Dreidimensionale virtuelle Organismen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Generierung virtueller Organismen respektive mit der dreidimensionalen Nachbildung anatomischer Strukturen von Pflanzen, Tieren, Menschen und imaginärer Wesen per Computer. Berücksichtigt werden dabei sowohl die verschiedenen Aspekte der Visualisierung, der Modellierung, der Animation sowie der Wachstums-, Deformations- und Bewegungssimulation. Dazu wird zuerst eine umfassende State-of-the-Art-Analyse konventioneller Methoden zur Organismengenerierung durchgeführt. Im Laufe dieser Analyse werden die Defizite herkömmlicher Verfahren aufgezeigt und damit eine gezielte Anforderungsanalyse für neue Verfahren erstellt. Mit Hilfe dieser Anforderungsanalyse wurde nach neuen Lösungsansätzen gesucht. Besonders hilfreich hat sich in diesem Zusammenhang die Frankfurter Organismus- und Evolutionstheorie erwiesen. Gemäß dieser Theorie stellen Organismen aus biomechanischer Sicht komplexe hydropneumatische Konstruktionen dar. Ihre Körperformen und Bewegungen werden weitgehend durch stabilisierende, kräfteerzeugende und kräfteübertragende Strukturen generiert, die den Gesetzen der klassischen Hydropneumatik folgen. So entstand die Idee, Organismen auf der anatomischen Ebene als eine komplexe Hierarchie unterschiedlicher hydropneumatischer Einheiten anzusehen, welche mechanisch miteinander interagieren. Diese Sichtweise liefert die Grundlage für ein neues biologisches Simulationsmodell. Es erlaubt der Computergraphik, sowohl die Form eines Organismus zu beschreiben als auch sein Verhalten bezüglich seiner Bewegungsabläufe, seiner evolutionären Formveränderungen, seiner Wachstumsprozesse und seiner Reaktion auf externe mechanische Krafteinwirkungen numerisch zu simulieren. Aufbauend auf diesem biologischen Simulationsmodell wurde ein neues Verfahren (Quaoaring) entwickelt und implementiert, das es erlaubt, beliebige organische Einheiten interaktiv in Echtzeit zu modellieren. Gleichzeitig ermöglicht dieses Verfahren die Animation von Bewegungen, Wachstumsprozessen und sogar evolutionären Entwicklungen. Die Animation verhält sich dabei im Wesentlichen biologisch stringent, z.B. wird das interne Volumen während komplexer Bewegungsabläufe konstant gehalten. Die größte Stärke der neuen Modellierungs- und Animationstechnik ist die holistische Verschmelzung des biologischen Simulationsmodells mit einem computergraphischen Geometriemodell. Dieses erlaubt dem Modellierer, biologische Konzepte für die Beschreibung der Form und anderer Attribute einer organischen Einheit zu verwenden. Darüber hinaus ermöglicht es die Animation des geometrischen Modells durch einfache Parameterspezifikation auf einer hohen Abstraktionsebene. Dazu wird ein utorenprozess beschrieben, wie Quaoaring für Modellierungs- und Animationszwecke verwendet werden kann. Es werden Aspekte der prototypischen Implementierung der Quaoaringtechnologie behandelt und über die Ergebnisse berichtet, die bei der Implementierung und der Anwendung dieses Softwareframeworks gewonnen wurden. Schließlich wird die Quaoaringtechnologie in ihrem technologischen Kontext beleuchtet, um ihr Zukunftspotential einzuschätzen

Der Semantic Building Modeler - Ein System zur prozeduralen Erzeugung von 3D-Gebäudemodellen

Computer generated 3d-models of buildings, cities and whole landscapes are constantly gaining importance throughout different fields of application. Starting with obvious domains like computer games or movies there are also lots of other areas, e.g. reconstructions of historic cities both for educational reasons and further research. The most widely used method for producing city models is the „manual“ creation. A 3d artist uses modeling software to design every single component by hand. Especially for city models consisting of hundreds or thousands of buildings this is a very time consuming and thus expensive method. Procedural modeling offers an alternative to this manual approach by using a computer to generate models automatically. The history of procedural modeling algorithms goes back to the 1980s when the first implementations for the automatic texture synthesis were developed and published by Ken Perlin. Other important applications are the generation of plants based on formalisms like L-systems, proposed by Aristid Lindenmayer or particle systems widely used within computer graphics first proposed by William Reeves. Research concerning the applicability of the developed formalisms and techniques led to the creation of systems dedicated to the automatical computation of building and city models. These systems are often differentiated between rule-based and procedural systems. Rule-based systems use formalisms like text replacement systems whereas procedural systems implement every step of the construction process within the program code. The Semantic Building Modeler is a procedural system, which is configured by using user-provided XML-parameters. The semantic meaning of these parameters is fixed through a tight coupling with their usage within the program code. In this point, the semantic of the Semantic Building Modeler differs from other systems on the today’s market. Besides, it facilitates the introduction for novice users making their first experiences with procedural modeling. Concerning the algorithmic aspect the system proposes two new algorithms for the automatic creation and variation of building footprints. These enable the software to create automatically varied building structures. Additionally, the prototype implementation can be seen as an extendable framework. It offers a wide range of algorithms and methods, which can be used for future extensions of the current system. The prototype also contains an implementation of the Weighted-Straight-Skeleton-Algorithm, techniques for the distributed storage of configuration-fragments, the procedural construction of building components like cornice and many more. The prototypical realization of the developed algorithms is a proof-of-concept-implementation. It demonstrates that the usage of semantically based parameters for the procedural creation of complex and visually appealing geometry can go hand-in-hand. This opens the powerful algorithmic construction of building and city models to a big group of users who have no experience neither in the field of programming nor in the manual design of 3d models