Dauer: 2018-4 bis 2021-3
Förderung: BMBF

Beschreibung:

Viele Alltagssituationen, in denen Menschen von robotischen Systemen unterstützt werden  können, sind aufgrund ihrer Dynamik und Komplexität schwer vorhersehbar. Die Interaktion von Menschen und Robotern in solchen Situationen ist bislang nicht zufriedenstellend. Das im Projekt betrachtete Einkaufsszenario steht stellvertretend für eine Situation, in der unterschiedliche Personengruppen auf Unterstützung angewiesen sein können.

Ziele und Vorgehen

Zur Entwicklung und Umsetzung eines situativ anpassbaren Interaktionskonzeptes wird in „I-RobEka“ ein autonomer mobiler Roboter als Einkaufshilfe modifiziert. Eine Spracherkennung wird zusammen mit einem berührungs‐und gestenbasierten Interaktionsmodul umgesetzt, Sensordaten ermöglichen das Erkennen von Menschen und ihren Intentionen. Navigation und Steuerung werden auf Grundlage standardisierter Betriebssysteme realisiert. So soll der Roboter Menschen in Einkaufssituationen begleiten, Handlungsanweisungen verstehen können und bedarfsgerecht unterstützen.

Innovationen und Perspektiven

Das Projekt verspricht einen deutlichen Erkenntniszuwachs für den Einsatz mobiler robotischer Assistenzen im Alltag. Der Lebensmitteleinzelhandel könnte sich zu einer Schlüsselanwendung für interaktionsfähige Roboter entwickeln, da die umsatzstarke Branche mit einer Vielzahl von Filialen ein hohes Marktpotenzial verspricht. Gleichzeitig bietet das Einkaufsszenario die Möglichkeit, Interaktionsstrategien zu entwickeln, die auch auf viele andere Anwendungen übertragbar sind.

Projektpartner:

• Professur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung

• Professur Robotik und Mensch-Technik-Interaktion

• Professur Prozessautomatisierung

• Professur Medieninformatik

• LUNAR GmbH

• Innok Robotics GmbH

• Toposens GmbH

Projektvolumen

Förderung durch das BMBF im Forschungsprogramm "Technik zum Menschen bringen"

Fördersumme: 2,38 Mio. € (davon 77 % Förderanteil durch BMBF)

Verbundkoordinator

Technische Universität Chemnitz

Prof. Dr. Guido Brunnett

Straße der Nationen 62 09111 Chemnitz

Tel.: 0371 531-31533

E-Mail: brunnett@informatik.tu-chemnitz.de

Dauer: 2016-7 bis 2019-6
Förderung: ESF - Nachwuchsforschergruppe

Beschreibung:
Die Nachwuchsforschergruppe „Sozial agierende, kognitive Systeme zur Feststellung von Hilfsbedürftigkeit” verfolgt die Entwicklung eines sozial-kognitiven Systems zur Erkennung von Hilflosigkeit. Durch die Kombination einer fortschreitenden Automatisierung und Fortführung der aktuellen demografischen Entwicklung ergibt sich die  gesellschaftliche Herausforderung, älteren Menschen möglichst lange ein selbstbestimmtes Leben und die Teilhabe am sozialen Leben zu ermöglichen. Auf Basis neuster Erkenntnisse der Künstlichen Intelligenz sollen daher Maschinen in die Lage versetzt werden, den Menschen besser zu verstehen und sich an den Menschen anzupassen. Als ersten wesentlichen Schritt in diese Richtung, soll die Hilflosigkeit eines Menschen bei der Bedienung von Systemen erkannt werden. Dazu wird sensorische Information wie Mimik, Körperhaltung und Bewegung, aber auch die Bedienung des Gerätes herangezogen und mit Hidden Markov Modellen und Neuro-kognitiven Werkzeugen analysiert.

Projektpartner

• Professur für Künstliche Intelligenz

• Professur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung

• Professur für Theoretische Physik, insbesondere Computerphysik

• Professur für Allgemeine Psychologie I & Arbeitspsychologie

Projektleitung

Prof. Dr. Fred Hamker

Homepage: https://www.tu-chemnitz.de/informatik/KI/projects/social/ 

Dauer: 2015-1 bis 2018-4
Förderung: BMBF

Beschreibung:
Die Qualität kooperativer Arbeit an technischen Systemen wird wesentlich durch die Qualität der Kom-munikation und Interaktion zwischen den handelnden Personen bestimmt. Die Absicherung von Arbeitsqualität und -produktivität sowie die Vermeidung von Systemausfällen durch Fehlbedienung beinhalten somit sowohl technische als auch psychologische und soziologische Fragestellungen. Insbesondere in Tätigkeitsfeldern, bei denen menschliches Versagen weitreichende Konsequenzen haben kann, besteht deshalb ein erhebliches Interesse an der Entwicklung von Assistenzsystemen zur Unterstützung des kooperativen Arbeitsprozesses. Von einem solchen System wird erwartet, dass es den emotionalen Zustand der Individuen und den Gesamtzustand des Teams beurteilen und in Grenzen auch vorhersagen kann, um kritische Situationen im Vorfeld zu vermeiden. Gegenstand des beantragten Projektes ist die Entwicklung grundlegender Methoden und Verfahren, die für die Realisierung eines Assistenzsystems für die Teamarbeit an technischen Systemen benötigt werden. Als prototypisches Szenario betrachten wir die Tätigkeit von Centerlotsen im Bereich der Flugüberwachung, die in der Abstimmung des Flugverkehrs besteht.

Beteiligte Professuren

• Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung

• Visual Computing

• Künstliche Intelligenz

• Prozessautomatisierung

• Mediennutzung

• DFS Deutschen Flugsicherung GmbH

Dauer: 2015-9 bis 2018-8
Förderung: ESF - Nachwuchsforschergruppe

Beschreibung:

Die Gesundheit und die damit einhergehende Lebensqualität einer alternden Gesellschaft durch präventive und therapeutische Maßnahmen zu erhalten bzw. zu steigern, nimmt schon heute einen entscheidenden Stellenwert im Umgang mit dem demografischen Wandel in Sachsen ein. Insbesondere die Wiederherstellung der körperlichen Fähigkeiten nach einer Erkrankung oder eines Unfalls stehen für diese Nachwuchsforschergruppe im Vordergrund.

Vor dem Hintergrund der knapper werdenden Personalressourcen, insbesondere in ländlichen Gebieten des Freistaates, ist es naheliegend, sowohl Betroffene als auch Therapeuten mit adäquaten technischen Hilfsmitteln in der Rehabilitation zu unterstützen und auf diese Weise den Rehabilitationsprozess deutlich zu verbessern. Derzeitig sind in der Praxis Eins-zu-Eins Betreuungsverhältnisse von Therapeut zu Patient eher eine Seltenheit, vielmehr treten Verhältnisse von Eins-zu-Acht bis Eins-zu-Fünfzehn auf. Daraus ergibt sich ein hoher Betreuungsaufwand für den Therapeuten, der gleichzeitig mehrere Patienten therapeutisch begleitet und somit den Therapieprozess eines Patienten nicht durchgehend überwachen kann. Die korrekte Ausführung der Trainingsübungen ist allerdings entscheidend für den Erfolg der Therapie. Die Bewegung kann beispielsweise zu schnell, zu weit und entlang „falscher“ Bahnen ausgeführt werden. Zudem schleichen sich mit der Zeit Fehler bei der Übungsausführung ein, die ohne zeitnahe Korrektur sogar eine negative Auswirkung auf die Gesundung haben kann. Daher ist das Hauptziel der Nachwuchsforschergruppe, das Auge und das Wissen des Therapeuten nachzubilden, sodass die Qualität der vom Patienten ausgeführten Übung sichergestellt werden kann, vor allem in den Phasen, in denen der Therapeut den Therapieprozess nicht begleiten kann.

Eine Qualitätssteigerung in der Therapie führt zu einer Beschleunigung des Gesundungsprozesses und folglich zu einem schnelleren Wiedereinstieg in das Arbeitsleben und zu einer Entlastung der Gesundheitskassen.

Projektpartner

• Professur Digital- und Schaltungstechnik

• Professur Sportmedizin / Sportbiologie

• Professur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung

Homepage: https://www.tu-chemnitz.de/projekt/assist/index.php 

Dauer: 2012-1 bis 2017-1
Förderung: Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG)

Beschreibung:
Das Graduiertenkolleg „Kopplung virtueller und realer sozialer Welten“ thematisiert die zunehmende Digitalisierung und damit einhergehende Virtualisierung von Prozessen, Kommuni-kationsformen, Umgebungen und letztendlich vom menschlichen Gegenüber. Dabei können Art und Grad der Virtualisierung stark variieren und sind beträchtlich vom Anwendungskontext abhängig. Zu dieser Variabilität kommt hinzu, dass medial vermittelte Kommunikation per se immer mit Einschränkungen im Vergleich zu rein realweltlicher Kommunikation einhergeht.
Ziel des Graduiertenkollegs ist es, dieses Problemfeld durch eine Untersuchung der Kopplungsmöglichkeiten virtueller und realer sozialer Welten aufzuarbeiten. Damit soll geklärt werden, welche bisherigen Einschränkungen der medial vermittelten Kommunikation durch gekoppelte virtuell-reale Welten überwunden werden können und welche Interaktions- und Erlebnismöglichkeiten sich auf diese Weise gegenüber unmittelbarer realer Interaktion und Kommunikation eröffnen. Im Forschungsprogramm des Kollegs sind die Verbindungen zwischen virtuellen und realen sozialen Erlebnisräumen in die Teilbereiche Kommunikation, Emotionen, Sensomotorik und Lernen unterteilt. Die Teilbereiche werden in interdisziplinär zusammengesetzten Tandems auf Doktoranden-, Postdoktoranden- und auch auf der Betreuungsebene durch Informatiker und Sozialwissenschaftler gemeinsam bearbeitet.
Das Qualifikationsprogram orientiert sich an der Zielsetzung des Graduiertenkollegs, das explizit Schnittstellen-Kompetenzen zwischen technikorientierter und sozialwissenschaftlicher Medienforschung fokussiert. Es werden Vorlesungen angeboten, um die Kollegiaten aus den unterschiedlichen Fachbereichen und Studiengängen auf eine gemeinsame inhaltliche Basis zu stellen. Zusätzlich beschäftigen sich die Kollegiaten in Seminaren und in zum Teil selbst zu organisierenden Workshops intensiv mit ihrer Forschungsarbeit. Ferner qualifizieren Tutorien die Kollegiaten, um sich im nationalen und internationalen wissenschaftlichen Betrieb zu behaupten. Abgerundet wird das Qualifikationsprogramm durch den Besuch von namhaften Gastwissenschaftlern.
Das Graduiertenkolleg wird mit insgesamt 12 Mitarbeiterstellen durch die DFG unterstützt. Daneben wirken eine Reihe assoziierter Wissenschaftler mit. Prof. Eibl ist Sprecher des Kollegs.

Homepage:  www.crossworlds.info 

Dauer: 2014-1 bis 2017-1
Förderung: Land Sachsen

Beschreibung:
Im Bereich der stationären Robotik gibt es bereits vielversprechende Ansätze zur Kooperation von Mensch und Roboter. (Siehe z. B. Roboter "Baxter" www.rethinkrobotics.com). Wesentlich schwierigere, ungelöste Forschungsfragen ergeben sich bei der Kooperation von Menschen und „intelligenten“ mobilen Robotern. Stand der Technik beim Einsatz von mobilen Robotern sind Fahrerlose Transportsysteme (FTS), die innerhalb von Betrieben spurgeführt auf fest vorgegebenen Wegen Transportaufgaben übernehmen. Ist eine flexiblere Kooperation zwischen Menschen und mobilen Robotern in unstrukturierten Umgebungen gefragt, so gibt es bisher keine Lösungen. Der vorliegende Antrag zielt deshalb darauf ab, methodische Entwicklungen zur Mensch‐Roboter‐Kooperation voranzutreiben. Als Beispielszenario ziehen wir im Folgenden eine Großbaustelle im Außenbereich heran. Flexible und intelligente mobile Roboter könnten hier vielfältige Aufgaben (z. B. Transportieren, Halten, Graben, Bohren) übernehmen. Dazu müssten die Roboter weitgehend autonom agieren, ihre Umgebung wahrnehmen und auf Hindernisse reagieren. Da sich die Transportwege baustellenbedingt oft ändern, ist eine flexible Navigationsfähigkeit verlangt. Eine besondere Herausforderung und Voraussetzung für die Akzeptanz stellt die Fähigkeit zur sinnvollen Interaktion mit anderen Menschen auf der Baustelle dar.

Beteiligte Professuren:

• Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung (TU Chemnitz),
• Technische Informatik (TU Chemnitz),
• Medieninformatik (TU Chemnitz),
• Prozessautomatisierung (TU Chemnitz) und
• Computergrafik (HTW Dresden)

Dauer: 2014-5 bis 2016-4
Förderung: Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG)

Beschreibung:
Das im Mai 2014 angelaufene Projekt fokussiert auf der Entwicklung eines virtuellen Avatars für die Forschung im Bereich Hochleistungssport. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, einen Prototyp eines virtuellen und interaktiven Menschmodells zu entwickeln, mit dessen Hilfe die Wahrnehmung und Fähigkeit von Leistungsportlern bestimmt und trainiert werden kann. Das zu entwickelnde stereoskopische System wird neuartige Möglichkeiten der Mensch-Maschine-Interaktion bieten, die herkömmliche videobasierte Trainingssysteme nicht zulassen. Dafür werden Verfahren entwickelt, die es zulassen, die Bewegungen des Athleten in Echtzeit zu erfassen und zu klassifizieren bzw. zu erkennen. Zusätzlich werden bezüglich der Genauigkeit der Bewegungsgenerierung neue Maßstäbe gesetzt, da selbst feine Abweichungen vom eigentlichen Ziel einer Bewegung Auswirkungen auf die individuelle Karatetechnik haben. Um zusätzlich die Trainingserfolge des realen Athleten (z.B. seiner Treffsicherheit) auswerten zu können, bedarf es der Entwicklung von Verfahren zur Erstellung von Menschmodellen (Virtualisierung) und zur Interaktion mehrerer Menschmodelle (u.a. zur Kollisionserkennung). Die Entwicklung einer dreidimensionalen Trainingsumgebung wird den Trainingserfolg und den Grad der möglichen Immersion, d.h. das Empfinden des Nutzers, sich in der virtuellen Welt zu befinden, deutlich erhöhen.

Dauer: 2013-6 bis 2014-3

Beschreibung:
In this project, we investigate the possibilities of lossy compression of motion capture data. We have proposed an efficient compression algorithm and a comparison metric that allows quantifying the amount of distortion due to compression. A demo of the compression, decompression and comparison tools is available for download.
Homepage: http://meshcompression.org/down/BVHCompress05.zip 

Dauer: 2012-1 bis 2014-1
Förderung: ESF - Nachwuchsforschergruppe

Beschreibung:
In dem Ende 2014 angeschlossenen SVW-Projekt sollten deutliche methodische Fortschritte hinsichtlich des Einsatzes digitaler Menschmodelle für eine umfassende ergonomische Bewertung und altersgerechte Umgestaltung von Arbeitsplätzen in der Produktion erzielt werden. Hierbei handelt es sich um ein interdisziplinäres Forschungsprojekt im Grundlagenforschungsbereich. Im Rahmen dieses Projektes wurden Methoden entwickelt, die es dem Anwender durch algorithmische Automatisierung und neuartige Bedienkonzepte ermöglichen, die Programmierung von Menschmodellen intuitiv und zeiteffizient zu erledigen. Der Smart Virtual Worker sollte eigenständig in der Lage sein, die beste Lösung einer Aufgabe (z.B. Trage Kiste von Ort A nach Ort B unter ergonomisch idealen Bedingungen) durch Simulation aller ihm möglichen Varianten zu finden und zu zeigen. Es sollte dabei nach zeitlichen, ergonomischen oder emotionalen Kriterien optimiert werden können. Hierzu wurde u.a. ein Emotionsmodell entwickelt. Weiterhin sollte das Menschmodell mit einem „Wahrnehmungssystem“ ausgestattet werden. Hierbei handelt es sich um die algorithmische Beschreibung des Prozesses durch den das Menschmodell verschiedene Umweltfaktoren, wie z.B. Lärm und Temperatur erkennt. Die Forschungsergebnisse liegen in Form einer Abschlussdokumentation vor.

Beteiligte Professuren:

• Professur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung
• Professur Arbeitswissenschaft und Innovationsmanagement
• Professur Medieninformatik
• Professur Künstliche Intelligenz
• Professur Visual Computing
• Professur Prozessautomatisierung
• Professur Mediennutzung

Dauer: 2010-2 bis 2012-1
Förderung: AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen

Beschreibung:

• die vereinfachte Darstellung des abgewickelten Stiefelschafts entspricht keiner aktuellen Datenerhebung für realisitische Beinmaße, weshalb das Design im Herstellungsprozess abgeändert werden muss, um die Passform für den Großteil der Kunden zu gewährleisten,
• die vereinfachte Darstellung erlaubt nur eine begrenzte Vorstellung des dreidimensionalen, fertigen Stiefels,
• die Vorauswahl und Modelvariation auf Basis der vereinfachten Darstellung ist nur begrenzt möglich,
• die Arbeit erfolgt größtenteils künstlerisch ohne direkte Anbindung an technisches Design, wodurch technische Detaillierung vor der Herstellung aufwändig ist.

Dauer: 2011-3 bis 2012-10
Förderung: Sächsische Aufbaubank (SAB)

Beschreibung:
Das eMAN II Projekt ist eine Kooperation zwischen der imk automotive GmbH, der Professur für Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung sowie der Professur für Arbeitswissenschaften und dem Institut für Mechatronik e.V.


Planer, die bereits vor dem Bau einer Fabrik wissen wollen, wie die Fertigung von Produkten dort ablaufen wird, setzen in einer Digitalen Fabrik am Computer ein dreidimensionales Abbild der künftigen Produktion um. Nicht nur Maschinen und Fördersysteme werden dabei realistisch abgebildet, sondern auch deren Bewegungen werden modelliert. Für automatisierte Abläufe, etwa Tätigkeiten von Robotern, liegen bereits Visualisierungslösungen vor, mit denen Fehlerquellen und Risiken im Vorfeld des Baus der Fabrik virtuell erkannt und beseitigt werden können. Vor allem in der Montage arbeiten jedoch Menschen. Gegenüber Robotern haben sie den Vorteil, dass sie flexibel, situationsabhängig und schöpferisch agieren können - was jedoch die Visualisierung in 3D-Modellen wesentlich erschwert.

Ziel des Eman-Projekts ist es, Bewegungsmodelle des Menschen für die Digitale Fabrik zur Verfügung zu stellen. Die Bewegungen, die das Menschmodell liefert, nutzen die Wissenschaftler hauptsächlich, um zu prüfen, ob die geplanten Tätigkeiten von einem Werker tatsächlich ausgeführt werden können und ob der zeitliche Ablauf realistisch ist. Auch Ergonomie und Arbeitsschutz werden geprüft.

Um dieses Ziel zu erreichen, sollen im Rahmen des Verbundprojektes zunächst die theoretischen Grundlagen zur automatisierten Bewegungssynthese für digitale Menschmodelle untersucht werden. Ausgehend von einer strukturierten Tätigkeitsbeschreibung, einem 3D-Layout und wenigen ergänzenden Parametern soll ein System entworfen werden, das aus diesen Eingangsinformationen automatisch einen korrekten Bewegungsablauf für ein digitales Menschmodell generiert. Die Professur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung entwickelt in diesem Projekt einen so genannten Bewegungsgenerator. Diese Software berechnet und visualisiert die Bewegungen eines virtuellen Menschen auf der Grundlage gegebener Start- und Zielbedingungen sowie der Umgebungsgeometrie.

Dauer: 2010-0 bis 2012-0
Förderung: AiF

Beschreibung:
Der Innovative Kern besteht aus einem Aufbau einer Plattform-Technologie für 3D-Simulations-Anwendungen, die für Cloud Computing mit Hilfe von Standard-Browsern geeignet ist und über das Internet eine Zusammenarbeit örtlich getrennter Teams ermöglicht. Die Plattform soll 3D-Rechenkapazität und Simulationsanwendungen zentral zur Verfügung stellen. Der Nutzer muss keine aufwändige Installation der Software durchführen, es wird nur ein Plug-in installiert. Softwareupdates werden vom Servicedienstleister auf den zentralen Server eingespielt. Die Projekt-, Versions-, Gruppen- und Zustandsverwaltung für Simulation erfolgen zentral durch den Serviceanbieter. Durch die Internetanbindung können Nutzer bzw. Nutzergruppen gleichzeitig von verschiedenen Orten aus zusammenarbeiten. Die Nutzung von 3D-Simulationsfunktionen kann detailliert und zeitbezogen bestellt bzw. abgerechnet werden. Kosten für nicht genutzte Software in einzelnen Projektphasen entfallen somit. Hotline-Funktionen, Sonderentwicklungen oder temporäre Projektunterstützungen können vom Servicedienstleister zentral und sehr schnell zur Verfügung gestellt werden.

Dauer: 2010-9 bis 2012-8
Förderung: Sächsische Aufbaubank SAB

Beschreibung:
  

Dauer: 2010-2 bis 2011-3
Förderung: Sächsische Aufbaubank

Beschreibung:
Das Projekt ist eine Kooperation zwischen der Professur für Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung und der Image Instruments GmbH Chemnitz und wird von der Sächsischen Aufbaubank gefördert. Ziel Das Ziel des Projektes besteht darin, algorithmische und konzeptionelle Grundlagen zu entwickeln, welche die Umsetzung einer virtuellen Planungssoftware für kieferorthopädische Behandlungen ermöglichen. Die Ausgangslage dafür ist der Abdruck des Gebisses eines Patienten, für den mittels eines 3D-Scanners eine virtuelle Darstellung (i.A. als Dreiecksnetz) erzeugt wird. Die Planungssoftware soll dem Arzt helfen, die anzubringende, festsitzende Apparatur (sog. Brackets) optimal zu positionieren, wobei insbesondere die Stellung der Einzelzähne zu berücksichtigen ist. Der Vorteil einer virtuell unterstützten Behandlung gegenüber dem herkömmlichen Ablauf liegt darin, dass Ablauf und Ergebnis der Behandlung optimiert und zudem Ressourcen in den Planungs- und Laborprozessen eingespart werden können. Einer der interessanten Forschungsschwerpunkte ist die virtuelle Segmentierung der Ober- und Unterkiefer. Denn eine der Voraussetzungen für den weiteren Verlauf der virtuellen Planung ist die Position, die Ausrichtung und die Größe der Zähne exakt zu kennen. Für dieses Problem existieren diverse viel versprechende Ansätze, die wiederum Basis von studentischen Forschungsthemen sein können. Ergebnisse Im Folgenden sollen anhand einiger Abbildungen Zwischenergebnisse präsentiert werden.

Abb. 1: Einer der ersten Schritte für die virtuelle Verarbeitung der 3d-Kiefermodelle ist das Segmentieren der einzelnen Zähne. Die Segmentierung wird durch die ungefähre Positionsangabe eines Zahnes (via Mausklick) initialisiert und basierend auf der zugrunde liegenden Oberflächenkrümmung durchgeführt.

Abb. 2: Wenn alle Zähne extrahiert wurden, kann anhand deren Lage die Okklusionsebene (links) sowie der Zahnbogen (rechts) approximiert werden.

Abb. 3: Mit dem Zahnbogen und einigen zusätzlichen Informationen ist es möglich, für jeden einzelnen Zahn ein lokales Koordinatensystem zu ermitteln, welches die relative Lage des Zahnes beschreibt. Mit diesem lokalen Koordinatensystem ist es dann möglich, die ungefähre Position für das Platzieren der Brackets zu berechnen. Durch das lokale Koordinatensystem ist diese Berechnung auch dann zuverlässig, wenn Zähne sehr schief im Gebiss stehen.

Abb. 4: Für das Neuausrichten der Einzelzähne im Gesamtgebiss, ist die Kenntnis über die Abstände bzw. Berührpunkte von einander gegenüberliegenden Zähnen notwendig. Um diese Informationen schnell ableiten zu können, wurde eine Abwandlung der medialen Achse entwickelt. Diese liegt lokal im gleichen Abstand zu Unter- und Oberkiefer. Die Farbkodierung bildet die jeweils minimale Distanz ab.

Mitarbeit Interessierte Studenten wenden sich bitte an den Projektleiter (Dr. Brunner) für entsprechende Praktika oder Studienabschlussarbeiten. Literatur Kronfeld T., Brunner D., Brunnett G.: Snake Based Segmentation of Teeth from Virtual Dental Casts, Computer-Aided Design & Applications, CAD Solutions
Kronfeld T., Brunner D., Brunnett G.: Snake-basierte Segmentierung von Zähnen aus virtuellen Gebissmodellen, Proceedings, 6. Workshop der GI-Fachgruppe VR/AR, pp. 25-36, Shaker Verlag, ISBN/ISSN 978-3-8322-8662-0 Auszeichnung Best-Paper-Award des internationalen Journals "Computer-Aided Design & Applications", 2010, siehe Bestpapers

Dauer: 2009-4 bis 2011-9
Förderung: DFG

Beschreibung:
Aktuelle Forschung

Da die Analyse der Massivumformteile auf einer Repräsentation als Kurvenskelett erfolgen soll, wurden Funktionalitäten untersucht und implementiert, um dieses Skelett effizient aus einem Volumenmodell der Geometrie zu extrahieren. Der derzeitige Forschungsstand favorisiert einen Abtragungsprozess von Volumenelementen (Voxel), welcher durch die Ausprägung eines Vektorfeldes innerhalb des Objektes gesteuert wird. Dieses Vektorfeld beschreibt dabei zum Beispiel den Gradienten der Distanz eines jeden Voxels zum Rand des Voxelmodels.

Während Skelettierung, auch in der oben beschriebenen Ausprägung, bereits weitreichend untersucht ist, entstehen im Bereich der von uns betrachteten Bauteile besondere Anforderungen. Hier ist besonders die Betrachtung von "flachen" Bauteilen von Interesse, wobei "flache" Bauteile jene sind, die in einer Dimension eine wesentlich kleinere Ausdehnung haben als in den restlichen Dimensionen. Während das Kurvenskelett zur Analyse auch eines solchen Bauteils genutzt werden soll, repräsentiert ein reines Kurvenskelett die Geometrie in diesem Fall nicht ausreichend. Um die dadurch verstärkt auftretende Instabilität des Skeletts auszugleichen, mussten spezielle Algorithmen konzipiert werden.

Auf Basis des Kurvenskeletts werden Algorithmen zur Bestimmung von Haupt- und Nebenformelementen entwickelt. Weiterhin kann durch eine Querschnittsanalyse entlang des Skeletts (mit Schnittebene senkrecht zum Skelett) die Objektform besser ausgewertet werden. Zusammen mit weiteren Eigenschaften des Skeletts können komplexe Merkmale eines Bauteils separiert und klassifiziert werden.




Ein weiterer Schwerpunkt der aktuellen Forschung ist die Oberflächenanalyse von Blechteilen. Hierbei werden auf Basis der Oberflächenkrümmung scharfe Kanten (Featurelines) in der Geometrie gefunden und genutzt, um grundlegende Elemente der Oberfläche (z. B. Boden, Zarge und Flansch) zu extrahieren.

Dauer: 2010-1 bis 2011-3

Beschreibung:

Dauer: 2004-0 bis 2010-0

Beschreibung:

Wie in vielen anderen Wissenschaftsdisziplinen gibt es auch in der Archäologie Tendenzen, komplexe und zeitraubende Arbeitsschritte durch einen automatisierten, computergestützten Workflow zu ersetzen. Dabei geht es nicht nur darum, die schiere Menge an Fundstücken, speziell soll es sich um getöpferte Gefäße handeln, einer Ausgrabungsstätte in kürzerer Zeit und somit mit geringeren finanziellen Mitteln zu verarbeiten, sondern auch um eine Verbesserung der Qualität des Ergebnisses sowohl der Dokumentation als auch der Klassifikation.

Die Dokumentation der Fundstücke besteht aus der photographischen Erfassung, Ermittlung der Objektmaße, Nummerierung, Aufnahme von Daten zum Fundort und insbesondere dem Skizzieren in detaillierten Zeichnungen. Diese Arbeit erfordert viel Übung und ist sehr zeitintensiv, wobei eine realistische Angabe des Zeitaufwands für die Dokumentation eines Gefäßes von einer bis zu mehreren Stunden reicht. Außerdem geben derartige Zeichnungen das reale Objekt nur mit begrenzter Genauigkeit wieder, da sie nur zweidimensional sind und zudem jeder Zeichner seinen individuellen Stil hat.

Die Klassifikation erfolgt zumeist mittels einer Typologie, d.h. die Typzuweisung erfolgt z.B. nach Abgleich mit diversen Prototypen. Wird für ein zu klassifizierendes Objekt starke Ähnlichkeit mit einem Prototyp festgestellt, wird es dessen Klasse zugewiesen. Es existieren zahlreiche Typologien für verschiedene Ausgrabungsstätten aber kein vereinheitlichender Standard, was die Verständigung zwischen Archäologen erschwert. Hinzukommt, dass eine solche Art der Klassifikation sehr intuitiv und unter Umständen durch andere Archäologen nicht reproduzierbar ist.

Unter Verwendung computergestützter Methoden soll die klassische Dokumentation durch die digitale dreidimensionale Objekterfassung ersetzt werden, welche erst seit wenigen Jahren mit der Entwicklung von leistungsstarken und zugleich erschwinglichen 3D-Scannern möglich ist. Dadurch soll einerseits Zeit gespart und andererseits das Objekt geschont werden, das nicht versandt werden muss, mittels Internetverbindung aber binnen weniger Minuten weltweit in digitaler Form zur Verfügung gestellt werden kann. Die ebenfalls zur Dokumentation gehörende Aufnahme von Metadaten kann durch Eingabe der Daten in Formularmasken erleichtert werden, sollte aber im Idealfall automatisch erfolgen.

Die Klassifikation soll zumindest bei der groben Einteilung der Gefäße in Gruppen automatisch durch Verarbeitung des erfassten 3D-Modells erfolgen. Das Klassifikationsergebnis war bislang abhängig von der individuellen Erfahrung der jeweiligen Archäologen und der Wahl der Typologie. Eine maschinelle Klassifikation kann hier hingegen zwar objektive Ergebnisse liefern, ist aber angesichts des Beschreibungsreichtums einer klassischen archäologischen Klassifikation eine besonders große Herausforderung. Zum Finden der charakteristischen Objektmerkmale werden Methoden der Statistik und der Mustererkennung genutzt. Dabei ist Expertenwissen über diese für die Klassifikation erforderlichen Merkmale vonnöten, das von Archäologen geliefert werden muss. Weiterhin ist es denkbar, daß im Zuge der Forschung zu diesem Thema inhärente, bislang nicht genutzte Merkmale gefunden werden, anhand derer ebenfalls Objektklassen diskriminiert werden können.

Neben der Dokumentations- und Klassifikationskomponente sollte ein entsprechendes System auch über eine Objektdatenbank verfügen, in der Metadaten zusammen mit den digitalisierten Objektrepräsentationen abgelegt werden. So soll es möglich sein, den Bestand an archäologischen Funden organisiert zu verwalten und Ähnlichkeitssuchen auf dem Datenbestand durchzuführen. Außerdem könnten über Data-Mining-Methoden neue Informationen aus dem Datenbestand gewonnen werden, die den Archäologen dienlich wären.

Da die Fundstücke häufig nicht mehr intakt sind, sondern als Scherben vorliegen, wäre zudem eine Systemkomponente wünschenswert, die ähnliche Scherben, die vermutlich zu einem Gefäß gehören, bestimmt und zu einem Gefäß oder zumindest einem größeren Fragment zusammensetzt.

Zu diesem Forschungsprojekt werden ständig Themen für Praktika und Studienarbeiten, Diplomarbeiten, die sich an den offenen Forschungsschwerpunkten orientieren, angeboten.

Offene Forschungsschwerpunkte:

• Um die Rekonstruktion von Gefäßen aus Scherben zu vereinfachen, wäre ein automatisches Auffinden der zu einem Objekt gehörenden Scherben z.B. auf Grundlage der beiden globalen bzw. der am Rand existierenden lokalen Hauptkrümmungsrichtungen hilfreich. Dabei ist das Ermitteln gemeinsamer Bruchkanten zweier Scherben und automatisches, virtuelles Zusammensetzen beider Fragmente ist Schwerpunkt der Forschungsarbeit.

• Da Gefäße nicht immer vollständig erhalten sind, sondern größere Gefäßteile fehlen können, wäre eine Methode wünschenswert, die zumindest die ursprüngliche Form des Gefäßes automatisch rekonstruiert. Ein mögliches Verfahren dafür konvertiert ein Polygonalmodell in eine Voxeldarstellung und wendet auf diese Voxelmenge morphologische Operatoren an, um Löcher zu schließen. Der „Marching Cube“-Algorithmus berechnet aus der Voxeldarstellung wieder ein Netz.

• In der analytischen Computergeometrie gibt es diverse Verfahren für die Segmentierung / Dekomposition von 3D-Modellen. Für die archäologischen Gefäße müsste ein Verfahren gefunden und erweitert werden, um zuverlässig Henkel bzw. Standfüße vom Gefäß, für deren separate Weiterverarbeitung, abzutrennen.

• Allgemeingültige Level-of-Detail – Verfahren haben den Nachteil, dass bei zu großer Vereinfachung, zu viele Details verloren gehen. Insbesondere bei archäologischen Fundstücken wäre es erstrebenswert, wenn trotz der Geometrievereinfachung auch kleinere Verzierungen erhalten blieben. Deshalb sollten nicht nur „color maps“, sondern auch „normal maps“ für die vereinfachte Geometrie erzeugt und in einer speziellen Textur gespeichert werden. Der anvisierte Beschleunigungsfaktor für die Visualisierung ist mit etwa 10 angesetzt.

• Für den Klassifizierungsprozess ist es interessant, ob ein Gefäß einen festen Standbereich hat oder ob ein zusätzliches Gestell für eine stabile Positionierung nötig wäre. Durch Betrachten des Gefäßes kann diese Frage zwar sehr schnell beantwortet, für die Klassifizierung aber, soll diese Entscheidung, im Sinne der Automatisierung, von der Software getroffen werden. Dazu ist die Entwicklung eines geeigneten Verfahrens erforderlich.

• Für die Dokumentation ist eine skizzenhafte Darstellung der jeweiligen Objekte nötig, die besondere Merkmale (z.B. Verzierungen, Oberflächenstruktur) hervorheben und unbrauchbare Merkmale (z.B. Verschmutzung) unterdrücken soll. Dazu müssten bekannte Verfahren des „Non-Photorealistic-Rendering“ angepasst und erweitert werden.

 

Themen für Praktika:

• Da die Objekte in einer archäologischen Datenbank abgelegt werden sollen, muss dazu eine geeignete Struktur der zu erfassenden Daten gefunden werden. Die Entwicklung eines XML-basierten Beschreibungsschemas für die standardisierte Multimedia-Metadaten-Beschreibungssprache MPEG-7 erscheint zeitgemäß und in Anbetracht der Notwendigkeit plattformübergreifender Kompatibilität sinnvoll. Dabei wäre eine Datenverwaltung mit mehreren „Level of Details“ (LOD) wünschenswert.

• Die archäologischen Modelle enthalten oft mehr als eine Millionen Dreiecke (d.h. > 50 MByte Daten). Für die schnelle Verarbeitung und Visualisierung der Daten sind optimierte Algorithmen notwendig; speziell für OpenGL existieren Erweiterungen, die die Darstellung beschleunigen (z.B. Vertex Object Buffers). Ziel des Praktikums wäre die Implementierung einer oder mehrere Visualisierungsarten und der Vergleich deren Leistungsfähigkeit.

Dauer: 2003-0 bis 2010-0

Beschreibung:
Eine Vielzahl von aktuellen Anwendungen erzeugen extrem komplexe polygonale Modelle. Andererseits möchte der Nutzer oft mit diesen Modellen, die nicht selten mehr als eine Million Polygone beinhalten, reibungslos interagieren. Um reibungslos mit einer virtuellen Szene interagieren zu können, müssen mindestens 15 Bilder pro Sekunden von deren Modell gerendert werden. Selbst die aktuellste Highend-Grafikhardware ist aber mitunter nicht in der Lage, bei der Darstellung solch komplexer Modelle eine solche Framerate zu erreichen. In diesem Fall kommen sogenannte Real-Time-Rendering-Techniken zum Einsatz, um letztendlich doch eine annehmbare Framerate zu erreichen.

 

Im Rahmen dieser Forschungsarbeit soll eine verteilte Reduktionsapplikation entwickelt werden, die ein bereits bestehendes Rendering-System unterstützt bzw. in ein solches in Form eines Plug-ins integriert werden kann. Mit dieser Applikation soll es möglich sein, komplexeste, dynamische Szenen mit dynamischen Objekten zu reduzieren. Einerseits soll die zu entwickelnde Applikation eine hohe Performanz zeigen. Andererseits soll die Qualität der Szenenbilder, die mit Approximationen gerendert wurden, welche wiederum durch die verteilte Reduktionsapplikation erzeugt wurden, gleichbleibend hoch sein. Um komplexeste Szenen unterstützen zu können, ist es weiterhin notwendig, dass die zu entwickelnde Applikation die Objektinstanziierung unterstützt.

Homepage: http://www.tu-chemnitz.de/informatik/HomePages/GDV/forschung/projectpages/Hilbert/Forschungsbericht%20DVL%20final.htm 

Dauer: 2004-0 bis 2010-0

Beschreibung:
Archäologische Ausgrabungen erbringen zurzeit allein in Sachsen rund 750.000 Objekte pro Jahr. Die sich anschließende Dokumentation der Funde ist ein äußerst zeitaufwändiger und daher kostenintensiver Prozess. Aufgrund der Subjektivität der Wahrnehmung sowie den unterschiedlichen Fähigkeiten und Stilen der Zeichner, teilweise auch uneinheitlicher Normen sind die Ergebnisse stark inhomogen und oftmals schwer zu vergleichen. Zeichnungen sind außerdem mit einem deutlichen Informationsverlust verbunden.
Aufgrund dessen wurde in Zusammenarbeit mit dem Sächsischen Landesamt für Archäologie die Dokumentationssoftware „TroveSketch“ entwickelt, deren Hauptanliegen das Erzeugen publikationsreifer Abbildungen inklusive Oberflächeneigenschaften, Bruchkanten, Profilschnitten und ggf. Abwicklungen in die Ebene ist. Dies ermöglicht nicht nur die Einführung eines verbesserten Zeichenstandards, sondern auch die Archivierung und das Wiederauffinden von Objekten werden wesentlich beschleunigt. Dazu werden die Fundstücke zunächst mithilfe von 3D-Laserscannern digitalisiert, anschließend virtuell vermessen und in einer Datenbank abgelegt. Diese können nun über traditionelle Publikationen oder das Internet für jedermann zwei- und dreidimensional verfügbar gemacht werden.

Abb. 1: Handzeichnung

Abb. 2: Handzeichnung auf Grundlage der gerenderten Ansicht

Abb. 3: Plastisch gerenderte Ansicht

Um auch zerscherbtes und unvollständiges Material für Publikationen aufzubereiten, ist eine weitere Software zur Rekonstruktion keramischer Gefäße entstanden. Das Programm ist in der Lage, Fehlstellen zu schließen und sogar ganze Rotationskörper aus einigen wenigen repräsentativen Scherben wiederherzustellen. Die damit einhergehende Verbesserung des optischen Eindrucks ist enorm.

Abb. 4: Screenshot der Rekonstruktionssoftware

Homepage: http://www.archsax.sachsen.de/Themenportal/1345.htm 

Dauer: 2009-4 bis 2010-12
Förderung: Sächsische Aufbaubank (SAB)

Beschreibung:
Teilprojekt:
Automatische Generierung natürlicher menschlicher Bewegungssequenzen - Bewegungsgenerator

Beschreibung:
Das Ziel des Teilprojektes ist der Entwurf und die Entwicklung eines Bewegungsgenerators - einer modularen Systemarchitektur, welche eine automatisierte Bewegungs- und Posengenerierung für digitale Menschmodelle ermöglicht.

Dieses Modul zählt zu den Kernkomponenten der »Digitalen Fabrik«, bei welcher Fehlerquellen und Risiken bei der virtuellen Erprobung frühzeitig erkannt und gegebenenfalls beseitigt werden können. Beispielsweise ist bei den Montage-Prozessen die menschliche Arbeit aufgrund ihrer Flexibilität gegenüber Maschinen und Automaten von großer Bedeutung und somit wichtiger Erfolgsfaktor. Umso schwerwiegender ist der Mangel an geeigneten Softwarewerkzeugen, um diesen Bereich effizient zu erfassen und im Voraus planen und visualisieren zu können.

Der Bewegungsgenerator repräsentiert das Bindeglied zwischen der visuellen Repräsentation und den methodischen Untersuchungen. Die Bewegungen, die ein Menschmodell liefert, sollen primär genutzt werden, um die Ausführbarkeit der geplanten Tätigkeiten und die Richtigkeit der zeitlichen Bewertung zu verifizieren. Zugleich wird den ergonomischen und arbeitschutzrechtlichen Aspekten der Ablauf- und Arbeitsplatzgestaltung eine immer größere Bedeutung zuteil, die mit dem geplanten Ergebnis der Forschungsarbeit erheblich befruchtet wird. Die zu erzeugenden Bewegungen sollen deshalb auf den Betrachter zunächst glaubhaft wirken und soweit möglich in Echtzeit generiert werden. Ferner sollen die synthetisierten Bewegungen aber vor allem arbeitswissenschaftlichen, ergonomischen und biomechanischen Überprüfungen standhalten.

Die hierzu notwendigen Vorgaben der einzelnen Wissenschaftsfelder müssen nicht nur in einer nachfolgenden Analyse, sondern auch schon in den Generierungsprozess einfließen.

Dauer: 2007-1 bis 2009-6
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen,

Beschreibung:
Das Ziel des Projektes besteht darin, ein Virtuelles Prototyping für Schuhmodelle zu entwickeln. Durch VR-basierte Modellierung soll damit die Entwurfsfindung in der Schuhproduktion unterstützt werden.

Durch den Einsatz moderner Tracking-Hardware wird dem Benutzer ein taktiles Interface zur Verfügung gestellt, welches den herkömmlichen Designprozess abbildet. Dieses Interface besteht aus einem realen Leisten (Modell des Schuhinneren) und einem realen Stift, mit welchen in der VR-Arbeitsumgebung jeweils ein virtuelles Gegenstück bewegt wird. Ziel dieser Herangehensweise ist es, die Akzeptanz bisher traditionell arbeitender Designer für eine computergestützte Variante des Designprozesses zu maximieren.

Die Möglichkeiten des Benutzers wurden (ausgehend vom Vorgängerprojekt) von reiner Präsentation hin zu vielseitiger Modellierung ausgebaut. Analog zum traditionellen Designprozess basieren alle Elemente des Schuhs (Schaftmaterial, Schmuckelemente, Nähte, ....) auf Designlinien, welche möglichst intuitiv erstellt und bearbeitet werden. Die Erzeugung der einzelnen Bestandteile des Modells (zumeist aus den Designlinien) basiert auf mehreren geometrieverarbeitenden Modulen.

Das durch dieses Projekt ermöglichte Design bietet mehere Vorteile gegenüber einem herkömmlichen, händisch erstellten Entwurf. So liegt die digitalisierte Version des Designs ständig vor und kann später problemlos vom künstlerischen Designer zur nachfolgenden, technischen Detaillierung weitergegeben werden. Ein großer Vorteil liegt in der Möglichkeit, das Schuh-Modell mit minimalem Aufwand nachträglich ändern zu können. In der klassischen Entwurfsfindung entstehen gerade an dieser Stelle hohe Kosten.

Das Forschungsprojekt ist eine Kooperation mit dem Prüf- und Forschungsinstitut Pirmasens e. V.

Dauer: 2007-1 bis 2009-12
Förderung: DFG (Kennzeichen BR 1185/7-1)

Beschreibung:
Die Klassifikation von Funden stellt in der Archäologie die grundlegende Methode dar, mit der einzelne Fundobjekte zu Typen zusammengefasst und miteinander verglichen werden können. Für die verschiedenen Epochen, aus denen archäologische Funde erhalten sind, und in den einzelnen Fundregionen haben sich eine große Zahl von Klassifikationsschemata und Typenbegriffen entwickelt, die häufig stark voneinander abweichen. Das Ergebnis dieser Entwicklung ist zwangsläufig, dass es heute nur mit großem Aufwand möglich ist, verschiedene Fundkomplexe hinsichtlich ihrer Zusammensetzung miteinander zu vergleichen. Eine solide Klassifikation ist grundlegend für die wissenschaftliche Bearbeitung von archäologischem Fundmaterial. Sie nimmt jedoch häufig soviel Zeit in Anspruch, dass angesichts des großen Fundanfalls für eine Auswertung der Fundkomplexe und für überregionale Vergleiche kaum noch Zeit vorhanden ist.
In einer Kooperation des Landesamtes für Archäologie Sachsen (LfA) und der Technischen Universität Chemnitz wird nun ein Programm zur automatisierten Keramikklassifikation entwickelt, das es ermöglichen soll, diesen zeitaufwändigen Arbeitsschritt zu verkürzen und gleichzeitig nachvollziehbare Ergebnisse zu liefern. Das Projekt »Automatisierte Klassifikation« wird seit 2007 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.
Die Basis des Projekts ist die Keramik aus dem Gräberfeld von Kötitz, Stadt Coswig (Lkr. Meißen). Das Gräberfeld umfasst rund 350 Urnengräber, die überwiegend aus der Zeit zwischen 1400 und 800 v. Chr. stammen und der Lausitzer Kultur angehören. Aus den Gräbern stammen rund 2000 Gefäße, von denen 1500 weitgehend vollständig erhalten sind.
Die Gefäße werden am LfA mit einem Laserscanner dreidimensional erfasst. Anschließend werden virtuelle 3D-Modelle von ihnen erstellt. Die entwickelte Software leitet automatisiert Metadaten ab, die in einer Datenbank abgespeichert werden können. Zu diesen Daten gehören die Gefäßmaße, aber auch Merkmale wie Aufbau, Komplexität, Anzahl der Henkel usw.

Abb. 1: Screenshot der Software zur Merkmalsextraktion

Die entwickelte Software soll in der Lage sein, aufgrund signifikanter Merkmalskombinationen Gefäßgruppen und Typen zu finden. Mithilfe einer Ontologie kann das Beziehungsgeflecht zwischen den einzelnen Merkmalen dargestellt und nachvollziehbar gemacht werden. Daran angeschlossen ist ein umfassender Thesaurus, der eine von den mathematischen Beziehungsdefinitionen losgelöste Gefäßbeschreibung ermöglicht und gleichzeitig erstmals eine einheitliche Grundlage für den archäologischen Sprachgebrauch schafft.
Neben der eigentlichen Klassifikation soll die Software auch die Funktion einer Datenbank einnehmen, die speziell auf die Bedürfnisse von Archäologen ausgerichtet ist und eine einfache Fund- und Befundverwaltung ermöglicht

Abb. 2: Lernkurven verschiedener Maschineller Lernverfahren für die 15 primären Gefäßtypen

Dauer: 2007-1 bis 2009-6
Förderung: Bundesinstitut für Sport (BiSp)

Beschreibung:
Einleitung

Die Professur für Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung der TU-Chemnitz entwickelte den Prototyp „V-Pong“ einer auf VR-Technologie basierenden Tischtennissimulation. Dabei wird unter Nutzung eines realen Schlägers in Verbindung mit optischem Infrarottracking ein virtueller Ball auf eine virtuelle Platte gespielt. Der gegnerische Spieler wird dabei computertechnisch simuliert und dreidimensional visualisiert. Der Schwerpunkt der bisherigen Arbeiten lag in der Erfassung und Verarbeitung von schnellen Bewegungen zur Realisierung von Echtzeitinteraktion.
Der Inhalt dieses Projektes war es, den vorhandenen Software-Prototyp um reale Aufschläge und die Möglichkeit des Returns auf diese Aufschläge zu erweitern. Hierzu sollten Bewegungsdaten und Ballflugbahnen synchron aufgezeichnet werden. Das V-Pongsystem sollte so erweitert werden, dass die aufgezeichneten Aufschläge beliebig oft „abgespielt“ werden können. Dabei sollte ein Avatar die aufgezeichneten Bewegungen nachvollziehen, was für die Antizipation im Spiel von zentraler Bedeutung ist. Zur Analyse des Returns sollten verschiedene Auswerte- und Visualisierungsfunktionen entwickelt werden.

Ergebnisse

Die in diesem Projekt entwickelten und überarbeiteten Module wurden in die Simulationsumgebung V-Pong integriert. Im Ergebnis ist es nun möglich, einen aufgezeichneten Aufschlag eines realen Spielers in die Simulation einzulesen und diesen Aufschlag abzuspielen. Die aufgenommenen Bewegungen werden auf einen virtuellen Spieler übertragen. Der Nutzer des Systems sieht also wie sein Gegner den Schlag ausführt und kann einen Return spielen. Damit der Ballwechsel nach dem Return nicht zwangsläufig abbricht, wird die weitere Bewegung des Avatars synthetisch fortgesetzt. Diese Möglichkeit dient der Vorausschau auf eine weitere Entwicklung des Spiels auf Grund des gewählten Returns.
Einen großen Vorteil stellt die Reproduzierbarkeit des Aufschlages dar. Ein einmal erfasster Aufschlag kann beliebig oft abgespielt werden, um diese Situation zu analysieren. Unabhängig vom Erfolg des gespielten Returns können die Daten im Anschluss genauer betrachtet werden. Beispielsweise kann die Bewegung des Schlägers noch mal abgespielt werden und in diesem Zusammenhang der genaue Auftreffpunkt des Balls auf dem Schläger ermittelt werden. Im derzeitigen System wird nur der Schläger und der Kopf des realen Spielers getrackt, folglich können auch nur diese Daten visualisiert werden. Eine Visualisierung des gesamten Körpermodells könnte die Analysefunktion weiter aufwerten. Dies erfordert jedoch entweder ein komplettes Motioncapturing des Spielers oder eine algorithmische Methode, um die fehlenden Bewegungsdaten zu approximieren. Hierfür wurde ein algorithmischer Ansatz entwickelt.
Um eine realistische Simulation zu ermöglichen, wurden die Physikberechnungen nochmals überprüft und verbessert. Dies erfolgte auf der Grundlage der gewonnen Daten der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen eines definierten Ballfluges. Mittels einer speziell dafür entwickelten Software wurden die Flugbahn und die Rotation eines realen Balls analysiert. Die gewonnenen Informationen wurden dann in die Tischtennissimulation integriert. Es stellte sich so heraus, dass der Luftwiderstand nicht linear wirkt und auch die Geschwindigkeit quadratischen Einfluss hat. Durch die überarbeitete Physiksimulation konnte die Realitätsnähe des Spiels deutlich gesteigert werden.
Zur weiteren Verbesserung der Realitätsnähe der Simulation wurde der Tischtennisschläger um ein taktiles Feedback erweitert. Hierfür war es notwendig neue Hard- und Software zu entwickeln. Im Ergebnis entstand ein neues prototypisches Interaktionsgerät, welches es dem Spieler ermöglicht, den Ballkontakt zu fühlen. Da der Schläger kabelgebunden arbeitet und nur konstantes Feedback erlaubt, ergeben sich hier Möglichkeiten für weitere Entwicklungen.
Bei der Vermessung von Tischtennisspielern und der damit verbundenen Erfassung der Bewegungsdaten zeigte sich, dass die existierenden Systeme noch Probleme haben, die gesamten Daten zu erfassen. Es war daher erforderlich mehrere Messsysteme zu kombinieren und die drei benötigten Arten der Bewegungsdaten aufzuzeichnen. Dazu gehört die Bewegung des Spielers, die Bewegung des Schlägers und die Ballflugbahn. Hier wurden eigene Verfahren entwickelt, um alle Daten gleichzeitig erfassen zu können. Zusätzlich wurde es erforderlich diese Daten sowohl zeitlich als auch räumlich zu synchronisieren. Dies erfolgt teilweise manuell. Hier ist Spielraum für mögliche Verbesserung erkennbar.
Die rasante Entwicklung der Trackingsysteme wird in naher Zukunft die Bewegungserfassung sowohl einfacher als auch genauer ermöglichen, wodurch die Anzahl der verfügbaren  Datensätze sprunghaft steigen wird. Die Kombination realer und synthetischer Bewegungsfolgen wird an Bedeutung gewinnen, um nicht nur Aufschläge, sondern längere Ballwechsel am Computer zu simulieren. Die geringere Latenz zukünftiger Trackingsysteme wird die hochrealistische Simulation des Tischtennisspiels ermöglichen.
Die in diesem Projekt entwickelte Software bietet die Grundlage für die Realisierung einer neuen Generation von Simulatoren im Tischtennis, die in Zusammenarbeit mit Tischtennisspielern und -trainern zu konkreten Trainingswerkzeugen weiterentwickelt werden können.

Dauer: 2008-5 bis 2009-12

Beschreibung:
Szenenbasierte Erweiterung der Subhologrammerzeugungssoftware und Integration des Spatial Light Modulators

Dauer: 2008-5 bis 2008-10
Förderung: BMBF-Innovationsinitiative ForMat

Beschreibung:

Homepage: http://www.tu-chemnitz.de/informatik/HomePages/GDV/Projekte/VirtualGA/ 

Dauer: 2000-12 bis 2007-4

Beschreibung:

Homepage: http://www.tu-chemnitz.de/informatik/HomePages/GDV/forschung/projectpages/vanco/Objektrekonstruktion.htm 

Dauer: 2002-0 bis 2007-0

Beschreibung:
Um die Entwicklung künftiger Projekte zu vereinfachen wurde eine dreidimensionale Benutzerschnittstelle entwickelt. Das Ziel hierbei ist die Bereitstellung einer Softwarebibliothek zur Verwendung in weiterführenden Forschungsprojekten bzw. zur Entwicklung komplexerer Applikationen. Diese Bibliothek stellt eine hardwareunabhängige Abstraktionsebene dar und erlaubt somit die Entwicklung von Applikationen ohne sich vorher auf eine spezifische Plattform zu beschränken. Weiterhin werden sämtlich grafischen Elemente als dreidimensionale Objekte dargestellt. Dies ermöglicht eine einfache Integration in VR-Applikationen, ohne jedoch auf derartige System angewiesen zu sein. Das bedeutet, dass jede Applikation, die diese Bibliothek verwendet, sowohl im 3D-Modus mit kompletter dreidimensionaler Eingabe als auch im normalen Monitorbetrieb mit Maus und Tastatur benutzt werden kann.
Homepage: http://www.tu-chemnitz.de/informatik/HomePages/GDV/forschung/projectpages/Russdorf/projektbeschreibung.html 

Dauer: 2004-0 bis 2007-0

Beschreibung:
Die Applikation wird zur Verifikation und Optimierung diverser Verfahren und Algorithmen (Tracking, Filtering, physikalische Simulation, (verteiltes)Rendering) an der Professur eingesetzt.
Aktuelle Schwerpunkte bei der Weiterentwicklung betreffen die Verbesserung der Physiksimulation und das intelligente Verhalten des Gegners inklusive der Bewegungssynthese in Echtzeit.

Homepage: http://www.tu-chemnitz.de/informatik/HomePages/GDV//content.php?inhalt=54 

Dauer: 2005-2 bis 2007-6
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF

Beschreibung:

Ziel des Projektes war es, die Grundlagen für das Virtuelle Prototyping im Bereich der Schuh­produktion durch Anwendung der innovativen Techniken der Virtuellen Realität zu schaffen. Virtuelles Prototyping heißt in diesem Zusammenhang, dass bereits in den der Fertigung vorgelagerten Prozessen, die von der Produktidee über den Entwurf bis zur Fertigungs­vorbereitung reichen, realitätsnahe visuelle Produktpräsentationen zur Produktbewertung vorgenommen werden. Das ermöglicht Fehlentwicklungen möglichst früh zu erkennen und somit Zeit und Kosten einzusparen. Außerdem ist mit einer solchen virtuellen Produktpräsentation von verschiedenen Modellvarianten vor den Einkäufern des Handels eine begründete Selektion der Modelle mit hoher Akzeptanzerwartung noch vor der Musterschuhherstellung möglich.

Dauer: 2003-0 bis 2005-0
Förderung: DFG

Beschreibung:

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Anatomischen Institut in Göttingen wird ein Komplettsystem entwickelt, das die Vorverarbeitung, Rekonstruktion und Visualisierung von Embryo-Modellen zum Zweck morphogenetischer Untersuchungen im Hinblick auf die Entwicklung des Gehirns und des Nervensystems realisiert.

Aus in Kunstharz eingebetteten Embryos von Affen, Mäusen und Spitzhörnchen (Tupaia belangeri) werden histologische Schnitte im Mikrometerbereich angefertigt. Ausgewählte Schnitte werden im Anschluss mithilfe des Huge Image Systems von Zeiss mit einer extrem hohen Auflösung bereichsweise gescannt. Nach einem komplexen Scanvorgang von einem Schnitt entstehen etwa 1700 Teilbilder mit der Auflösung von 1.3 Megapixel. Die Teilbilder werden durch unsere Software zu einem großen Bild mit bis zu 2.2 Gigapixel zusammengesetzt und ggf. auf kleinere Auflösungen skaliert. Manuell werden relevante zelluläre Ereignisse in den resultierenden, detailreichen Bildern identifiziert und hinsichtlich ihrer Position und Größe markiert (Abb. 1).

Abb. 1: Markierung zellulärer Ereignisse.

Im Weiteren werden die Bilder mithilfe von verschiedenen lokalen und pixelbasierten Operationen (Resampling, Gauß, Rauschreduktion, Kontrasterhöhung, Gamma-Korrektur, Thresholding etc.) sowie speziellen Filtern bearbeitet (Abb. 2a, 2b und 2c), um die semiautomatische Konturextraktion der gewünschten Objekte mithilfe von aktiven Konturen zu unterstützen. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, das ausgehend von einer einfachen Initialkontur einen iterativen Verformungsalgorithmus ausführt, welcher ein komplexes Energiefunktional minimiert und dadurch die Position und Lage der Kontur bis hin zu den Objektkanten schrittweise verbessert.

Abb. 2a: Antigrid-Filter.	Abb. 2b: Particle-Filter.	Abb. 2c: Allgemeine Filter.

Für die semiautomatische Konturextraktion wurde eine Software entwickelt, die das Verfahren der aktiven Konturen oder Snakes implementiert und weiterentwickelt, um eine schnelle Bearbeitung der Bilder bei höchstmöglicher Auflösung zu gestatten. Als geeignete Beschleunigungstechniken stellten sich unter anderem ein Multiresolutionansatz und die Aufteilung der aktiven Kontur in verschiedene Segmente heraus. Im ersten Fall wird in einer niedrigen Auflösung sehr schnell eine grobe Näherung der Objektbegrenzung berechnet, während in höheren Auflösungen nur noch wenige zeitaufwendige Iterationen zur detaillierten Annäherung nötig sind. Da diese Ausrichtung an den Objektkanten, abhängig vom Quellmaterial, unterschiedlich schnell erfolgt, werden im zweiten Fall die Segmente der aktiven Kontur, die sich bereits gut angepasst haben, von der weiteren Berechnung ausgeschlossen. Dadurch sinkt der Berechnungsaufwand im Laufe der Verformung.

Abb. 3: Semiautomatische Konturextraktion mit Snakes.

In einigen Fällen ist die automatische Konturerkennung, beispielsweise durch schwache Intensitätsunterschiede benachbarter Gewebetypen, unmöglich. Die entsprechenden Objektbegrenzungen werden dann manuell nachgezeichnet. Die manuelle Erzeugung der Konturen bringt neben dem Zeitnachteil noch ein weiteres Problem mit sich. Es werden ungewollt verschiedene Fehler in die Daten eingeführt (Überschneidungen, falsche Verbindungen, etc.). Um diese manuell erzeugten Konturen für die anschließende Rekonstruktion vorzubereiten, müssen diese analysiert und ggf. korrigiert werden. Das geschieht mit einer speziell für diesen Zweck entwickelten Software weitestgehend automatisch.

Die Rekonstruktion von einzelnen Oberflächen eines Embryos aus den parallelen Konturen basiert auf der Delaunay Triangulierung und dem Voronoi Diagramm der Schnitte. Zunächst wurde ein Algorithmus eingesetzt, der aus der Delaunay Triangulierung zwischen zwei benachbarten Schnitten eine Tetraedrisierung berechnet, von deren diejenigen Tetraeder entfernt werden, die sich nicht auf der Oberfläche befinden. Unsere Implementierung des Algorithmus hat gezeigt, dass die vorgeschlagene Menge an Eliminierungskriterien nicht ausreichend ist, um eine konsistente 2-mannigfaltige Oberfläche zu erzeugen (Abb. 4a). Ein neuer Algorithmus extrahiert einen geschlossenen Ring der Oberflächendreiecke aus der berechneten Tetraedrisierung. Dies wird für alle Konturen zwischen zwei Schnitten wiederholt, so dass schließlich sämtliche Tetraeder gelöscht werden können (Abb 4b).

Abb. 4a: Fehler durch Überfaltung.	Abb. 4b: Korrekte Oberfläche.

Aufgrund der schlechten Performance der Rekonstruktion wurde für die Triangulierung der in parallelen Schnitten angeordneten Konturdaten ein neuer heuristischer Algorithmus entwickelt, der aufgrund vorherrschender Nachbarschaftskohärenzen in den vorliegenden Datensätzen in den meisten Fällen eine korrekte Oberfläche sehr schnell automatisch berechnet (Abb. 5). Dieser basiert auf Strategien des Kontur- und Chain-Matchings und arbeitet durchschnittlich in linearer Zeit. Damit stellt der heuristische Ansatz einen wesentlichen Fortschritt gegenüber dem zuvor eingesetzten Algorithmus mit quadratischem Aufwand dar. Nach einer manuellen Prüfung des Rekonstruktionsergebnisses, können ausgewählte Schnitte bei einer falsch berechneten Oberfläche mit veränderten Parametern retrianguliert werden, ohne den gesamten Datensatz nochmals komplett rekonstruieren zu müssen.

Abb. 5: Rekonstruktion aus Schnittdaten. Die Bilder zeigen die in Schnitten organisierten Punktdaten (oben links), die triangulierte Oberfläche im Wireframe (oben rechts), die Oberfläche schattiert und beleuchtet (unten links) sowie die Oberfläche, die nachträglich geglättet wurde (unten rechts).

Die nachträgliche Anwendung unterschiedlicher Glättungsalgorithmen (Laplace, Taubin, Median Filtering, Mean Filtering) führt oft zu einer visuellen Verbesserung des Ergebnisses. Schließlich lassen sich mit unserem Visualisierungssystem eine beliebige Anzahl von Oberflächen zusammen mit den zusätzlichen Strukturen (Apoptosen, Makrophagen), die zu Beginn markiert wurden, und jeweils unterschiedlichen Eigenschaften, wie Material, Reflektivität und Transparenz, darstellen (Abb 6).

Abb. 6: Visualisierung verschiedener Oberflächen des Embryos mit unterschiedlichen Material- und Tranzparenzeigenschaften zusammen mit morphogenetischen Ereignissen (rot bzw. gelb).

Publikationen:

• Kienel E., Brunnett G.: GPU-Accelerated Contour Extraction on Large Images Using Snakes, Chemnitzer Informatik-Berichte, CSR-09-02, pp. 1-12, Faculty of Computer Science, Chemnitz University of Technology, ISBN/ISSN 0947-5125
• Kienel E., Vanco M., Brunnett G., Kowalski T., Clauß R., Knabe W.: A Framework for the Visualization of Cross Sectional Data in Biomedical Research, Visualization in Medicine and Life Sciences, pp. 77-97, Springer, ISBN/ISSN 978-3-540-72629-6
• Kienel E., Vanco M., Brunnett G.: Speeding Up Snakes, Proceedings of First International Conference on Computer Vision Theory and Applications, VISAPP 2006, pp. 323-330, INSTICC Press, ISBN/ISSN 972-8865-40-6
• Knabe W., Washausen S., Kuhn H., Obermayer B., Brunnett G.: Apoptosis and proliferation in developing, mature, and regressing epibranchial placodes, Developmental Biology Vol. 278 Nr. 1, pp. 86-102, Elsevier 2005, ISBN/ISSN 0012-1606
• Knabe W., Washausen S., Kuhn H., Brunnett G.: Rhombomere-specific patterns of apoptosis in the tree shrew Tupaia belangeri, Cell and Tissue Research Vol. 316 Nr. 1, pp. 1-13, Springer Verlag 2004, ISBN/ISSN 0302-766X (Paper), 1432-0878 (Online)
• Knabe W., Washausen S., Kuhn H., Knerlich F., Kietzmann T., Sirén A., Ehrenreich E., Brunnett G.: Expression patterns of erythropoietin and its receptor in the developing midbrain, Anatomy and Embryology Vol. 207 Nr. 6, pp. 503-512, Springer Verlag 2004, ISBN/ISSN 0340-2061 (Paper), 1432-0568 (Online)
• Washausen S., Kuhn H., Vanco M., Haller C., Brunnett G.: Visualization of cross sectional data for morphogenetic studies, Lecture Notes in Informatics, GI 2003, pp. 354-359, Köllen Druck Verlag 2003, ISBN 3-88579-363-6
• Knabe W., Washausen S., Kuhn H., Brunnett G.: Use of reference series to realign histological serial sections for three-dimensional reconstructions of the position of cellular events in the developing brain, Journal of Neuroscience Methods Nr. 121, pp. 169-180, ELSEVIER, ISBN/ISSN 0165-0270

Dauer: 2002-0 bis 2005-0
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Beschreibung:

Eine Reihe praxisrelevanter Randwertprobleme, wie beispielsweise Außenraumprobleme der Akustik und der Elektrostatik, sowie Randwertprobleme der Elastizitätstheorie und der Strömungsmechanik, lassen sich mittels Randintegralgleichungsmethoden bzw. durch Kombination von Finite-Element- und Randintegralgleichungsmethoden vorteilhaft behandeln. Solche Randintegralmethoden führen jedoch üblicherweise auf vollbesetzte Matrizen. Die Behandlung vollbesetzter großdimensionierter Gleichungssysteme verbietet sich naturgemäß wegen des enormen Bedarfs an Speicherplatz und Rechenzeit.

Moderne Ansätze wie das Panel-Clustering-Verfahren, die schnelle Multipolentwicklung, oder zu diesen verwandte Verfahren wie H-Matrizen oder die Adaptive Cross Approximation, versprechen einen Ausweg aus dieser Situation. Ein weiterer Zugang sind Multiskalen- oder Waveletapproximationsmethoden, welche auf der Verwendung von Multiskalenbasen oder biorthogonalen Waveletbasen zur Diskretisierung der Integralgleichungen beruhen. Die dadurch entstehenden Systemmatrizen sind quasi dünnbesetzt, d.h. sie lassen sich ohne Verlust an Genauigkeit durch dünnbesetzte Matrizen ersetzen. Zudem können sie leicht vermittels Diagonalskalierung vorkonditioniert werden.

Die Aufgabenstellung dieses Teilprojektes bestand darin, Wavelet-Galerkinverfahren dahingehend weiterzuentwickeln, dass sie sich zur Lösung von Randintegralgleichungen auf komplexen Oberflächen eignen. Dabei sollten sowohl Oberflächen, die aus stückweise glatten Teilflächen bestehen, als auch polygonal approximierte Flächen betrachtet werden. In der letzteren Situation sollte die Wavelet-Konstruktion nach Tausch/White zum Einsatz kommen.

Literatur:

• M. Randrianarivony, G. Brunnett, and R. Schneider. Constructing a diffeomorphism between a trimmed domain and the unit square. Preprint SFB393/03–20, TU Chemnitz, 2003.
• W. Dahmen, H. Harbrecht, and R. Schneider. Compression techniques for boundary integral equations - optimal complexity estimates. SIAM Journal on Numerical Analysis, 43(6):2251–2271, 2006.

• M. Randrianarivony. Geometric Preprocessing for the efficient use of wavelet based integral equation solvers. PhD thesis, TU Chemnitz, 2006.

• M. Randrianarivony and G. Brunnett. Necessary and sufficient conditions for the regularity of a planar coons map. Preprint SFB393/04–07, TU Chemnitz, 2004.

• M. Randrianarivony and G. Brunnett. c0-paving of closed meshes with quadrilateral patches. Preprint SFB393/05-17, TU Chemnitz, 2005.

• M. Randrianarivony and G. Brunnett. Quadrilateral removal and 2-ear theorems. Preprint Sonderforschungsbereich 393, SFB393/05-18, 2005.

Homepage: http://www.tu-chemnitz.de/sfb393/ 

Dauer: 1997-0 bis 2000-0

Beschreibung:
Stiftung Innovation fuer Rheinland-Pfalz

Dauer: 0-0 bis 0-0

Beschreibung:

Homepage: http://www.tu-chemnitz.de/informatik/HomePages/GDV/forschung/projectpages/Lorenz/Projektbeschreibung_Chromium.htm