Mit Techniken der Computergraphik können bewegte drei-dimensionale Oberflächen mit höchsten visuellen Details generiert und dargestellt werden. Mittlerweile sind die Ergebnisse so gut, dass beispielsweise virtuelle menschliche Gesichter in Filmen und Videospielen kaum noch von realen zu unterscheiden sind. Auch in der Ergonomie werden immer genauere Mensch-Modelle und Simulationen verwendet, beispielsweise zur Validierung und Verbesserung von Textilien.

Object pose estimation is an important problem in computer vision with applications in robotics, augmented reality and many other areas. An established strategy for object pose estimation consists of, firstly, finding correspondences between the image and the object’s reference frame, and, secondly, estimating the pose from outlier-free correspondences using Random Sample Consensus (RANSAC). The first step, namely finding correspondences, is difficult because object appearance varies depending on perspective, lighting and many other factors. Traditionally, correspondences have been established using handcrafted methods like sparse feature pipelines. In this thesis, we introduce a dense correspondence representation for objects, called object coordinates, which can be learned. By learning object coordinates, our pose estimation pipeline adapts to various aspects of the task at hand. It works well for diverse object types, from small objects to entire rooms, varying object attributes, like textured or texture-less objects, and different input modalities, like RGB-D or RGB images. The concept of object coordinates allows us to easily model and exploit uncertainty as part of the pipeline such that even repeating structures or areas with little texture can contribute to a good solution. Although we can train object coordinate predictors independent of the full pipeline and achieve good results, training the pipeline in an end-to-end fashion is desirable. It enables the object coordinate predictor to adapt its output to the specificities of following steps in the pose estimation pipeline. Unfortunately, the RANSAC component of the pipeline is non-differentiable which prohibits end-to-end training. Adopting techniques from reinforcement learning, we introduce Differentiable Sample Consensus (DSAC), a formulation of RANSAC which allows us to train the pose estimation pipeline in an end-to-end fashion by minimizing the expectation of the final pose error.

Die vorliegenden Richtlinien sollen dabei helfen, aus visuellen Grafikvorlagen brauchbare textuelle sowie taktile Umsetzungen für blinde Menschen zu erstellen. Sie sollen somit insbesondere unerfahrenen Bearbeitern als Anleitung und Unterstützung dienen.

An der TU Dresden wurden zwei Umfragen durchgeführt um die Benutzung Literaturrecherchewerkzeuge zu erfassen. In dieser Arbeit wurden die Umfragen analysiert.

In der heutigen Zeit bilden Netzwerke, auf technologischer sowie sozialer Ebene, die zentralen Systeme in der Informationsverarbeitung. Graphen stellen mit ihren mathematischen Eigenschaften eine geeignete Art der Beschreibung von Netzwerken dar. Seit 1741, beginnend mit Eulers Königsberger Brückenproblem (Euler 1741), werden Graphen für die Visualisierung thematisiert. Mit Beginn der Netzwerktechnik Mitte des 20. Jahrhunderts und der Entstehung digitaler sowie sozialer Netzwerke wächst das Interesse an der Visualisierung von Graphen. Dies setzt sich zu Beginn des 21. Jahrhunderts mit dem Aufbau von Firmennetzwerken und deren steigender Komplexität fort. Verschiedene Bereiche wie Psychologie, Mathematik, Kunst, Mensch-Maschine-Systemtechnik und Mediengestaltung beeinflussen die Ausprägung der Visualisierung von Graphen. Insbesondere psychologische Aspekte der visuellen Wahrnehmung und der kognitiven Leistung bilden die Grundlage zur Gestaltung von Graphen. Netzwerke beinhalten einen hohen Informationsgrad für den Rezipienten. Am Beispiel komplexer Firmennetzwerke stellt sich die Herausforderung nach einer effizienten und individuellen Exploration. Aktuelle Lösungen in Form von Tabellen und Datenbankabfragesprachen erzeugen eine hohe kognitive Last des Nutzers. Die Darstellung von Netzwerken in Graphen unterstützt den Nutzer in der Erfassung des Kontexts. Aktuelle Visualisierungskonzepte für Graphen bieten nur geringe Möglichkeiten der individuellen Exploration. Dies resultiert in einem „Lost-in-Context“-Effekt und einer erhöhten kognitiven Last. Das Visualisierungs- und Interaktionskonzept dieser Arbeit ermöglicht die Reduktion des „Lost-in-Context“-Effekts sowie der kognitiven Last. Dieser Forschungsansatz der Arbeit lässt sich dazu in drei Betrachtungsbereiche unterteilen: das Gedächtnismodell zur visuellen Kognition, das globale Strukturmittel und die lokalen Strukturmittel der graphenbasierten Exploration. Im Bereich der visuellen Kognition wird als Grundlage das Gedächtnismodell von Kosslyn diskutiert und adaptiert. Diese Adaption für die graphenbasierte Exploration zeigt die Verwendung von mentalen Karten des Nutzers. Dies basiert auf der Identifikation von semantischen und numerischen Werten der wahrgenommenen Objekte. Das globale Strukturmittel „Multi-Level-of-Detail“-Konzept basiert auf der Abbildung semantischer und numerischer Eigenschaften von wahrgenommenen Objekten auf eine mentale Karte. Das Gedächtnismodell von Kosslyn wird für die graphenbasierte Exploration angepasst und stellt die Grundlage für diese Abbildung dar. Das globale Strukturmittel ermöglicht dem Nutzer, parallel mehrere Detailstufen in der Graphvisualisierung zu erzeugen und individuell zu manipulieren. Dies reduziert die kognitive Last während der graphenbasierten Exploration. Die Einführung des globalen Strukturmittels fordert die Betrachtung lokaler Strukturmittel zur visuellen Wahrnehmung und Gestaltung des Graphen. Im Bereich der lokalen Strukturmittel werden die verschiedenen graphischen und interaktiven Mittel zur graphenbasierten Exploration diskutiert. Vor dem Hintergrund des aufgestellten Gedächtnismodells sowie den Grundlagen der Gestaltgesetze wird ein Baukasten visueller Elemente zur Gestaltung von Graphen betrachtet. Dieser wird durch die Diskussion der Eigenschaften der Graphobjekte, zum Beispiel: Position, Größe, Form, Clustern und Bündeln, beeinflusst. In einer prototypischen Umsetzung des Konzepts wird, im Vergleich zu Tabellen und Datenbankabfragesprachen, am Beispiel eines komplexen Firmennetzwerks die Reduktion der kognitiven Last gezeigt. Die Evaluation der kognitiven Last erfolgt mittels des NASA-TLX. In einem „Within-Subject“ Experiment werden Experten zu dem Konzept befragt. Dieses zeigt, dass im Vergleich zu aktuellen Graphdarstellungen eine Reduktion des „Lost-in-Context“-Effekts eintritt. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass nicht alle gestalterischen Mittel der lokalen Strukturmittel, im Vergleich zu aktuellen Lösungen und Konzepten, eine Verbesserung brachten. Die zentralen Aspekte des eingeführten Konzepts zeigen die Verwendung von mentalen Karten während der graphenbasierten Exploration komplexer Netzwerke.

Tetrahedral meshes are becoming more and more important for geo-modeling applications. The presented work introduces new algorithms for efficient visualization and modeling of tetrahedral meshes. Visualization consists of a generic framework that includes the extraction of geological information like stratigraphic columns, fault block boundaries, simultaneous co-rendering of different attributes and boolean operations of Constructive Solid Geometry with constant complexity. Modeling can be classified into geometric and implicit modeling. Geometric modeling addresses local mesh refinement to increase the numerical resolution of a given mesh. Implicit modeling covers the definition and manipulation of implicitly defined models. A new surface reconstruction method was developed to reconstruct complex, multi-valued surfaces from noisy and sparse data sets as they occur in geological applications. The surface can be bounded and may have discontinuities. Further, this work proposes a new and innovative algorithm for rapid editing of implicitly defined shapes like horizons based on the GeoChron parametrization. The editing is performed interactively on the 3d-volumetric model and geological constraints are respected automatically.

Das computergrafische Abbildungsverfahren zur Verwirklichung von dreidimensionalen Darstellungen ist ein wichtiges Instrument für die Gestaltung interaktiver 3D-Benutzerschnittstellen. Die Betrachtung von Projektionsverfahren abseits des bisher angestrebten Fotorealismus dokumentiert, dass durch nichtlineare und multiperspektivische Darstellungen spezifische Eigenschaften und Charakteristiken eines Datenbestandes vermittelt werden können. Dabei wird deutlich, dass konzeptionelle und methodische Unzulänglichkeiten den erfolgreichen Einsatz von unkonventionellen linearen sowie nichtlinearen Darstellungsformen in 3D-Anwendungen bisher einschränken. In dieser Arbeit werden daher Darstellungstechniken analysiert und systematisiert, die durch den computergrafischen Projektionsvorgang erzeugt und für die Verwirklichung von Visualisierungszielen eingesetzt werden können. Ferner werden für den spezifischen Einsatz von komponierten Visualisierungsverfahren in 3D-Benutzerschnittstellen Gestaltungshinweise formuliert. Darauf aufbauend erfolgt die Einführung einer modellbasierten Vorgehensweise, durch welche die systematisierten Visualisierungsformen in einem methodischen und ferner entwurfsmustergestützten Entwurfsprozess zur Entwicklung interaktiver 3D-Interfaces eingebunden und weiterhin in einer interaktiven 3D-Anwendung eingesetzt werden können.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit grundlegenden Effekten bei der Projektion virtueller räumlicher Szenen auf zweidimensionale Bildflächen. Die Motivation dazu ergibt sich aus der Feststellung, dass in aktuellen computergrafischen Visualisierungssystemen die Räumlichkeit der Darstellung in der Regel durch eine Fläche vermittelt wird. Die aktuell benutzten Verfahren stützen sich dabei auf das Konzept der Virtuellen Kamera. Mit dieser sind jedoch auch Nachteile hinsichtlich einer an den Menschen angepassten (wahrnehmungskonformen) Darstellung verbunden. Zur Einführung der für das Verständnis der Arbeit notwendigen Fachtermini werden ausgewählte Grundlagen aus den Bereichen Technische Visualistik, Bildsprache, Computergrafik und Psychologie vorgestellt. Von besonderer Bedeutung sind dabei die Begriffe Abbild (das Ergebnisbild einer Projektion), Wahrnehmungskonformität (ein Indikator für Angepasstheit an die visuelle menschliche Wahrnehmung) und Multiperspektive (eine die Wahrnehmungskonformität förderliche Darstellungsform). Anschließend werden die, im weiteren Verlauf der Arbeit relevanten, Vektoren definiert. Im darauf folgenden Kapitel beschreibt die Arbeit zwei wesentliche Herausforderungen für die wahrnehmungskonforme Darstellung virtueller Objekte. Zum einen wird das Proportionsproblem beschrieben. Zum anderen das Orientierungsproblem als neu erkanntes Arbeitsthema eingeführt. Darauf aufbauend erfolgt eine Beschreibung des Grundkonzeptes zur Erstellung wahrnehmungskonformer Abbilder durch gesonderte Behandlung einzelner Szenenobjekte sowie die Vorstellung relevanter wissenschaftlicher Vorarbeiten für diesen Sachverhalt. Weiterhin stehen eine Einordnung der bestehenden Verfahren und ein Exkurs in verwandte Studien der Wahrnehmungspsychologie im Mittelpunkt der Ausführungen. Als ein existierendes Verfahren zur computergrafischen Erzeugung von wahrnehmungskonformen Abbildern wird nachfolgend das Verfahren der Erweiterten Perspektivischen Korrektur (EPK) als Ausgangspunkt für eine Optimierung detailliert vorgestellt. Aus den aufgeworfenen Fragen hinsichtlich des Orientierungsproblems ergibt sich die Notwendigkeit einer tiefergehenden Analyse. Aus der künstlerischen Praxis sowie wahrnehmungspsychologischen Aspekten heraus wird der Mensch als geeignetes Referenzmodell argumentativ untersetzt. Einen Schwerpunkt der Arbeit bildet die im Anschluss durchgeführte mehrstufige Studie zur Orientierungswahrnehmung in mono- und multiperspektivischen Abbildern. Aus den in der Studie gewonnenen Erkenntnissen kann schließlich ein Optimierungsansatz für die EPK synthetisiert werden. Das Konzept der so genannten Augpunkt-bezogenen EPK wird ausführlich hergeleitet, die Wirkung analysiert, eine algorithmische Umsetzung erarbeitet und diese mit den bereits bestehenden EPK-Ausprägungen verglichen. Als Vervollständigung der Ausführungen folgen zwei Praxisbeispiele zum Einsatz der EPK und dem Nutzen der vorgestellten Optimierung.

In dieser Dissertation wird erstmalig ein theoretisches Fundament zur Beschneiung virtueller Szenen entwickelt. Das theoretische Fundament wird als analytisches Modell in Form einer Diffusionsgleichung formuliert. Aus dem analytischen Modell lässt sich eine Gruppe von Algorithmen zur Beschneiung virtueller Szenen ableiten. Eingehende Voruntersuchungen zur allgemeinen Modellierung natürlicher Phänomene in der Computergraphik sowie eine Klassifikation der bestehenden Literatur über mathematische Schneemodellierung bilden den Anfang der Arbeit. Aus der umfassenden Darstellung der Eigenschaften von Schnee, wie er in der Natur vorkommt, ergeben sich die Grundlagen für die Modellbildung. Die Modellbildung fußt auf den grundlegenden Ansätzen der klassischen Mechanik und der statistischen Physik. Für die Beschneiung auf visueller Skala erweist sich der Diffusionsprozess als geeignete Beschreibung. Mit der Beschreibung lassen sich diffusiv Schneeoberflächen erzeugen. Der konkrete computergraphische Wert des theoretischen Fundaments wird anhand zweier Implementierungen exemplarisch dargestellt, und zwar in der Distanzfeldmethode und der Diffusionskernmethode. Die Ergebnisse werden mithilfe dreidimensionaler Rauschtexturen und Alpha-Masken an den Rändern fotorealistisch visualisiert. / In this dissertation for the first time a theoretical foundation is developed for snow accumulation in virtual scenes. The theoretical foundation is formulated in an analytical model as diffusion equation. The analytical model leads to a group of algorithms for virtual snow accumulation. Comprehensive investigations for the modelling of natural phenomena in computer graphics in general are used to develop a method classification scheme. Another classification is given for an overview over the aspects of snow in the real world. This allows an efficient presentation of related literature on snow modelling. A new approach of snow modelling is then drawn from first principles of classical mechanics and statistical physics. Diffusion processes provide an efficient theoretical framework for snow accumulation. The mathematical structure of diffusion equations is discussed and demonstrated to be adequate to snow modelling in visual scales. The value of the theoretical foundation for computer graphics is demonstrated with two exemplary implementations, a distance field method and the diffusion kernel method. Results are visualized with 3D noise textures and alpha masks near borders delivering photorealistic snow pictures.

Large, strongly connected amounts of data, as collected in knowledge bases or those occurring when describing software, are often read slowly and with difficulty by humans when they are represented as spreadsheets or text. Graphical representations can help people to understand facts more intuitively and offer a quick overview. The electronic representation offers means that are beyond the possibilities of print such as unlimited zoom and hyperlinks. This paper addresses a framework for visualizing connected information in 3D-space taking into account the techniques of media design to build visualization structures and map information to graphical properties. / Große, stark vernetzte Datenmengen, wie sie in Wissensbasen oder Softwaremodellen vorkommen, sind von Menschen oft nur langsam und mühsam zu lesen, wenn sie als Tabellen oder Text dargestellt werden. Graphische Darstellungen können Menschen helfen, Tatsachen intuitiver zu verstehen und bieten einen schnellen Überblick. Die elektronische Darstellung bietet Mittel, welche über die Möglichkeiten von Print hinausgehen, wie z.B. unbegrenzten Zoom und Hyperlinks. Diese Arbeit stellt ein Framework für die Visualisierung vernetzter Informationen im 3D-Raum vor, welches Techniken der Gestaltung zur Erstellung von graphischen Strukturen und zur Abbildung von Informationen auf graphische Eigenschaften berücksichtigt.