A GAMING APPROACH for CULTURAL HERITAGE KNOWLEDGE and DISSEMINATION

In these last years, video games have become one of the most popular entertainment for children/teenagers/adults thanks to their appealing and seductive features and, in this context, the Serious Games (SG) have become an important research field. The most popular SGs in Cultural Heritage (CH) used the historical building like scenario where the game is playing. In this paper we show the procedure to achieve a CH video game where the Cultural Heritage is the main actor and not the scenario of the game. Furthermore, the game is not a SG but an Action-Adventure Game (AAG) or Survival Game (SuG), in a largest heading it can be classified as Entertainment Games (EGs). The novelty of this study is not only in the original application of the CH within the AAG sector but also consists of the experimentation of the Virtual Reality (VR) algorithm and of the application of Augmented Reality (AR) within the VR scenario used in the form of an avatar. Furthermore, in this paper we overcome the technical problems due to the different size of the environment and the work art

From 3D Point Clouds to Pose-Normalised Depth Maps

We consider the problem of generating either pairwise-aligned or pose-normalised depth maps from noisy 3D point clouds in a relatively unrestricted poses. Our system is deployed in a 3D face alignment application and consists of the following four stages: (i) data filtering, (ii) nose tip identification and sub-vertex localisation, (iii) computation of the (relative) face orientation, (iv) generation of either a pose aligned or a pose normalised depth map. We generate an implicit radial basis function (RBF) model of the facial surface and this is employed within all four stages of the process. For example, in stage (ii), construction of novel invariant features is based on sampling this RBF over a set of concentric spheres to give a spherically-sampled RBF (SSR) shape histogram. In stage (iii), a second novel descriptor, called an isoradius contour curvature signal, is defined, which allows rotational alignment to be determined using a simple process of 1D correlation. We test our system on both the University of York (UoY) 3D face dataset and the Face Recognition Grand Challenge (FRGC) 3D data. For the more challenging UoY data, our SSR descriptors significantly outperform three variants of spin images, successfully identifying nose vertices at a rate of 99.6%. Nose localisation performance on the higher quality FRGC data, which has only small pose variations, is 99.9%. Our best system successfully normalises the pose of 3D faces at rates of 99.1% (UoY data) and 99.6% (FRGC data)

A 3D model of illumination, light distribution and crop photosynthesis to simulate lighting strategies in greenhouses

A functional-structural model for a tomato crop, situated in a greenhouse, was developed to calculate the most efficient lamp (HPS, LED) positions and crop structure, with the objective to reduce energy consumption and improve light use efficiency. The model was built within the GroIMP platform and written using the dedicated modelling language XL. The entire production system is described as a 3D scene including a virtual greenhouse with the crop and light sources (natural light and lamps). The pathways of individual light rays were modelled multi-spectrally with an inversed path tracer. Plant organs (leaves, internodes, flowers, fruits) are the basic units of the multi-scaled, fully object-oriented model. Surface textures and colours were included for all 3D objects. For the current objective a static 3D mock-up of an existing crop was used. Measured 3D distribution pattern and spectrum of light emitted by the lamps were fed into the model. The modelled horizontal light distribution agreed well with measurements. Effects of different positions, reflector types, and spectra of lamps, and plant architectural and optical properties on light distribution and photosynthesis were evaluated. In total 10 illumination scenarios were simulated to quantify crop absorption and loss of light. In summary, a more efficient illumination strategy was predicted when the light was more focused on the crop by lamp reflectors, at inter-lighting (LEDs), and with a reflecting screen above the lamps. The inter-lighting strategy also resulted in a relative increase of light intercepted by fruit and stems relative to lighting from the top of the crop

Exploring and modelling the influence of spectral light composition on soybean (Glycine max (L.) Merr.)

The development of soybean cultivars for the climatic conditions in Europe is an urgent need in order to increase the European production and to decrease the dependence of imported soybean. A speed breeding system can accelerate the process of developing new cultivars by growing more generations per season in climate chambers. The project MoLED-Plant aimed towards the development of a speed breeding system for soybean under LED lighting. The major objectives of this thesis were to: (i) construct a three dimensional model of an LED chamber to simulate micro-light climate, (ii) develop a functional-structural plant (FSP) model of soybean and derive a blue photon flux density (BPFD) response curve from simulations, (iii) apply the FSP model with the integrated response curve for spectral optimization, (iv) explore the influence of BPFD under constant photosynthetic photon flux density (PPFD), and (v) disentangle the influence of red to far-red ratio (R:FR) and PPFD on the shade avoidance response (SAR). The objectives were fulfilled with a combination of FSP modelling in the Growth Grammar-related Interactive Modelling Platform (GroIMP) and plant experiments under multiple spectra in LED chambers. The presented LED chamber model was the first three dimensional environment, which was developed for spectral optimizations in indoor farming using FSP modeling. Measurements performed with a spectrometer in multiple heights and orientations were compared to simulations recorded with a virtual sensor at the same locations. The model was evaluated as a tool for assessment of spectral light heterogeneity under an alternative placement of the LED modules. Applying the model can assist in choosing the best chamber design and placements of LEDs to assure homogeneous light conditions. Subsequently, static soybean plants were incorporated into the chamber model. Comparison of light simulations and measurements from below the soybean canopy in four reconstructed scenarios assured a good simulation of micro-light climate. The model was applied to simulate the effect of an increased plant density in an experiment in the chamber. The simulations of light homogeneity in the experimental setup can assist in choosing the optimal design. The developed dynamic FSP model of soybean within the chamber model represents the first FSP model with an integrated response to BPFD. The soybean model was calibrated with data from BPFD experiments. From simulations, a common response curve of internode elongation to the perceived BPFD was derived for the second and third internode. The response curve was integrated in the model and was applied for spectral optimization in a chamber scenario with an alternative high reflective bottom material. The soybean response to BPFD under constant PPFD and the influence of R:FR and PPFD on SAR was explored by designing specific spectra from LEDs. Soybean experiments were performed under six levels of BPFD (60-310 µmol m-2 s-1) and constant PPFD (400 µmol m-2 s-1). Plant height and biomass decreased, leaf mass ratio increased and the ratio of stem biomass (internode plus petiole) translocated to the internode decreased under high BPFD. Three soybean cultivars were grown under nine light treatments to disentangle the effect of R:FR and PPFD. Internode elongation responded mainly to low PPFD with an additive effect from low R:FR, whereas petiole elongation was influenced to a great extent by low R:FR. In the context of SAR, petiole elongation can be seen as the main response to the threat of shade (high PPFD and low R:FR) and both petiole and internode elongation as the response to true shade (low PPFD and low R:FR). This thesis showed how PPFD, BPFD and R:FR work both independently, antagonistically and synergistically on the physiology and morphology of soybean. The increased insight in these responses can e.g. support crop breeding and spectral optimization in indoor farming. Furthermore, interesting and important objectives for future research were identified. These experiments should include physiological measurements for a deeper understanding of interactions and underlying mechanisms. Spectral optimization of indoor farming depends on the purpose of the production. For instance, a high BPFD of 260 µmol m-2 s-1 was optimal for speed breeding, whereas an intermediate BPFD would be preferable to increase biomass. Comprehensive investigation of spectral influence on plant physiology and morphology is necessary to fully utilize the spectral flexibility of LED lighting. The developed FSP model of soybean in a virtual LED chamber represents an important step towards utilizing the advantages of FSP modelling by simulation of a wide variety of scenarios. The model can be adjusted or extended depending on the purpose of the model. It can be calibrated for other crop species and the setting of the chamber dimensions can be changed.Die Züchtung von Sojabohnensorten für europäische Klimabedingungen ist eine dringende Notwendigkeit, um die europäische Produktion zu steigern. Speed-züchtung kann den Prozess der Entwicklung neuer Sorten beschleunigen, indem mehr Generationen pro Saison in Klimakammern wachsen. Das Projekt MoLED-Plant zielte auf die Entwicklung eines Speed-Züchtungssystems für Sojabohne unter LED-Beleuchtung ab. Wichtig für das Speed-Züchtungssystem war es, ein Spektrum zu definieren, dass die Blüte nicht verzögert, um die Ernte von mindestens einem Sojabohnensamen in kurzer Zeit zu ermöglichen. Außerdem sollte das Spektrum niedrige Pflanzen fördern, um Platz für mehr übereinanderstehende Pflanzen zu schaffen. Die Hauptziele dieser Arbeit waren: (i) ein dreidimensionales Modell einer LED-Kammer zur Simulation des Mikrolichtklimas zu konstruieren, (ii) ein funktional-strukturellen Pflanzen (FSP)-Modell von Sojabohne zu entwickeln und eine blauen Photonen-Flussdichte (BPFD)-Reaktionskurve aus Simulationen abzuleiten, (iii) das FSP-Modell mit der integrierten Reaktionskurve zur spektralen Optimierung anzuwenden, (iv) den BPFD unter konstanter photosynthetische Photonen-Flussdichte (PPFD) zu untersuchen und (v) den Einfluss von Rot-Fernrot-Verhältnis (R:FR) und PPFD auf Schattenvermeidungsreaktion (SAR) zu trennen. Die Ziele wurden mit einer Kombination aus FSP-Modellierung in der Growth Grammar-related Interactive Modelling Platform (GroIMP) und Pflanzenversuchen unter mehreren Spektren in LED-Kammern erreicht. Das vorgestellte LED-Kammermodell war die erste dreidimensionale Umgebung, die für spektrale Optimierungen des Indoor-Farmings mittels FSP-Modellierung entwickelt wurde. Messungen wurden mit einem Spektrometer in mehreren Höhen und Orientierungen durchgeführt und mit Simulationen verglichen, die mit einem virtuellen Sensor an den gleichen Stellen aufgezeichnet wurden. Das Modell wurde als Instrument zur Beurteilung der spektralen Lichtheterogenität mit einer alternativen Platzierung der LED-Module bewertet. Die Anwendung des Modells kann bei der Auswahl des besten Kammerdesigns und der besten LED-Platzierung helfen, um homogene Lichtverhältnisse zu gewährleisten. Anschließend wurden statische Pflanzen in das Kammermodell integriert. Der Vergleich von Lichtsimulationen und Messungen unterhalb der Sojablätter in vier rekonstruierten Szenarien stellte eine gute Simulation des Mikrolichtklimas sicher. Das Modell wurde angewendet, um den Effekt einer erhöhten Pflanzendichte auf die Lichthomogenität in der Kammer zu simulieren. Die Simulationen können bei der Auswahl des optimalen Versuchsaufbaus helfen. Das entwickelte dynamische FSP-Modell mit der Sojabohne innerhalb der Kammer stellt das erste FSP-Modell mit einer integrierten Reaktion auf die BPFD dar. Das Sojabohnenmodell wurde mit Daten aus BPFD-Versuchen kalibriert. Aus Simulationen wurden für das zweite und dritte Internodium eine gemeinsame Reaktionskurve der Internodienstreckung auf die wahrgenommene BPFD abgeleitet. Die Reaktionskurve wurde in das Modell integriert und zur spektralen Optimierung in einem Kammerszenario mit einem alternativen hochreflektierenden Bodenmaterial eingesetzt. Die Reaktion der Sojabohne auf BPFD bei konstanter PPFD und der Einfluss von R:FR und PPFD auf SAR wurde durch die Gestaltung spezifischer Spektren von LEDs untersucht. Es wurden Versuche mit Sojabohnen unter sechs Stufen von BPFD (60-310 µmol m-2 s-1) und konstanter PPFD (400 µmol m-2 s-1) durchgeführt. Pflanzenhöhe und Biomasse wurden verringert, das Blattmassenverhältnis wurde erhöht und der Anteil der Stängelbiomasse (Internodium plus Blattstiel), die in die Internodien verlagert wurde, nahm unter hoher BPFD ab. Drei Sojabohnensorten wurden unter neun Lichtbehandlungen angebaut, um den Einfluss von R:FR und PPFD zu trennen. Die Internodienstreckung reagierte hauptsächlich auf niedrige PPFD mit einem additiven Effekt von niedrigem R:FR, während die Blattstielstreckung weitestgehend durch niedriges R:FR beeinflusst wurde. Diese Arbeit zeigte, wie PPFD, BPFD und R:FR sowohl unabhängig als auch antagonistisch und synergistisch die Physiologie und Morphologie der Sojabohne beeinflussen. Der erhöhte Einblick in diese Reaktionen kann z.B. die Pflanzenzüchtung und die spektrale Optimierung im Indoor-Farming unterstützen. Außerdem wurden interessante und wichtige Ziele für die zukünftige Forschung identifiziert. Diese Versuche sollten physiologische Messungen zum tieferen Verständnis von Wechselwirkungen und zugrundeliegenden Mechanismen beinhalten. Das entwickelte FSP-Modell der Sojabohne in einer virtuellen LED-Kammer stellt einen wichtigen Schritt dar, um die Vorteile der FSP-Modellierung durch Simulation verschiedener Szenarien zu nutzen

Exploring and modelling the influence of spectral light composition on soybean (Glycine max (L.) Merr.)

The development of soybean cultivars for the climatic conditions in Europe is an urgent need in order to increase the European production and to decrease the dependence of imported soybean. A speed breeding system can accelerate the process of developing new cultivars by growing more generations per season in climate chambers. The project MoLED-Plant aimed towards the development of a speed breeding system for soybean under LED lighting. The major objectives of this thesis were to: (i) construct a three dimensional model of an LED chamber to simulate micro-light climate, (ii) develop a functional-structural plant (FSP) model of soybean and derive a blue photon flux density (BPFD) response curve from simulations, (iii) apply the FSP model with the integrated response curve for spectral optimization, (iv) explore the influence of BPFD under constant photosynthetic photon flux density (PPFD), and (v) disentangle the influence of red to far-red ratio (R:FR) and PPFD on the shade avoidance response (SAR). The objectives were fulfilled with a combination of FSP modelling in the Growth Grammar-related Interactive Modelling Platform (GroIMP) and plant experiments under multiple spectra in LED chambers. The presented LED chamber model was the first three dimensional environment, which was developed for spectral optimizations in indoor farming using FSP modeling. Measurements performed with a spectrometer in multiple heights and orientations were compared to simulations recorded with a virtual sensor at the same locations. The model was evaluated as a tool for assessment of spectral light heterogeneity under an alternative placement of the LED modules. Applying the model can assist in choosing the best chamber design and placements of LEDs to assure homogeneous light conditions. Subsequently, static soybean plants were incorporated into the chamber model. Comparison of light simulations and measurements from below the soybean canopy in four reconstructed scenarios assured a good simulation of micro-light climate. The model was applied to simulate the effect of an increased plant density in an experiment in the chamber. The simulations of light homogeneity in the experimental setup can assist in choosing the optimal design. The developed dynamic FSP model of soybean within the chamber model represents the first FSP model with an integrated response to BPFD. The soybean model was calibrated with data from BPFD experiments. From simulations, a common response curve of internode elongation to the perceived BPFD was derived for the second and third internode. The response curve was integrated in the model and was applied for spectral optimization in a chamber scenario with an alternative high reflective bottom material. The soybean response to BPFD under constant PPFD and the influence of R:FR and PPFD on SAR was explored by designing specific spectra from LEDs. Soybean experiments were performed under six levels of BPFD (60-310 µmol m-2 s-1) and constant PPFD (400 µmol m-2 s-1). Plant height and biomass decreased, leaf mass ratio increased and the ratio of stem biomass (internode plus petiole) translocated to the internode decreased under high BPFD. Three soybean cultivars were grown under nine light treatments to disentangle the effect of R:FR and PPFD. Internode elongation responded mainly to low PPFD with an additive effect from low R:FR, whereas petiole elongation was influenced to a great extent by low R:FR. In the context of SAR, petiole elongation can be seen as the main response to the threat of shade (high PPFD and low R:FR) and both petiole and internode elongation as the response to true shade (low PPFD and low R:FR). This thesis showed how PPFD, BPFD and R:FR work both independently, antagonistically and synergistically on the physiology and morphology of soybean. The increased insight in these responses can e.g. support crop breeding and spectral optimization in indoor farming. Furthermore, interesting and important objectives for future research were identified. These experiments should include physiological measurements for a deeper understanding of interactions and underlying mechanisms. Spectral optimization of indoor farming depends on the purpose of the production. For instance, a high BPFD of 260 µmol m-2 s-1 was optimal for speed breeding, whereas an intermediate BPFD would be preferable to increase biomass. Comprehensive investigation of spectral influence on plant physiology and morphology is necessary to fully utilize the spectral flexibility of LED lighting. The developed FSP model of soybean in a virtual LED chamber represents an important step towards utilizing the advantages of FSP modelling by simulation of a wide variety of scenarios. The model can be adjusted or extended depending on the purpose of the model. It can be calibrated for other crop species and the setting of the chamber dimensions can be changed.Die Züchtung von Sojabohnensorten für europäische Klimabedingungen ist eine dringende Notwendigkeit, um die europäische Produktion zu steigern. Speed-züchtung kann den Prozess der Entwicklung neuer Sorten beschleunigen, indem mehr Generationen pro Saison in Klimakammern wachsen. Das Projekt MoLED-Plant zielte auf die Entwicklung eines Speed-Züchtungssystems für Sojabohne unter LED-Beleuchtung ab. Wichtig für das Speed-Züchtungssystem war es, ein Spektrum zu definieren, dass die Blüte nicht verzögert, um die Ernte von mindestens einem Sojabohnensamen in kurzer Zeit zu ermöglichen. Außerdem sollte das Spektrum niedrige Pflanzen fördern, um Platz für mehr übereinanderstehende Pflanzen zu schaffen. Die Hauptziele dieser Arbeit waren: (i) ein dreidimensionales Modell einer LED-Kammer zur Simulation des Mikrolichtklimas zu konstruieren, (ii) ein funktional-strukturellen Pflanzen (FSP)-Modell von Sojabohne zu entwickeln und eine blauen Photonen-Flussdichte (BPFD)-Reaktionskurve aus Simulationen abzuleiten, (iii) das FSP-Modell mit der integrierten Reaktionskurve zur spektralen Optimierung anzuwenden, (iv) den BPFD unter konstanter photosynthetische Photonen-Flussdichte (PPFD) zu untersuchen und (v) den Einfluss von Rot-Fernrot-Verhältnis (R:FR) und PPFD auf Schattenvermeidungsreaktion (SAR) zu trennen. Die Ziele wurden mit einer Kombination aus FSP-Modellierung in der Growth Grammar-related Interactive Modelling Platform (GroIMP) und Pflanzenversuchen unter mehreren Spektren in LED-Kammern erreicht. Das vorgestellte LED-Kammermodell war die erste dreidimensionale Umgebung, die für spektrale Optimierungen des Indoor-Farmings mittels FSP-Modellierung entwickelt wurde. Messungen wurden mit einem Spektrometer in mehreren Höhen und Orientierungen durchgeführt und mit Simulationen verglichen, die mit einem virtuellen Sensor an den gleichen Stellen aufgezeichnet wurden. Das Modell wurde als Instrument zur Beurteilung der spektralen Lichtheterogenität mit einer alternativen Platzierung der LED-Module bewertet. Die Anwendung des Modells kann bei der Auswahl des besten Kammerdesigns und der besten LED-Platzierung helfen, um homogene Lichtverhältnisse zu gewährleisten. Anschließend wurden statische Pflanzen in das Kammermodell integriert. Der Vergleich von Lichtsimulationen und Messungen unterhalb der Sojablätter in vier rekonstruierten Szenarien stellte eine gute Simulation des Mikrolichtklimas sicher. Das Modell wurde angewendet, um den Effekt einer erhöhten Pflanzendichte auf die Lichthomogenität in der Kammer zu simulieren. Die Simulationen können bei der Auswahl des optimalen Versuchsaufbaus helfen. Das entwickelte dynamische FSP-Modell mit der Sojabohne innerhalb der Kammer stellt das erste FSP-Modell mit einer integrierten Reaktion auf die BPFD dar. Das Sojabohnenmodell wurde mit Daten aus BPFD-Versuchen kalibriert. Aus Simulationen wurden für das zweite und dritte Internodium eine gemeinsame Reaktionskurve der Internodienstreckung auf die wahrgenommene BPFD abgeleitet. Die Reaktionskurve wurde in das Modell integriert und zur spektralen Optimierung in einem Kammerszenario mit einem alternativen hochreflektierenden Bodenmaterial eingesetzt. Die Reaktion der Sojabohne auf BPFD bei konstanter PPFD und der Einfluss von R:FR und PPFD auf SAR wurde durch die Gestaltung spezifischer Spektren von LEDs untersucht. Es wurden Versuche mit Sojabohnen unter sechs Stufen von BPFD (60-310 µmol m-2 s-1) und konstanter PPFD (400 µmol m-2 s-1) durchgeführt. Pflanzenhöhe und Biomasse wurden verringert, das Blattmassenverhältnis wurde erhöht und der Anteil der Stängelbiomasse (Internodium plus Blattstiel), die in die Internodien verlagert wurde, nahm unter hoher BPFD ab. Drei Sojabohnensorten wurden unter neun Lichtbehandlungen angebaut, um den Einfluss von R:FR und PPFD zu trennen. Die Internodienstreckung reagierte hauptsächlich auf niedrige PPFD mit einem additiven Effekt von niedrigem R:FR, während die Blattstielstreckung weitestgehend durch niedriges R:FR beeinflusst wurde. Diese Arbeit zeigte, wie PPFD, BPFD und R:FR sowohl unabhängig als auch antagonistisch und synergistisch die Physiologie und Morphologie der Sojabohne beeinflussen. Der erhöhte Einblick in diese Reaktionen kann z.B. die Pflanzenzüchtung und die spektrale Optimierung im Indoor-Farming unterstützen. Außerdem wurden interessante und wichtige Ziele für die zukünftige Forschung identifiziert. Diese Versuche sollten physiologische Messungen zum tieferen Verständnis von Wechselwirkungen und zugrundeliegenden Mechanismen beinhalten. Das entwickelte FSP-Modell der Sojabohne in einer virtuellen LED-Kammer stellt einen wichtigen Schritt dar, um die Vorteile der FSP-Modellierung durch Simulation verschiedener Szenarien zu nutzen

The Evolution of Complexity in Autonomous Robots

Evolutionary robotics–the use of evolutionary algorithms to automate the production of autonomous robots–has been an active area of research for two decades. However, previous work in this domain has been limited by the simplicity of the evolved robots and the task environments within which they are able to succeed. This dissertation aims to address these challenges by developing techniques for evolving more complex robots. Particular focus is given to methods which evolve not only the control policies of manually-designed robots, but instead evolve both the control policy and physical form of the robot. These techniques are presented along with their application to investigating previously unexplored relationships between the complexity of evolving robots and the task environments within which they evolve

Artificial Intelligence techniques for computer graphics.

International audienc

An introduction to the Bio-Logic of Artificial Creatures

The purpose of this volume is to present current work of the Intelligent Computer Graphics community, a community growing up year after year. This volume is a kind of continuation of the previously published Springer volume "Artificial Intelligence Techniques for Computer Graphics." Nowadays, intelligent techniques are more and more used in Computer Graphics in order, not only to optimise the processing time, but also to find more accurate solutions for a lot of Computer Graphics problems, than with traditional methods. This volume contains both invited and selected extended papers from the last 3IA Conference (3IA’2009), which has been held in Athens (Greece) in May 2009. The Computer Graphics areas approached in this volume are behavioural modelling, declarative modelling, intelligent modelling and rendering, data visualisation, scene understanding, realistic rendering, and more

3IA Conference (3IA’2011)

In Computer Graphics, the use of intelligent techniques started more recently than in other research areas. However, during these last two decades, the use of intelligent Computer Graphics techniques is growing up year after year and more and more interesting techniques are presented in this area.   The purpose of this volume is to present current work of the Intelligent Computer Graphics community, a community growing up year after year. This volume is a kind of continuation of the previously published Springer volumes “Artificial Intelligence Techniques for Computer Graphics” (2008), “Intelligent Computer Graphics 2009” (2009) and “Intelligent Computer Graphics 2010” (2010).   This volume contains selected extended papers from the last 3IA Conference (3IA’2011), which has been held in Athens (Greece) in May 2011. This year papers are particularly exciting and concern areas like virtual reality, artificial life, data visualization, games, global illumination, point cloud modelling, declarative modelling, scene reconstruction and many other very important themes