Solving the Direction Field for Discrete Agent Motion

Models for pedestrian dynamics are often based on microscopic approaches allowing for individual agent navigation. To reach a given destination, the agent has to consider environmental obstacles. We propose a direction field calculated on a regular grid with a Moore neighborhood, where obstacles are represented by occupied cells. Our developed algorithm exactly reproduces the shortest path with regard to the Euclidean metric.Comment: 8 pages, 4 figure

Stochastic transition model for pedestrian dynamics

The proposed stochastic model for pedestrian dynamics is based on existing approaches using cellular automata, combined with substantial extensions, to compensate the deficiencies resulting of the discrete grid structure. This agent motion model is extended by both a grid-based path planning and mid-range agent interaction component. The stochastic model proves its capabilities for a quantitative reproduction of the characteristic shape of the common fundamental diagram of pedestrian dynamics. Moreover, effects of self-organizing behavior are successfully reproduced. The stochastic cellular automata approach is found to be adequate with respect to uncertainties in human motion patterns, a feature previously held by artificial noise terms alone.Comment: preprint for Pedestrian and Evacuation Conference (PED2012) contributio

Photochemisch strukturierte computergenerierte Hologramme in Bakteriorhodopsin-Schichten

Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung des photochemischen Aufzeichungsprozesses von computergenerierte Hologrammen (CGH's) innerhalb des Biomaterials Bakteriorhodopsin (BR). Dabei werden folgende Schwerpunkte detailliert analysiert: - Implementierung und Untersuchung verschiedene Algorithmen zur Berechnung von CGH's. Die Algorithmen sind insbesondere hinsichtlich der Verwendung des Biomaterials BR als Hologrammedien zu beurteilen. - Untersuchung des Aufzeichungsprozesses von CGH's mittels eines direkten Laserschreibsystems. Bei den CGH-Herstellungsverfahren werden die physikalischen und biochemischen Eigenschaften von BR gezielt ausgenutzt, um die für die CGH-Aufzeichnung optimale Oberflächenprofilierung und/oder Brechungsindexmodulation zu erreichen

Quickest Paths in Simulations of Pedestrians

This contribution proposes a method to make agents in a microscopic simulation of pedestrian traffic walk approximately along a path of estimated minimal remaining travel time to their destination. Usually models of pedestrian dynamics are (implicitly) built on the assumption that pedestrians walk along the shortest path. Model elements formulated to make pedestrians locally avoid collisions and intrusion into personal space do not produce motion on quickest paths. Therefore a special model element is needed, if one wants to model and simulate pedestrians for whom travel time matters most (e.g. travelers in a station hall who are late for a train). Here such a model element is proposed, discussed and used within the Social Force Model.Comment: revised version submitte

Relokalisierung von Erdbeben im südlichen Wiener Becken und angrenzenden Gebieten im Rahmen des Carpathian Basins Project

Zwischen April 2007 und August 2008 waren 15 Breitband Seismometer Stationen in Ostösterreich im Rahmen des Carpatian Basins Project in Betrieb. Die Daten dieser Stationen wurden verwendet um Erdbeben im Mur-Mürztal und dem südlichen Wiener Becken zu lokalisieren. In diesem Gebiet wird auch das höchste seimische Risiko Ostösterreichs erwartet (Hammerl und Lenhardt, 1997). Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Verbesserung der von der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) ermittelten Lokationen durch eine auf den neu erhobenen seismischen Daten basierende Relokalisierung. Die von der ZAMG publizierten Lokationen beruhen auf den Daten der Permanentseismometernetze Österreichs und angrenzender Länder. Da diese Netzwerke im Untersuchungsgebiet keine hohe Stationsdichte aufweisen, können kleinere Erdbeben nur mit hoher Unsicherheit lokalisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Lokationsgenauigkeit durch die Verwendung des temporären Netzwerks deutlich erhöht werden kann. Durch die Verwendung eines kalibrierten 3D Geschwindigkeitsmodells zur Laufzeitberechnung kann eine weitere Verbesserung der Hypozentren erzielt werden (Hausmann et al., 2010). Um ein besseres Verständnis für die aktive Tektonik und das seismische Risiko zu erlangen ist eine gute Kenntnis der Erdbebenlokationen Voraussetzung.Between April 2007 and August 2008 15 Broadband Seismometer stations had been deployed in Eastern Austria in the framework of the Carpathian Basins project. The data of these stations was used to relocate seismic events in the Mur-Mürz valley and the southern Vienna Basin. This is also the region with the highest expected seismic risk in Eastern Austria (Hammerl and Lenhardt, 1997). The aim of this work is to enhance the locations determined by the Austrian Central Institute for Metrology and Geodynamics (ZAMG) through a relocation based on the newly acquired additional seismological data. The original locations published by ZAMG are based on data from the permanent seismic networks in Austria and adjacent countries. Since these networks are not very dense in the region of interest, small events can only be located with great uncertainty. I can show in this thesis that location accuracy is significantly improved by the addition of the temporary seismic stations. Hypocenters are even further improved by using a calibrated 3D velocity model for traveltime calculation (Hausmann et al., 2010). To gain a better understanding of current tectonics and ultimately the seismic hazard of the region a good knowledge of earthquake locations is essential

On the geotectonic evolution of the German North Sea basin: a seismic study

Die geologische Entwicklungsgeschichte im Norddeutschen Becken wird von einer Vielzahl von Prozessen, wie der Subsidenz, der Tektonik und der Salztetonik beeinflusst. Sofern man Aussagen über die Einflüsse einzelner Prozesse machen möchte, ist die Trennung zwischen Effekten, die auf Salztektonik oder auf regionaler Tektonik beruhen, von besonderer Bedeutung. Der Schwerpunkt liegt in der Interpretation von Seismogrammsektionen und seimischen Geschwindigkeitsmodellen, die von der TGS NOPEC, Norwegen, zur Verfügung gestellt wurden. Diese für die Erdölindustrie gewonnen Daten wurden aufwendig prozessiert und als Zeitsektionen zur Verfügung stellt. Da die zu erwartenden großen seimischen Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Salzen und sonstigen Sedimenten in der Zeitsektion zu Abbildungen führen, die stark von der räumlichen Lage der Reflexionselemente abweichen, ist eine Umwandlung der Zeitsektionen in Tiefensektionen ratsam. Die Umwandlung der gestapelten Zeitsektionen in tiefenmigrierte Profile erfolgt mit einem in der vorliegenden Arbeit entwickelten auf der Eikonalgleichung basierenden Wellenfeldinverter. Der Wellenfeldinverter wird zunächst auf der Grundlage der Strahlenseismik hergeleitet, implementiert und an synthetischen Modellen verifiziert. Die Tiefenmigration der Zeitsektionen ermöglicht eine strukturelle Interpretation des Untergrunds der deutschen Nordsee hinsichtlich der Interaktion von Regionaltektonik und Salztektonik. Die Analyse zeigt, dass Modelle, die auf tektonischen Ereignissen als Auflöser basieren, gegenüber Modellen, die sich auf Dichteinversion und Auftrieb gründen, zu bevorzugen sind. Anders als z.B. im Golf von Mexico scheint sich in der Nordseeregion nicht die Extensionstektonik, sondern Kompressionstektonik für den Salzaufstieg verantwortlich zu zeichnen. Weiterhin deutet die größere Ausdehnung von Salzdiapiren im unmittelbaren Umfeld der Gräben (Zentralgraben und Horngraben) darauf hin, dass diese über einen signifikanten Teil der geologischen Entwicklung des Beckens ausgeprägte Schwächezonen darstellen. Ein Auswertung der Verteilung seismischer Intervallgeschwindigkeiten, die mit dem Horizontverlauf relevanter geologischer Einheiten aus dem Zechstein, der Kreide, dem Paläogen und Neogen verschnitten und mittels eines gesteinsphysikalischen Ansatzes von Tiefeneffekten bereinigt wurden, zeigt eine räumlich-zeitliche Korrelation. Zwischen den verschiedenen Regionen beobachtete Geschwindigkeitsabweichungen lassen sich mit unterschiedlichen Werten des Porendrucks erklären. Negative Geschwindigkeitsanomalien deuten dabei auf Regionen, in denen ein Porenraumüberdruck vorherrscht. In Regionen, die starker tektonischer Belastung ausgestetzt sind, wie den Gräben, kann dieser Überdruck abgebaut werden. Entsprechend sind die Geschwindigkeiten dort größer.The geological evolution of the North German Basin System is caused by a variety of processes, such as subsidence, tectonics and salt tectonics. If the influence of the particular processes shall be considered, the separation of effects due to salt tectonics or regional tectonics is crucial. Emphasis were put on the interpretation of seismic sections and seismic velocity models, which were provided by TGS NOPEC, Norway. These data, which were collected for oil exploration purposes, were extensively processed and provided in the form of time sections. Since the expected large seismic velocity differences between salts and other sediments will cause time section images to deviate significantly from the real positions of the reflectors, a conversion of time sections into depth sections is advisable. This conversion of the stacked time sections into depth-migrated profiles is performed by means of a wave-field invertor based on the eikonal equation, which is developed in this thesis. The wave-field invertor is derived on the basis of seismic ray theory, implemented and verified by application to synthetic models. The depth migration of the time sections allows for a structural interpretation of the German North Sea Basin subsurface with respect to the interaction of regional and salt tectonics. The analysis shows that models for salt tectonic based on tectonic events as triggers for salt diapirism should be preferred over models involving density inversion and buoyancy processes. Contrary to the situation found, e.g., in the gulf of Mexico, in the North Sea region it seems to be compressional, not extensional, tectonics which is responsible for salt diapirism. Furthermore the larger extension of salt diapirs in the immediate vicinity of the graben structures (Central Graben and Horn Graben) indicates that these have represented zones of weakness over a significant portion of the geological evolution of the basin. Seismic interval velocities along the horizon of relevant geological units (Zechstein, Cretaceous, Paleogene and Neogene) were corrected for depth effects based on a petrophysical model and clearly show a spatial-temporal correlation. Velocity deviations observed among the different regions can be explained by different values of pore pressure. Negative velocity anomalies indicate regions of overpressurized pore-spaces. In areas subject to strong tectonic or salt tectonic stress, such as grabens, this overpressure can be released, leading to higher observed velocities

Diffraktive Optiken im Automobil - Achromatisierung, Athermalisierung, Formung von Scheinwerferlichtverteilungen

Durch die rasante technologische Entwicklung im Scheinwerferbereich können optische Systeme mit stetig steigenden Funktionalitäten entwickelt werden. In diesem Zusammenhang werden in dieser Arbeit thermische und chromatische Einflüsse durch diffraktive Oberflächenstrukturen minimiert. Dazu werden insbesondere ein neuer Auslegungsansatz sowie eine Simulationsmethodik diffraktiver Strukturen basierend auf Ray-Tracing vorgestellt

Approximation anatomischer Strukturen und biomedizinischer Prozesse zur rechnergestützten Untersuchung der Hämodynamik in Aneurysmen

Arterien des Menschen können Aneurysmen aufweisen, deren Ruptur zu lebensbedrohenden inneren Blutungen wie Schlaganfällen führen kann. Ein Therapieansatz ist das Einsetzen von sogenannten Stents. Eine Ruptur oder der Einfluss eines Stents kann mit dem momentanen Stand der Technik nicht exakt vorhergesagt werden. Für eine optimale Behandlung von Patienten wäre dies allerdings eine wichtige Zusatzinformation für den behandelnden Arzt. Zur Bestimmung dieser Zusatzinformation sollen zukünftig Simulationen der Hämodynamik in pathologischen Arterien eingesetzt werden. In dieser Arbeit werden Strömungsgeschwindigkeiten in Arterien ohne beziehungsweise mit Einbringung von Einbauten wie Stents berechnet und die entstehenden Wandscherspannungen im Hinblick auf eine Rupturvorhersage untersucht. Weiterhin wird der Massentransfer zwischen Arterie und Aneurysma charakterisiert und eine Analyse des Thrombosierungsverhaltens unter Strömungseinfluss vorgenommen. Bei letztgenanntem Thema werden insbesondere der Verschluss von Aneurysmen durch Thromben, die Ortseindämmung der Thrombenbildung und das Verhalten von wandanhaftenden Thromben auch in Bezug auf eine Ablösung untersucht. Um hierfür geeignete Simulationen durchführen zu können, wird eine Analyse der biomedizinischen Grundlagen durchgeführt. Für die Untersuchung der komplexen Dynamik sind aus methodischer Sicht zwei grundlegende Aspekte zu bearbeiten: die geometrische und die funktionelle Approximation. Die funktionelle Approximation biomedizinischer Prozesse umfasst die Untersuchung der Blutströmung, des Transports von passiven Stoffen und der Thrombosierung. Hierfür werden entsprechende Modelle identifiziert, in entsprechende Lattice-Boltzmann-Verfahren umgewandelt, simuliert und untersucht. Durch die Erarbeitung geeigneter Konzepte für eine Umsetzung der hier beschriebenen Simulationen auf einzelnen oder mehreren, miteinander kommunizierenden Grafikprozessoren kann eine effiziente Simulation der gekoppelten Multi-Physik-Probleme mit Lattice-Boltzmann-Verfahren erreicht werden. Insgesamt stellt diese Vorgehensweise ein Novum dar und unterstreicht die Praktikabilität der Methode. Die geometrische Approximation anatomischer Strukturen wird in dieser Arbeit mit Level-Set-Darstellungen gelöst. Mit ihnen können vielfältige Problemstellungen im Umfeld der Simulation bearbeitet werden, dies umfasst beispielsweise die Konstruktion einer Simulationsdomäne aus unterschiedlichen Tomographiedaten und die Einbringung von Einbauten wie Stents in das Untersuchungsgebiet. Durch die Kombination mit der Lattice-Boltzmann-Methode können Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden, etwa bei der effizienten Berechnung der Wandscherspannungen. Eine Validierung der Strömungs- und Transportsimulationen wird mit hochaufgelöster Magnetresonanztomographie vorgenommen. Dazu wird ein Modell des Aufnahmevorgangs unter Einfluss von Radiofrequenz-Magnetfeldern und Gradienten erstellt und der Magnetisierungstransport sowie die Relaxation simuliert. Die bestimmten Abweichungen zwischen Simulation und Messung sind insgesamt gering. Für die Messexperimente werden erstmals 3D-Druckverfahren für die Konstruktion von physischen Modellen eingesetzt und deren Güte untersucht. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit steht eine effiziente und umfassende Verarbeitungspipeline für Blutströmungs-, Transport- und Thrombosierungsprozesse für weitere Untersuchungen bereit. Sie kann ebenfalls leicht um neue Modelle erweitert werden. Die Simulation der Magnetresonanztomographie für Flussbildgebung ermöglicht ebenfalls zukünftige Anwendungen im Bereich der Sequenzentwicklung