, even though receptor subtypes are bound in a promiscuous manner, only certain biological functions are triggered. Dependent on the BMP ligand, specific cellular processes are activated and regulated. This discrepancy between unspecific binding and specific signaling events and the biological response raises the question how the formation of heteromeric ligand-receptor complexes is linked to the activation of defined intracellular signaling cascades, and finally, how a certain BMP signal is transduced into the interior of the cell through a „bottleneck“ represented by the limited number of receptor subtypes. The interaction between BMP-2 / GDF-5 and the BMP type I receptors BMPR-IA / BMPR-IB is a prime example for binding promiscuity and binding specificity. BMP-2 binds BMPR-IA and BMPRIB with almost equal binding affinity („promiscuous interaction“) while GDF-5 exhibits a 15-20fold higher binding affinity to BMPR-IB („specific interaction“). Although this difference is seemingly small, it is however of considerable relevance for the physiological role of these ligands. To gain insight into the mechanisms of molecular recognition between the binding partners, binary and ternary ligand-receptor complexes consisting of BMP-2 or GDF-5, the extracellular domains of the type I receptors BMPR-IA or BMPR-IB, and the extracellular domain of the type II receptor ActRIIB were investigated. The thesis presented here describes the structural and functional analysis of these ligand-receptor complexes. To analyse the effect of structural flexibility on BMP type I receptor recognition in more detail, the structure of free BMPR-IA was determined using NMR spectroscopy. Based on data from a limited mutagenesis and the crystal structure of the GDF-5•BMPR-IB complex several characteristics concerning ligand-receptor binding and recognition can be deduced: (1) The main binding determinants in complexes of BMPR-IA and BMPR-IB with their ligands BMP-2 and GDF-5 differ. A hydrophobic binding motif determines binding affinity in complexes of BMPR-IB, whereas a polar interaction significantly contributes to binding energy in complexes of BMPR-IA. These main binding motifs are only formed during complex formation as demonstrated by a comparison between structures of free and bound ligands as well as type I receptors. Both ligand and receptor fold „onto each other“ which suggests an induced fit mechanism. (2) Binding specificity is encoded on loops at the periphery of the binding epitope of the type I receptors. Only the „appropriate“ combination between structural flexibility in the receptor loops and structural rigidity of the receptor backbone results in signal active type I receptors, as shown by analysis of single polymorphisms in BMPR-IA causing juvenile polyposis syndrome, a cancerous disease of the intestine. A lack of steric surface complementarity between GDF-5 and BMPR-IA, that cannot be overcome by structural flexibility, leads to the lower binding affinity in comparison to BMPR-IB. Interestingly, the high resolution structure of the GDF-5•BMPR-IB complex shows that the orientations/positions of BMPR-IA in the binding epitope of BMP-2 and of BMPR-IB in the binding epitope of GDF-5 vary. Assuming that the extracellular domain, the transmembrane segment, and the intracellular domain of the type I receptors form a rigid element, the different orientations of the extracellular domains should also reflect the assembly of the kinase domains and therefore, affect signal transduction. One can assume that a defined arrangement of the kinase domains of type I and type II receptors is required to allow for efficient phosphorylation and signal transduction, respectively. The comparison of several BMP ligand-type I receptor complexes suggests that the different orientations of these receptors are likely dependent on the ligand. Considering the binding promiscuity among BMP ligands and receptors such a mechanism would represent a possible way for the transmission of specific signals and regulation of specific biological functions. The insights into molecular structure and function of BMP ligands and receptors presented in this thesis contribute significantly to a more detailed understanding of their binding properties. The question why the interaction of BMP ligands and receptors is promiscuous on the one hand and specific on the other hand in spite of structurally highly homologous molecules can now be answered for BMP-2 and GDF-5 as well as BMPR-IA and BMPR-IB.

Thema dieser Arbeit sind echtzeitfähige 3D-Renderingverfahren, die 3D-Geometrie mit über der Standarddarstellung hinausgehenden Qualitäts- und Gestaltungsmerkmalen rendern können. Beispiele sind Verfahren zur Darstellung von Schatten, Reflexionen oder Transparenz. Mit heutigen computergraphischen Software-Basissystemen ist ihre Integration in 3D-Anwendungssysteme sehr aufwändig: Dies liegt einerseits an der technischen, algorithmischen Komplexität der Einzelverfahren, andererseits an Ressourcenkonflikten und Seiteneffekten bei der Kombination mehrerer Verfahren. Szenengraphsysteme, intendiert als computergraphische Softwareschicht zur Abstraktion von der Graphikhardware, stellen derzeit keine Mechanismen zur Nutzung dieser Renderingverfahren zur Verfügung.<br><br> Ziel dieser Arbeit ist es, eine Software-Architektur für ein Szenengraphsystem zu konzipieren und umzusetzen, die echtzeitfähige 3D-Renderingverfahren als Komponenten modelliert und es damit erlaubt, diese Verfahren innerhalb des Szenengraphsystems für die Anwendungsentwicklung effektiv zu nutzen. Ein Entwickler, der ein solches Szenengraphsystem nutzt, steuert diese Komponenten durch Elemente in der Szenenbeschreibung an, die die sichtbare Wirkung eines Renderingverfahrens auf die Geometrie in der Szene angeben, aber keine Hinweise auf die algorithmische Implementierung des Verfahrens enthalten. Damit werden Renderingverfahren in 3D-Anwendungssystemen nutzbar, ohne dass ein Entwickler detaillierte Kenntnisse über sie benötigt, so dass der Aufwand für ihre Entwicklung drastisch reduziert wird.<br><br> Ein besonderer Augenmerk der Arbeit liegt darauf, auf diese Weise auch verschiedene Renderingverfahren in einer Szene kombiniert einsetzen zu können. Hierzu ist eine Unterteilung der Renderingverfahren in mehrere Kategorien erforderlich, die mit Hilfe unterschiedlicher Ansätze ausgewertet werden. Dies erlaubt die Abstimmung verschiedener Komponenten für Renderingverfahren und ihrer verwendeten Ressourcen.<br><br> Die Zusammenarbeit mehrerer Renderingverfahren hat dort ihre Grenzen, wo die Kombination von Renderingverfahren graphisch nicht sinnvoll ist oder fundamentale technische Beschränkungen der Verfahren eine gleichzeitige Verwendung unmöglich machen. Die in dieser Arbeit vorgestellte Software-Architektur kann diese Grenzen nicht verschieben, aber sie ermöglicht den gleichzeitigen Einsatz vieler Verfahren, bei denen eine Kombination aufgrund der hohen Komplexität der Implementierung bislang nicht erreicht wurde. Das Vermögen zur Zusammenarbeit ist dabei allerdings von der Art eines Einzelverfahrens abhängig: Verfahren zur Darstellung transparenter Geometrie beispielsweise erfordern bei der Kombination mit anderen Verfahren in der Regel vollständig neuentwickelte Renderingverfahren; entsprechende Komponenten für das Szenengraphsystem können daher nur eingeschränkt mit Komponenten für andere Renderingverfahren verwendet werden.<br><br> Das in dieser Arbeit entwickelte System integriert und kombiniert Verfahren zur Darstellung von Bumpmapping, verschiedene Schatten- und Reflexionsverfahren sowie bildbasiertes CSG-Rendering. Damit stehen wesentliche Renderingverfahren in einem Szenengraphsystem erstmalig komponentenbasiert und auf einem hohen Abstraktionsniveau zur Verfügung. Das System ist trotz des zusätzlichen Verwaltungsaufwandes in der Lage, die Renderingverfahren einzeln und in Kombination grundsätzlich in Echtzeit auszuführen. / This thesis is about real-time rendering algorithms that can render 3D-geometry with quality and design features beyond standard display. Examples include algorithms to render shadows, reflections, or transparency. Integrating these algorithms into 3D-applications using today’s rendering libraries for real-time computer graphics is exceedingly difficult: On the one hand, the rendering algorithms are technically and algorithmically complicated for their own, on the other hand, combining several algorithms causes resource conflicts and side effects that are very difficult to handle. Scene graph libraries, which intend to provide a software layer to abstract from computer graphics hardware, currently offer no mechanisms for using these rendering algorithms, either.<br><br> The objective of this thesis is to design and to implement a software architecture for a scene graph library that models real-time rendering algorithms as software components allowing an effective usage of these algorithms for 3D-application development within the scene graph library. An application developer using the scene graph library controls these components with elements in a scene description that describe the effect of a rendering algorithm for some geometry in the scene graph, but that do not contain hints about the actual implementation of the rendering algorithm. This allows for deploying rendering algorithms in 3D-applications even for application developers that do not have detailed knowledge about them. In this way, the complexity of development of rendering algorithms can be drastically reduced.<br><br> In particular, the thesis focuses on the feasibility of combining several rendering algorithms within a scene at the same time. This requires to classify rendering algorithms into different categories, which are, each, evaluated using different approaches. In this way, components for different rendering algorithms can collaborate and adjust their usage of common graphics resources.<br><br> The possibility of combining different rendering algorithms can be limited in several ways: The graphical result of the combination can be undefined, or fundamental technical restrictions can render it impossible to use two rendering algorithms at the same time. The software architecture described in this work is not able to remove these limitations, but it allows to combine a lot of different rendering algorithms that, until now, could not be combined due to the high complexities of the required implementation. The capability of collaboration, however, depends on the kind of rendering algorithm: For instance, algorithms for rendering transparent geometry can be combined with other algorithms only with a complete redesign of the algorithm. Therefore, components in the scene graph library for displaying transparency can be combined with components for other rendering algorithms in a limited way only.<br><br> The system developed in this work integrates and combines algorithms for displaying bump mapping, several variants of shadow and reflection algorithms, and image-based CSG algorithms. Hence, major rendering algorithms are available for the first time in a scene graph library as components with high abstraction level. Despite the required additional indirections and abstraction layers, the system, in principle, allows for using and combining the rendering algorithms in real-time.

Within this work an approach was developed, which utilises airborne laser scanner data in order to generate 3D building models. These 3D building models may be used for technical and environmental planning. The approach has to follow certain requirements such as working automatically and robust and being flexible in use but still practicable. The approach starts with small point clouds containing one building at the time extracted from laser scanner data set by applying a pre-segmentation scheme. The laser scanner point cloud of each building is analysed separately. A 2.5D-Delaunay triangle mesh structure (TIN) is calculated into the laser scanner point cloud. For each triangle the orientation parameters in space (orientation, slope and perpendicular distance to the barycentre of the laser scanner point cloud) are determined and mapped into a parameter space. As buildings are composed of planar features, primitives, triangles representing these features should group in parameter space. A cluster analysis technique is utilised to find and outline these groups/clusters. The clusters found in parameter space represent plane objects in object space. Grouping adjacent triangles in object space - which represent points in parameter space - enables the interpolation of planes in the ALS points that form the triangles. In each cluster point group a plane in object space is interpolated. All planes derived from the data set are intersected with their appropriate neighbours. From this, a roof topology is established, which describes the shape of the roof. This ensures that each plane has knowledge on its direct adjacent neighbours. Walls are added to the intersected roof planes and the virtual 3D building model is presented in a file written in VRML (Virtual Reality Macro Language). Besides developing the 3D building model reconstruction scheme, this research focuses on the geometric reconstruction and the derivation of attributes of 3D building models. The developed method was tested on different data sets obtained from different laser scanner systems. This study will also show, which potential and limits the developed method has when applied to these different data sets. / In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Methode zur automatischen Rekonstruktion von 3D Gebäudemodellen aus Flugzeuglaserscannerdaten vorgestellt. Diese 3D Gebäudemodelle können in technischer und landschaftsplanerischer Hinsicht genutzt werden. Bezüglich der zu entwickelnden Methode wurden Regelungen und Bedingungen erstellt, die eine voll automatische und robuste Arbeitsweise sowie eine flexible und praktikable Nutzung gewährleisten sollten. Die entwickelte Methode verwendet Punktwolken, welche mittels einer Vorsegmentierung aus dem gesamten Laserscannerdatensatz extrahiert wurden und jeweils nur ein Gebäude beinhalten. Diese Laserscannerdatenpunktwolken werden separat analysiert. Eine 2,5D-Delaunay-Dreiecksvermaschung (TIN) wird in jede Punktwolke gerechnet. Für jedes Dreieck dieser Vermaschung werden die Lageparameter im Raum (Ausrichtung, Neigungsgrad und senkrechter Abstand der Ebene des Dreiecks zum Schwerpunkt der Punktwolke) bestimmt und in einen Parameterraum aufgetragen. Im Parameterraum bilden diejenigen Dreiecke Gruppen, welche sich im Objektraum auf ebenen Flächen befinden. Mit der Annahme, dass sich ein Gebäude aus ebenen Flächen zusammensetzt, dient die Identifizierung von Clustern im Parameterraum der Detektierung dieser Flächen. Um diese Gruppen/Cluster aufzufinden wurde eine Clusteranalysetechnik genutzt. Über die detektierten Cluster können jene Laserscannerpunkte im Objektraum bestimmt werden, die eine Dachfläche formen. In die Laserscannerpunkte der somit gefundenen Dachflächen werden Ebenen interpoliert. Alle abgeleiteten Ebenen gehen in den entwickelten Rekonstruktionsalgorithmus ein, der eine Topologie zwischen den einzelnen Ebenen aufbaut. Anhand dieser Topologie erhalten die Ebenen ?Kenntnis? über ihre jeweiligen Nachbarn und können miteinander verschnitten werden. Der fertigen Dachgestalt werden Wände zugefügt und das komplette 3D Gebäudemodell wird mittels VRML (Virtual Reality Macro Language) visualisiert. Diese Studie bezieht sich neben der Entwicklung eines Schemas zu automatischen Gebäuderekonstruktion auch auf die Ableitung von Attributen der 3D Gebäudemodellen. Die entwickelte Methode wurde an verschiedenen Flugzeuglaserscannerdatensätzen getestet. Es wird gezeigt, welche Potentiale und Grenzen die entwickelte Methode bei der Bearbeitung dieser verschiedenen Laserscannerdatensätze hat.