3DRepo4Unity: Dynamic Loading of Version Controlled 3D Assets into the Unity Game Engine

In recent years, Unity has become a popular platform for the development of a broad range of visualization and VR applications. This is due to its ease of use, cross-platform compatibility and accessibility to independent developers. Despite such applications being cross-platform, their assets are generally bundled with executables, or streamed at runtime in a highly optimised, proprietary format. In this paper, we present a novel system for dynamically populating a Unity environment at runtime using open Web3D standards. Our system generates dynamic resources at runtime from a remote 3D Repo repository. This enables us to build a viewer which can easily visualize X3D-based revisions from a version controlled database in the cloud without any compile-time knowledge of the assets. We motivate the work and introduce the high-level architecture of our solution. We describe our new dynamic transcoding library with an emphasis on scalability and 3D rendering. We then perform a comparative evaluation between 3drepo.io, a state of the art X3DOM based renderer, and the new 3DRepo4Unity library on web browser platforms. Finally, we present a number of different applications that demonstrate the practicality of our chosen approach. By building on previous Web3D functionality and standards, our hope is to stimulate further discussion around and research into web formats that would enable incremental loading on other platforms

Rectangular Selection of Components in Large 3D Models on the Web

We introduce a novel method for rectangular selection of components in large 3D models on the web. Our technique provides an easy to use solution that is developed for renderers with partial fragment shader support such as embedded systems running WebGL. This method was implemented using the Unity 3D game engine within the 3D Repo open source framework running on a web browser. A case study with industrial 3D models of varying complexity and object count shows that such a solution performs within reasonable rendering expectations even on underpowered devices without a dedicated graphics card

Interactive web-based visualization

The visualization of large amounts of data, which cannot be easily copied for processing on a user’s local machine, is not yet a fully solved problem. Remote visualization represents one possible solution approach to the problem, and has long been an important research topic. Depending on the device used, modern hardware, such as high-performance GPUs, is sometimes not available. This is another reason for the use of remote visualization. Additionally, due to the growing global networking and collaboration among research groups, collaborative remote visualization solutions are becoming more important. The additional use of collaborative visualization solutions is eventually due to the growing global networking and collaboration among research groups. The attractiveness of web-based remote visualization is greatly increased by the wide availability of web browsers on almost all devices; these are available today on all systems - from desktop computers to smartphones. In order to ensure interactivity, network bandwidth and latency are the biggest challenges that web-based visualization algorithms have to solve. Despite the steady improvements in available bandwidth, these improvements are still significantly slower than, for example, processor performance, resulting in increasing the impact of this bottleneck. For example, visualization of large dynamic data in low-bandwidth environments can be challenging because it requires continuous data transfer. However, bandwidth improvement alone cannot improve the latency because it is also affected by factors such as the distance between server and client and network utilization. To overcome these challenges, a combination of techniques is needed to customize the individual processing steps of the visualization pipeline, from efficient data representation to hardware-accelerated rendering on the client side. This thesis first deals with related work in the field of remote visualization with a particular focus on interactive web-based visualization and then presents techniques for interactive visualization in the browser using modern web standards such as WebGL and HTML5. These techniques enable the visualization of dynamic molecular data sets with more than one million atoms at interactive frame rates using GPU-based ray casting. Due to the limitations which exist in a browser-based environment, the concrete implementation of the GPU-based ray casting had to be customized. Evaluation of the resulting performance shows that GPU-based techniques enable the interactive rendering of large data sets and achieve higher image quality compared to polygon-based techniques. In order to reduce data transfer times and network latency, and improve rendering speed, efficient approaches for data representation and transmission are used. Furthermore, this thesis introduces a GPU-based volume-ray marching technique based on WebGL 2.0, which uses progressive brick-wise data transfer, as well as multiple levels of detail in order to achieve interactive volume rendering of datasets stored on a server. The concepts and results presented in this thesis contribute to the further spread of interactive web-based visualization. The algorithmic and technological advances that have been achieved form a basis for further development of interactive browser-based visualization applications. At the same time, this approach has the potential for enabling future collaborative visualization in the cloud.Die Visualisierung großer Datenmengen, welche nicht ohne Weiteres zur Verarbeitung auf den lokalen Rechner des Anwenders kopiert werden können, ist ein bisher nicht zufriedenstellend gelöstes Problem. Remote-Visualisierung stellt einen möglichen Lösungsansatz dar und ist deshalb seit langem ein relevantes Forschungsthema. Abhängig vom verwendeten Endgerät ist moderne Hardware, wie etwa performante GPUs, teilweise nicht verfügbar. Dies ist ein weiterer Grund für den Einsatz von Remote-Visualisierung. Durch die zunehmende globale Vernetzung und Kollaboration von Forschungsgruppen gewinnt kollaborative Remote-Visualisierung zusätzlich an Bedeutung. Die Attraktivität web-basierter Remote-Visualisierung wird durch die weitreichende Verfügbarkeit von Web-Browsern auf nahezu allen Endgeräten enorm gesteigert; diese sind heutzutage auf allen Systemen - vom Desktop-Computer bis zum Smartphone - vorhanden. Bei der Gewährleistung der Interaktivität sind Bandbreite und Latenz der Netzwerkverbindung die größten Herausforderungen, welche von web-basierten Visualisierungs-Algorithmen gelöst werden müssen. Trotz der stetigen Verbesserungen hinsichtlich der verfügbaren Bandbreite steigt diese signifikant langsamer als beispielsweise die Prozessorleistung, wodurch sich die Auswirkung dieses Flaschenhalses immer weiter verstärkt. So kann beispielsweise die Visualisierung großer dynamischer Daten in Umgebungen mit geringer Bandbreite eine Herausforderung darstellen, da kontinuierlicher Datentransfer benötigt wird. Dennoch kann die alleinige Verbesserung der Bandbreite keine entsprechende Verbesserung der Latenz bewirken, da diese zudem von Faktoren wie der Distanz zwischen Server und Client sowie der Netzwerkauslastung beeinflusst wird. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wird eine Kombination verschiedener Techniken für die Anpassung der einzelnen Verarbeitungsschritte der Visualisierungspipeline benötigt, angefangen bei effizienter Datenrepräsentation bis hin zu hardware-beschleunigtem Rendering auf der Client-Seite. Diese Doktorarbeit befasst sich zunächst mit verwandten Arbeiten auf dem Gebiet der Remote-Visualisierung mit besonderem Fokus auf interaktiver web-basierter Visualisierung und präsentiert danach Techniken für die interaktive Visualisierung im Browser mit Hilfe moderner Web-Standards wie WebGL und HTML5. Diese Techniken ermöglichen die Visualisierung dynamischer molekularer Datensätze mit mehr als einer Million Atomen bei interaktiven Frameraten durch die Verwendung GPU-basierten Raycastings. Aufgrund der Einschränkungen, welche in einer Browser-basierten Umgebung vorliegen, musste die konkrete Implementierung des GPU-basierten Raycastings angepasst werden. Die Evaluation der daraus resultierenden Performanz zeigt, dass GPU-basierte Techniken das interaktive Rendering von großen Datensätzen ermöglichen und eine im Vergleich zu Polygon-basierten Techniken höhere Bildqualität erreichen. Zur Verringerung der Übertragungszeiten, Reduktion der Latenz und Verbesserung der Darstellungsgeschwindigkeit werden effiziente Ansätze zur Datenrepräsentation und übertragung verwendet. Des Weiteren wird in dieser Doktorarbeit eine GPU-basierte Volumen-Ray-Marching-Technik auf Basis von WebGL 2.0 eingeführt, welche progressive blockweise Datenübertragung verwendet, sowie verschiedene Detailgrade, um ein interaktives Volumenrendering von auf dem Server gespeicherten Datensätzen zu erreichen. Die in dieser Doktorarbeit präsentierten Konzepte und Resultate tragen zur weiteren Verbreitung von interaktiver web-basierter Visualisierung bei. Die erzielten algorithmischen und technologischen Fortschritte bilden eine Grundlage für weiterführende Entwicklungen von interaktiven Visualisierungsanwendungen auf Browser-Basis. Gleichzeitig hat dieser Ansatz das Potential, zukünftig kollaborative Visualisierung in der Cloud zu ermöglichen

Application-driven visual computing towards industry 4.0 2018

245 p.La Tesis recoge contribuciones en tres campos: 1. Agentes Virtuales Interactivos: autónomos, modulares, escalables, ubicuos y atractivos para el usuario. Estos IVA pueden interactuar con los usuarios de manera natural.2. Entornos de RV/RA Inmersivos: RV en la planificación de la producción, el diseño de producto, la simulación de procesos, pruebas y verificación. El Operario Virtual muestra cómo la RV y los Co-bots pueden trabajar en un entorno seguro. En el Operario Aumentado la RA muestra información relevante al trabajador de una manera no intrusiva. 3. Gestión Interactiva de Modelos 3D: gestión online y visualización de modelos CAD multimedia, mediante conversión automática de modelos CAD a la Web. La tecnología Web3D permite la visualización e interacción de estos modelos en dispositivos móviles de baja potencia.Además, estas contribuciones han permitido analizar los desafíos presentados por Industry 4.0. La tesis ha contribuido a proporcionar una prueba de concepto para algunos de esos desafíos: en factores humanos, simulación, visualización e integración de modelos

Application-driven visual computing towards industry 4.0 2018

245 p.La Tesis recoge contribuciones en tres campos: 1. Agentes Virtuales Interactivos: autónomos, modulares, escalables, ubicuos y atractivos para el usuario. Estos IVA pueden interactuar con los usuarios de manera natural.2. Entornos de RV/RA Inmersivos: RV en la planificación de la producción, el diseño de producto, la simulación de procesos, pruebas y verificación. El Operario Virtual muestra cómo la RV y los Co-bots pueden trabajar en un entorno seguro. En el Operario Aumentado la RA muestra información relevante al trabajador de una manera no intrusiva. 3. Gestión Interactiva de Modelos 3D: gestión online y visualización de modelos CAD multimedia, mediante conversión automática de modelos CAD a la Web. La tecnología Web3D permite la visualización e interacción de estos modelos en dispositivos móviles de baja potencia.Además, estas contribuciones han permitido analizar los desafíos presentados por Industry 4.0. La tesis ha contribuido a proporcionar una prueba de concepto para algunos de esos desafíos: en factores humanos, simulación, visualización e integración de modelos

Software Visualization in 3D: Implementation, Evaluation, and Applicability

The focus of this thesis is on the implementation, the evaluation and the useful application of the third dimension in software visualization. Software engineering is characterized by a complex interplay of different stakeholders that produce and use several artifacts. Software visualization is used as one mean to address this increasing complexity. It provides role- and task-specific views of artifacts that contain information about structure, behavior, and evolution of a software system in its entirety. The main potential of the third dimension is the possibility to provide multiple views in one software visualization for all three aspects. However, empirical findings concerning the role of the third dimension in software visualization are rare. Furthermore, there are only few 3D software visualizations that provide multiple views of a software system including all three aspects. Finally, the current tool support lacks of generating easy integrateable, scalable, and platform independent 2D, 2.5D, and 3D software visualizations automatically. Hence, the objective is to develop a software visualization that represents all important structural entities and relations of a software system, that can display behavioral and evolutionary aspects of a software system as well, and that can be generated automatically. In order to achieve this objective the following research methods are applied. A literature study is conducted, a software visualization generator is conceptualized and prototypically implemented, a structured approach to plan and design controlled experiments in software visualization is developed, and a controlled experiment is designed and performed to investigate the role of the third dimension in software visualization. The main contributions are an overview of the state-of-the-art in 3D software visualization, a structured approach including a theoretical model to control influence factors during controlled experiments in software visualization, an Eclipse-based generator for producing automatically role- and task-specific 2D, 2.5D, and 3D software visualizations, the controlled experiment investigating the role of the third dimension in software visualization, and the recursive disk metaphor combining the findings with focus on the structure of software including useful applications of the third dimension regarding behavior and evolution

Architectures for ubiquitous 3D on heterogeneous computing platforms

Today, a wide scope for 3D graphics applications exists, including domains such as scientific visualization, 3D-enabled web pages, and entertainment. At the same time, the devices and platforms that run and display the applications are more heterogeneous than ever. Display environments range from mobile devices to desktop systems and ultimately to distributed displays that facilitate collaborative interaction. While the capability of the client devices may vary considerably, the visualization experiences running on them should be consistent. The field of application should dictate how and on what devices users access the application, not the technical requirements to realize the 3D output. The goal of this thesis is to examine the diverse challenges involved in providing consistent and scalable visualization experiences to heterogeneous computing platforms and display setups. While we could not address the myriad of possible use cases, we developed a comprehensive set of rendering architectures in the major domains of scientific and medical visualization, web-based 3D applications, and movie virtual production. To provide the required service quality, performance, and scalability for different client devices and displays, our architectures focus on the efficient utilization and combination of the available client, server, and network resources. We present innovative solutions that incorporate methods for hybrid and distributed rendering as well as means to manage data sets and stream rendering results. We establish the browser as a promising platform for accessible and portable visualization services. We collaborated with experts from the medical field and the movie industry to evaluate the usability of our technology in real-world scenarios. The presented architectures achieve a wide coverage of display and rendering setups and at the same time share major components and concepts. Thus, they build a strong foundation for a unified system that supports a variety of use cases.Heutzutage existiert ein großer Anwendungsbereich für 3D-Grafikapplikationen wie wissenschaftliche Visualisierungen, 3D-Inhalte in Webseiten, und Unterhaltungssoftware. Gleichzeitig sind die Geräte und Plattformen, welche die Anwendungen ausführen und anzeigen, heterogener als je zuvor. Anzeigegeräte reichen von mobilen Geräten zu Desktop-Systemen bis hin zu verteilten Bildschirmumgebungen, die eine kollaborative Anwendung begünstigen. Während die Leistungsfähigkeit der Geräte stark schwanken kann, sollten die dort laufenden Visualisierungen konsistent sein. Das Anwendungsfeld sollte bestimmen, wie und auf welchem Gerät Benutzer auf die Anwendung zugreifen, nicht die technischen Voraussetzungen zur Erzeugung der 3D-Grafik. Das Ziel dieser Thesis ist es, die diversen Herausforderungen zu untersuchen, die bei der Bereitstellung von konsistenten und skalierbaren Visualisierungsanwendungen auf heterogenen Plattformen eine Rolle spielen. Während wir nicht die Vielzahl an möglichen Anwendungsfällen abdecken konnten, haben wir eine repräsentative Auswahl an Rendering-Architekturen in den Kernbereichen wissenschaftliche Visualisierung, web-basierte 3D-Anwendungen, und virtuelle Filmproduktion entwickelt. Um die geforderte Qualität, Leistung, und Skalierbarkeit für verschiedene Client-Geräte und -Anzeigen zu gewährleisten, fokussieren sich unsere Architekturen auf die effiziente Nutzung und Kombination der verfügbaren Client-, Server-, und Netzwerkressourcen. Wir präsentieren innovative Lösungen, die hybrides und verteiltes Rendering als auch das Verwalten der Datensätze und Streaming der 3D-Ausgabe umfassen. Wir etablieren den Web-Browser als vielversprechende Plattform für zugängliche und portierbare Visualisierungsdienste. Um die Verwendbarkeit unserer Technologie in realitätsnahen Szenarien zu testen, haben wir mit Experten aus der Medizin und Filmindustrie zusammengearbeitet. Unsere Architekturen erreichen eine umfassende Abdeckung von Anzeige- und Rendering-Szenarien und teilen sich gleichzeitig wesentliche Komponenten und Konzepte. Sie bilden daher eine starke Grundlage für ein einheitliches System, das eine Vielzahl an Anwendungsfällen unterstützt

Low-latency big data visualisation

Diese Arbeit hat sich zum Ziel gesetzt, Methoden aufzuzeigen, „Big-Data“-Archive zu organisieren und zentrale Elemente der enthaltenen Informationen zu visualisieren. Anhand von drei wissenschaftlichen Experimenten werde ich zwei „Big-Data“- Herausforderungen, Datenvolumen (Volume) und Heterogenität (Variety), untersuchen und eine Visualisierung im Browser präsentieren, die trotz reduzierter Datenrate die wesentliche Information in den Datensätzen enthält