Improving Usability in Procedural Modeling

This work presents new approaches and algorithms for procedural modeling geared towards user convenience and improving usability, in order to increase artists’ productivity. Procedural models create geometry for 3D models from sets of rules. Existing approaches that allow to model trees, buildings, and terrain are reviewed and possible improvements are discussed. A new visual programming language for procedural modeling is discussed, where the user connects operators to visual programs called model graphs. These operators create geometry with textures, assign or evaluate variables or control the sequence of operations. When the user moves control points using the mouse in 3D space, the model graph is executed to change the geometry interactively. Thus, model graphs combine the creativity of freehand modeling with the power of programmed modeling while displaying the program structure more clearly than textbased approaches. Usability is increased as a result of these advantages. Also, an interactive editor for botanical trees is demonstrated. In contrast to previous tree modeling systems, we propose linking rules, parameters and geometry to semantic entities. This has the advantage that problems of associating parameters and instances are completely avoided. When an entity is clicked in the viewport, its parameters are displayed immediately, changes are applied to selected entities, and viewport editing operations are reflected in the parameter set. Furthermore, we store the entities in a hierarchical data structure and allow the user to activate recursive traversal via selection options for all editing operations. The user may choose to apply viewport or parameter changes to a single entity or many entities at once, and only the geometry for the affected entities needs to be updated. The proposed user interface simplifies the modeling process and increases productivity. Interactive editing approaches for 3D models often allow more precise control over a model than a global set of parameters that is used to generate a shape. However, usually scripted procedural modeling generates shapes directly from a fixed set of parameters, and interactive editing mostly uses a fixed set of tools. We propose to use scripts not only to generate models, but also for manipulating the models. A base script would set up the state of an object, and tool scripts would modify that state. The base script and the tool scripts generate geometry when necessary. Together, such a collection of scripts forms a template, and templates can be created for various types of objects. We examine how templates simplify the procedural modeling workflow by allowing for editing operations that are context-sensitive, flexible and powerful at the same time. Many algorithms have been published that produce geometry for fictional landscapes. There are algorithms which produce terrain with minimal setup time, allowing to adapt the level of detail as the user zooms into the landscape. However, these approaches lack plausible river networks, and algorithms that create eroded terrain with river networks require a user to supervise creation and minutes or hours of computation. In contrast to that, this work demonstrates an algorithm that creates terrain with plausible river networks and adaptive level of detail with no more than a few seconds of preprocessing. While the system can be configured using parameters, this text focuses on the algorithm that produces the rivers. However, integrating more tools for user-controlled editing of terrain would be possible.Verbesserung der Usability bei prozeduraler Modellierung Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, prozedurale Modellierung durch neue neue Ansätze und Algorithmen einfacher, bequemer und anwendungsfreundlicher zu machen, und damit die Produktivität der Künstler zu erhöhen. Diese Anforderungen werden häufig unter dem Stichwort Usability zusammengefasst. Prozedurale Modelle spezifizieren 3D-Modelle über Regeln. Existierende Ansätze für Bäume, Gebäude und Terrain werden untersucht und es werden mögliche Verbesserungen diskutiert. Eine neue visuelle Programmiersprache für prozedurale Modelle wird vorgestellt, bei der Operatoren zu Modellgraphen verschaltet werden. Die Operatoren erzeugen texturierte Geometrie, weisen Variablen zu und werten sie aus, oder sie steuern den Ablauf der Operationen. Wenn der Benutzer Kontrollpunkte im Viewport mit der Maus verschiebt, wird der Modellgraph ausgeführt, um interaktiv neue Geometrie für das Modell zu erzeugen. Modellgraphen kombinieren die kreativen Möglichkeiten des freihändigen Editierens mit der Mächtigkeit der prozeduralen Modellierung. Darüber hinaus sind Modellgraphen eine visuelle Programmiersprache und stellen die Struktur der Algorithmen deutlicher dar als textbasierte Programmiersprachen. Als Resultat dieser Verbesserungen erhöht sich die Usability. Ein interaktiver Editor für botanische Bäume wird ebenfalls vorgestellt. Im Gegensatz zu früheren Ansätzen schlagen wir vor, Regeln, Parameter und Geometrie zu semantischen Entitäten zu verschmelzen. Auf diese Weise werden Zuordnungsprobleme zwischen Parametern und deren Instanzen komplett vermieden. Wenn im Viewport eine Instanz angeklickt wird, werden sofort ihre Parameter angezeigt, alle Änderungen wirken sich direkt auf die betroffenen Instanzen aus, und Änderungen im Viewport werden sofort in den Parametern reflektiert. Darüber hinaus werden die Entitäten in einer hierarchischen Datenstruktur gespeichert und alle Änderungen können rekursiv auf der Hierarchie ausgeführt werden. Dem Benutzer werden Selektionsoptionen zur Verfügung gestellt, über die er Änderungen an den Parametern oder Änderungen im Viewport an einzelnen oder vielen Instanzen gleichzeitig vornehmen kann. Anschließend muss das System nur die Geometrie der betroffenen Instanzen aktualisieren. Auch hier ist das Ziel, das User Interface möglichst an den Bedürfnissen des Benutzers auszurichten, um Vereinfachungen und eine Erhöhung der Produktivität zu erreichen. Interaktive Editieransätze für 3D-Modelle erlauben häufig eine präzisere Kontrolle über ein Modell als ein globaler Parametersatz, der für die Erzeugung des Modells genutzt wird. Trotzdem erzeugen prozedurale Modellierskripte ihre Modelle meist direkt aus einem festen Parametersatz, während interaktive Tools meist mit hartkodierten Operationen arbeiten. Wir schlagen vor, Skripte nicht nur zur Erzeugung der Modelle zu verwenden, sondern auch um die erzeugten Modelle zu editieren. Ein Basisskript soll die Statusinformationen eines Objekts anlegen, während weitere Skripte diesen Status verändern und passende Geometrie erzeugen. Diese Skripte bilden dann ein Template zum Erzeugen einer Klasse von Objekten. Verschiedene Objekttypen können jeweils ihr eigenes Template haben. Wir zeigen, wie Templates den Workflow mit prozeduralen Modellen vereinfachen können, indem Operationen geschaffen werden, die gleichzeitig kontext-sensitiv, mächtig und flexibel sind. Es existiert eine Reihe von Verfahren, um Geometrie für synthetische Landschaften zu erzeugen. Ein Teil der Algorithmen erzeugt Geometrie mit minimaler Vorberechnung und erlaubt es, den Detailgrad der Landschaft interaktiv an die Perspektive anzupassen. Leider fehlen den so erzeugten Landschaften plausible Flussnetze. Algorithmen, die erodiertes Terrain mit Flussnetzen erzeugen, müssen aufwendig vom Benutzer überwacht werden und brauchen Minuten oder Stunden Rechenzeit. Im Gegensatz dazu stellen wir einen Algorithmus vor, der plausible Flussnetze erzeugt, während sich der Betrachter interaktiv durch die Szene bewegt. Das System kann über Parameter gesteuert werden, aber der Fokus liegt auf dem Algorithmus zur Erzeugung der Flüsse. Dennoch wäre es möglich, Tools zum benutzergesteuerten Editieren von Terrain zu integrieren

Advances in Evolutionary Algorithms

With the recent trends towards massive data sets and significant computational power, combined with evolutionary algorithmic advances evolutionary computation is becoming much more relevant to practice. Aim of the book is to present recent improvements, innovative ideas and concepts in a part of a huge EA field

Summary of research in progress at ICASE

This report summarizes research conducted at the Institute for Computer Applications in Science and Engineering in applied mathematics, fluid mechanics, and computer science during the period October 1, 1992 through March 31, 1993

Density-Aware Linear Algebra in a Column-Oriented In-Memory Database System

Linear algebra operations appear in nearly every application in advanced analytics, machine learning, and of various science domains. Until today, many data analysts and scientists tend to use statistics software packages or hand-crafted solutions for their analysis. In the era of data deluge, however, the external statistics packages and custom analysis programs that often run on single-workstations are incapable to keep up with the vast increase in data volume and size. In particular, there is an increasing demand of scientists for large scale data manipulation, orchestration, and advanced data management capabilities. These are among the key features of a mature relational database management system (DBMS). With the rise of main memory database systems, it now has become feasible to also consider applications that built up on linear algebra. This thesis presents a deep integration of linear algebra functionality into an in-memory column-oriented database system. In particular, this work shows that it has become feasible to execute linear algebra queries on large data sets directly in a DBMS-integrated engine (LAPEG), without the need of transferring data and being restricted by hard disc latencies. From various application examples that are cited in this work, we deduce a number of requirements that are relevant for a database system that includes linear algebra functionality. Beside the deep integration of matrices and numerical algorithms, these include optimization of expressions, transparent matrix handling, scalability and data-parallelism, and data manipulation capabilities. These requirements are addressed by our linear algebra engine. In particular, the core contributions of this thesis are: firstly, we show that the columnar storage layer of an in-memory DBMS yields an easy adoption of efficient sparse matrix data types and algorithms. Furthermore, we show that the execution of linear algebra expressions significantly benefits from different techniques that are inspired from database technology. In a novel way, we implemented several of these optimization strategies in LAPEG’s optimizer (SpMachO), which uses an advanced density estimation method (SpProdest) to predict the matrix density of intermediate results. Moreover, we present an adaptive matrix data type AT Matrix to obviate the need of scientists for selecting appropriate matrix representations. The tiled substructure of AT Matrix is exploited by our matrix multiplication to saturate the different sockets of a multicore main-memory platform, reaching up to a speed-up of 6x compared to alternative approaches. Finally, a major part of this thesis is devoted to the topic of data manipulation; where we propose a matrix manipulation API and present different mutable matrix types to enable fast insertions and deletes. We finally conclude that our linear algebra engine is well-suited to process dynamic, large matrix workloads in an optimized way. In particular, the DBMS-integrated LAPEG is filling the linear algebra gap, and makes columnar in-memory DBMS attractive as efficient, scalable ad-hoc analysis platform for scientists

Ray Tracing Complex Scenes on a Multiple-instruction Steam Multiple-Data Stream Concurrent Computer

The Ray Tracing technique generates perhaps the most realistic looking computergenerated images. It does so at the cost of a great deal of computer time. Many algorithms have been developed to speed up the ray tracing procedure, but it still remains the most CPU-intensive realistic image synthesis method. To date, ray tracing has remained largely in the realm of serial computers. The research in this thesis takes ray tracing strongly into the parallel computing domain and deals effectively with all of the central issuessurrounding the parallelization of this procedure. Results from the "Hypercube Ray Tracer" are collected and compared against other ray tracing systems. A new technique for ray tracing Constructive Solid Geometry objects is also developed and implemented.Electrical Engineerin

A Language-centered Approach to support environmental modeling with Cellular Automata

Die Anwendung von Methodiken und Technologien aus dem Bereich der Softwaretechnik auf den Bereich der Umweltmodellierung ist eine gemeinhin akzeptierte Vorgehensweise. Im Rahmen der "modellgetriebenen Entwicklung"(MDE, model-driven engineering) werden Technologien entwickelt, die darauf abzielen, Softwaresysteme vorwiegend auf Basis von im Vergleich zu Programmquelltexten relativ abstrakten Modellen zu entwickeln. Ein wesentlicher Bestandteil von MDE sind Techniken zur effizienten Entwicklung von "domänenspezifischen Sprachen"( DSL, domain-specific language), die auf Sprachmetamodellen beruhen. Die vorliegende Arbeit zeigt, wie modellgetriebene Entwicklung, und insbesondere die metamodellbasierte Beschreibung von DSLs, darüber hinaus Aspekte der Pragmatik unterstützen kann, deren Relevanz im erkenntnistheoretischen und kognitiven Hintergrund wissenschaftlichen Forschens begründet wird. Hierzu wird vor dem Hintergrund der Erkenntnisse des "modellbasierten Forschens"(model-based science und model-based reasoning) gezeigt, wie insbesondere durch Metamodelle beschriebene DSLs Möglichkeiten bieten, entsprechende pragmatische Aspekte besonders zu berücksichtigen, indem sie als Werkzeug zur Erkenntnisgewinnung aufgefasst werden. Dies ist v.a. im Kontext großer Unsicherheiten, wie sie für weite Teile der Umweltmodellierung charakterisierend sind, von grundsätzlicher Bedeutung. Die Formulierung eines sprachzentrierten Ansatzes (LCA, language-centered approach) für die Werkzeugunterstützung konkretisiert die genannten Aspekte und bildet die Basis für eine beispielhafte Implementierung eines Werkzeuges mit einer DSL für die Beschreibung von Zellulären Automaten (ZA) für die Umweltmodellierung. Anwendungsfälle belegen die Verwendbarkeit von ECAL und der entsprechenden metamodellbasierten Werkzeugimplementierung.The application of methods and technologies of software engineering to environmental modeling and simulation (EMS) is common, since both areas share basic issues of software development and digital simulation. Recent developments within the context of "Model-driven Engineering" (MDE) aim at supporting the development of software systems at the base of relatively abstract models as opposed to programming language code. A basic ingredient of MDE is the development of methods that allow the efficient development of "domain-specific languages" (DSL), in particular at the base of language metamodels. This thesis shows how MDE and language metamodeling in particular, may support pragmatic aspects that reflect epistemic and cognitive aspects of scientific investigations. For this, DSLs and language metamodeling in particular are set into the context of "model-based science" and "model-based reasoning". It is shown that the specific properties of metamodel-based DSLs may be used to support those properties, in particular transparency, which are of particular relevance against the background of uncertainty, that is a characterizing property of EMS. The findings are the base for the formulation of an corresponding specific metamodel- based approach for the provision of modeling tools for EMS (Language-centered Approach, LCA), which has been implemented (modeling tool ECA-EMS), including a new DSL for CA modeling for EMS (ECAL). At the base of this implementation, the applicability of this approach is shown

A cloudification methodology for high performance simulations

Mención Internacional en el título de doctorMany scientific areas make extensive use of computer simulations to study complex real-world processes. These computations are typically very resource-intensive and present scalability issues as experiments get larger, even in dedicated supercomputers since they are limited by their own hardware resources. Cloud computing raises as an option to move forward into the ideal unlimited scalability by providing virtually infinite resources, yet applications must be adapted to this paradigm. The major goal of this thesis is to analyze the suitability of performing simulations in clouds by performing a paradigm shift, from classic parallel approaches to data-centric models, in those applications where that is possible. The aim is to maintain the scalability achieved in traditional HPC infrastructures, while taking advantage of Cloud Computing paradigm features. The thesis also explores the characteristics that make simulators suitable or unsuitable to be deployed on HPC or Cloud infrastructures, defining a generic architecture and extracting common elements present among the majority of simulators. As result, we propose a generalist cloudification methodology based on the MapReduce paradigm to migrate high performance simulations into the cloud to provide greater scalability. We analysed its viability by applying it to a real engineering simulator and running the resulting implementation on HPC and cloud environments. Our evaluations will aim to show that the cloudified application is highly scalable and there is still a large margin to improve the theoretical model and its implementations, and also to extend it to a wider range of simulations.Muchas áreas de investigación hacen uso extensivo de simulaciones informáticas para estudiar procesos complejos del mundo real. Estas simulaciones suelen hacer uso intensivo de recursos, y presentan problemas de escalabilidad conforme los experimentos aumentan en tamaño incluso en clústeres, ya que estos están limitados por sus propios recursos hardware. Cloud Computing (computación en la nube) surge como alternativa para avanzar hacia el ideal de escalabilidad ilimitada mediante el aprovisionamiento de infinitos recursos (de forma virtual). No obstante, las aplicaciones deben ser adaptadas a este nuevo paradigma. La principal meta de esta tesis es analizar la idoneidad de realizar simulaciones en la nube mediante un cambio de paradigma, de las clásicas aproximaciones paralelas a nuevos modelos centrados en los datos, en aquellas aplicaciones donde esto sea posible. El objetivo es mantener la escalabilidad alcanzada en las tradicionales infraestructuras HPC, mientras se explotan las ventajas del paradigma de computación en la nube. La tesis explora las características que hacen a los simuladores ser o no adecuados para ser desplegados en infraestructuras clúster o en la nube, definiendo una arquitectura genérica y extrayendo elementos comunes presentes en la mayoría de los simuladores. Como resultado, proponemos una metodología genérica de cloudificación, basada en el paradigma MapReduce, para migrar simulaciones de alto rendimiento a la nube con el fin de proveer mayor escalabilidad. Analizamos su viabilidad aplicándola a un simulador real de ingeniería, y ejecutando la implementación resultante en entornos clúster y en la nube. Nuestras evaluaciones pretenden mostrar que la aplicación cloudificada es altamente escalable, y que existe un amplio margen para mejorar el modelo teórico y sus implementaciones, y para extenderlo a un rango más amplio de simulaciones.- Administrador de Infraestructuras Ferroviarias (ADIF), Estudio y realización de programas de cálculo de pórticos rígidos de catenaria (CALPOR) y de sistema de simulación de montaje de agujas aéreas de línea aérea de contacto (SIA), JM/RS 3.6/4100.0685-9/00100 – Administrador de Infraestructuras Ferroviarias (ADIF), Proyecto para la Investigación sobre la aplicación de las TIC a la innovación de las diferentes infraestructuras correspondientes a las instalaciones de electrificación y suministro de energía (SIRTE), JM/RS 3.9/1500.0009/0-00000 – Spanish Ministry of Education, TIN2010-16497, Scalable Input/Output techniques for high-performance distributed and parallel computing environments – Spanish Ministry of Economics and Competitiveness, TIN2013-41350-P, Técnicas de gestión escalable de datos para high-end computing systems – European Union, COST Action IC1305, ”Network for Sustainable Ultrascale Computing Platforms” (NESUS) – European Union, COST Action IC0805, ”Open European Network for High Performance Computing on Complex Environments” – Spanish Ministry of Economics and Competitiveness, TIN2011-15734-E, Red de Computación de Altas Prestaciones sobre Arquitecturas Paralelas Heterogéneas (CAPAP-H)Programa Oficial de Doctorado en Ciencia y Tecnología InformáticaPresidente: Domenica Talia.- Presidente: José Daniel García Sánchez.- Secretario: José Manuel Moya Fernánde

A methodology for robust optimization of low-thrust trajectories in multi-body environments

Issued as final reportThales Alenia Spac