Delaunay-kolmioinnin hyödyntäminen infrastruktuurin suunnitteluohjelmistoissa

In Finland, irregular triangulation has traditionally been used in infrastructural design software, such as road, railroad, bridge, tunnel and environmental design software, to model ground surfaces. Elsewhere, methods like regular square and triangle network, approximating surface without a surface presentation, and algebraic surfaces, have been used for the same task. Approximating the ground surface is necessary for tasks such as determining the height of a point on the ground, interpolating 2D polylines onto the ground, calculating height lines, calculating volumes and visualization. In most of these cases, a continuous surface representation, a digital terrain model is needed. Delaunay triangulation is a way of forming an irregular triangulation out of a 2D point set, in such a way that the triangles are well-formed. Well-formed triangles are essential for the accuracy of the surface representation. This Master's Thesis studies how much time and memory it takes to form a Delaunay triangulation for large point sets, and how Delaunay triangulation compares to other methods of forming a surface representation. In addition, the run-time and accuracy of the resulting surface representations is studied in different interpolation and volume calculation tasks.Infrastruktuurin suunnitteluohjelmistoissa, kuten tien-, rautatien-, sillan-, tunnelin-, ja ympäristönsuunnitteluohjelmistoissa, on Suomessa perinteisesti käytetty maaston pinnan mallintamiseen mittapisteistä muodostettua epäsäännöllistä kolmioverkkoa. Muualla maailmassa ovat käytössä olleet säännölliset neliö- ja kolmioverkot, maaston approksimointi ilman pintaesitystä, sekä joissain tapauksissa algebralliset pintaesitykset. Pinnan approksimaatiota tarvitaan em. sovelluksissa mm. pisteen korkeuden arviointiin, 2-ulotteisten murtoviivojen interpolointiin maaston pinnalle, korkeuskäyrien laskemiseen ja massan (tilavuuden) laskentaan annetuilta alueilta sekä visualisointiin. Delaunay-kolmiointi on tapa muodosta 2-ulotteisesta pistejoukosta epäsäännöllinen kolmioverkko, jonka kolmiot hyvin tasamuotoisia. Kolmioiden tasamuotoisuus on oleellisesta pintamallin tarkkuudelle. Tässä työssä tutkitaan Delaunay-kolmioinnin käytettävyyttä maaston mallintamiseen suurilla pistejoukoilla, sekä epäsäännöllisen kolmioinnin käytettävyyttä em. tehtäviin. Työssä vertaillaan Delaunay-kolmioinnin muodostamisen ajan ja muistin kulutusta pintaesityksen muodostamiseen muilla menetelmillä. Lisäksi tutkitaan näin muodostettujen pintamallien tilavuuslaskennan ja interpolaation nopeutta ja tarkkuutta

A Partially Randomized Approach to Trajectory Planning and Optimization for Mobile Robots with Flat Dynamics

Motion planning problems are characterized by huge search spaces and complex obstacle structures with no concise mathematical expression. The fixed-wing airplane application considered in this thesis adds differential constraints and point-wise bounds, i. e. an infinite number of equality and inequality constraints. An optimal trajectory planning approach is presented, based on the randomized Rapidly-exploring Random Trees framework (RRT*). The local planner relies on differential flatness of the equations of motion to obtain tree branch candidates that automatically satisfy the differential constraints. Flat output trajectories, in this case equivalent to the airplane's flight path, are designed using Bézier curves. Segment feasibility in terms of point-wise inequality constraints is tested by an indicator integral, which is evaluated alongside the segment cost functional. Although the RRT* guarantees optimality in the limit of infinite planning time, it is argued by intuition and experimentation that convergence is not approached at a practically useful rate. Therefore, the randomized planner is augmented by a deterministic variational optimization technique. To this end, the optimal planning task is formulated as a semi-infinite optimization problem, using the intermediate result of the RRT(*) as an initial guess. The proposed optimization algorithm follows the feasible flavor of the primal-dual interior point paradigm. Discretization of functional (infinite) constraints is deferred to the linear subproblems, where it is realized implicitly by numeric quadrature. An inherent numerical ill-conditioning of the method is circumvented by a reduction-like approach, which tracks active constraint locations by introducing new problem variables. Obstacle avoidance is achieved by extending the line search procedure and dynamically adding obstacle-awareness constraints to the problem formulation. Experimental evaluation confirms that the hybrid approach is practically feasible and does indeed outperform RRT*'s built-in optimization mechanism, but the computational burden is still significant.Bewegungsplanungsaufgaben sind typischerweise gekennzeichnet durch umfangreiche Suchräume, deren vollständige Exploration nicht praktikabel ist, sowie durch unstrukturierte Hindernisse, für die nur selten eine geschlossene mathematische Beschreibung existiert. Bei der in dieser Arbeit betrachteten Anwendung auf Flächenflugzeuge kommen differentielle Randbedingungen und beschränkte Systemgrößen erschwerend hinzu. Der vorgestellte Ansatz zur optimalen Trajektorienplanung basiert auf dem Rapidly-exploring Random Trees-Algorithmus (RRT*), welcher die Suchraumkomplexität durch Randomisierung beherrschbar macht. Der spezifische Beitrag ist eine Realisierung des lokalen Planers zur Generierung der Äste des Suchbaums. Dieser erfordert ein flaches Bewegungsmodell, sodass differentielle Randbedingungen automatisch erfüllt sind. Die Trajektorien des flachen Ausgangs, welche im betrachteten Beispiel der Flugbahn entsprechen, werden mittels Bézier-Kurven entworfen. Die Einhaltung der Ungleichungsnebenbedingungen wird durch ein Indikator-Integral überprüft, welches sich mit wenig Zusatzaufwand parallel zum Kostenfunktional berechnen lässt. Zwar konvergiert der RRT*-Algorithmus (im probabilistischen Sinne) zu einer optimalen Lösung, jedoch ist die Konvergenzrate aus praktischer Sicht unbrauchbar langsam. Es ist daher naheliegend, den Planer durch ein gradientenbasiertes lokales Optimierungsverfahren mit besseren Konvergenzeigenschaften zu unterstützen. Hierzu wird die aktuelle Zwischenlösung des Planers als Initialschätzung für ein kompatibles semi-infinites Optimierungsproblem verwendet. Der vorgeschlagene Optimierungsalgorithmus erweitert das verbreitete innere-Punkte-Konzept (primal dual interior point method) auf semi-infinite Probleme. Eine explizite Diskretisierung der funktionalen Ungleichungsnebenbedingungen ist nicht erforderlich, denn diese erfolgt implizit durch eine numerische Integralauswertung im Rahmen der linearen Teilprobleme. Da die Methode an Stellen aktiver Nebenbedingungen nicht wohldefiniert ist, kommt zusätzlich eine Variante des Reduktions-Ansatzes zum Einsatz, bei welcher der Vektor der Optimierungsvariablen um die (endliche) Menge der aktiven Indizes erweitert wird. Weiterhin wurde eine Kollisionsvermeidung integriert, die in den Teilschritt der Liniensuche eingreift und die Problemformulierung dynamisch um Randbedingungen zur lokalen Berücksichtigung von Hindernissen erweitert. Experimentelle Untersuchungen bestätigen, dass die Ergebnisse des hybriden Ansatzes aus RRT(*) und numerischem Optimierungsverfahren der klassischen RRT*-basierten Trajektorienoptimierung überlegen sind. Der erforderliche Rechenaufwand ist zwar beträchtlich, aber unter realistischen Bedingungen praktisch beherrschbar

Computer Graphics Learning Materials

Selles lõputöös on antud ülevaade Tartu Ülikooli aine Arvutigraafika (MTAT.03.015) jaoks koostatud õppematerjalist ja õppekeskkonnast. Kirjeldatud on aine modulaarset ülesehitust, mis rakendab kombineeritud ülevalt-alla (ing. k. top-down) ja alt-üles (ing. k. bottom-up) lähenemisi. Loodud õppematerjal sisaldab endas interaktiivseid näiteid, mis vastavad hõivatuse taksonoomia 4ndale tasemele. Õppekeskkonna CGLearn spetsifikatsioon ja implementatsiooni detailid on kirjeldatud. Töö lõpus on kursusel osalenud õpilaste hulgas läbi viidud tagasiside küsitluse tulemuste analüüsiga. Lisa fail on lingina kätesaadav serveri probleemide tõttu aadresil : http://comserv.cs.ut.ee/forms/ati_report/files/ComputerGraphicsLearningMaterialsAppendix.zipThis thesis provides an overview of the learning material and a custom learning environment created for the Computer Graphics (MTAT.03.015) course in the University of Tartu. It describes a modular layout, that mixes a top-down and bottom-up approaches, in which the course was organized. The created material also includes interactive examples that satisfy engagement level 4 requirements. The specification and implementation details of the custom learning environment called CGLearn are given. Thesis concludes with the analysis of the feedback questionnaire answered by the students participating in the course and using the material. Due to server problems extras file is in here : http://comserv.cs.ut.ee/forms/ati_report/files/ComputerGraphicsLearningMaterialsAppendix.zi

Handwritten text generation and strikethrough characters augmentation

We introduce two data augmentation techniques, which, used with a Resnet-BiLSTM-CTC network, significantly reduce Word Error Rate and Character Error Rate beyond best-reported results on handwriting text recognition tasks. We apply a novel augmentation that simulates strikethrough text (HandWritten Blots) and a handwritten text generation method based on printed text (StackMix), which proved to be very effective in handwriting text recognition tasks. StackMix uses weakly-supervised framework to get character boundaries. Because these data augmentation techniques are independent of the network used, they could also be applied to enhance the performance of other networks and approaches to handwriting text recognition. Extensive experiments on ten handwritten text datasets show that HandWritten Blots augmentation and StackMix significantly improve the quality of handwriting text recognition models

Automatic Generation of Internal Fibres of Skeletal Muscles

Hlavním cílem bakalářské práce je rozložení kosterních svalů do mechanických vláken, které aproximují reálná svalová vlákna a šlachy. Tato práce pojednává o existujících metodách dekompozice svalů, jmenovitě Kukačka a VIPER, a má za cíl navrhnout novou metodu. V této práci jsou, mimo jiné, řešeny problémy rovnoměrného rozložení bodů v mnohoúhelníku a problém optimálního přiřazení. Součástí byl také krátký dotazník, kde účastníci porovnávali vizuální stránku vláken vytvořených novou metodou a metodou Kukačka.ObhájenoThe main focus of this bachelor's thesis is the decomposition of skeletal muscles into mechanical fibers, that approximate real muscle fibers and tendons. The work examines the existing methods of decomposition, namely Kukačka and VIPER, and aims to introduce a new one. The thesis also deals with the problem of the even distribution of points inside a polygon and the problem of optimal assignment. Part of the thesis was also a small survey, where participants compared the visual aspect of the fibers created by the new method and Kukačka

Parametric Paraglider Modeling

Dynamic simulations are invaluable for studying system behavior, developing control models, and running statistical analyses. For example, paraglider flight simulations could be used to analyze how a wing behaves when it encounters wind shear, or to reconstruct the wind field that was present during a flight. Unfortunately, creating dynamics models for commercial paraglider wings is difficult: not only are detailed specifications unavailable, but even if they were, a detailed model would be laborious to create. To address that difficulty, this project develops a paraglider flight dynamics model that uses parametric components to model commercial paraglider wings given only limited technical specifications and knowledge of typical wing design. To validate the model design and implementation, an aerodynamic simulation of a reference paraglider canopy is compared to wind tunnel measurements, and a dynamic simulation of a commercial paraglider system is compared to basic flight test data. The entirety of the models and example wings are available as an open source library built on the Python scientific computing stack

Constrained deformation for evolutionary optimization

Sieger D. Constrained deformation for evolutionary optimization. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2017.This thesis investigates shape deformation techniques for their use in design optimization tasks. In the first part, we introduce state-of-the-art deformation methods and evaluate them in a set of representative benchmarks. Based on these benchmarking results, we derive essential criteria and features a deformation technique should satisfy in order to be successfully applicable within design optimization. In the second part, we concentrate on the application and improvement of deformation techniques based on radial basis functions. We present and evaluate a unified framework for surface and volume mesh deformation and investigate questions of performance and scalability. In the final third part, we concentrate on the integration of additional constraints into the deformation, thereby improving the overall effectiveness of the design optimization process and fostering the creation of more feasible and producible design variations. We present a novel shape deformation technique that effectively maintains different types of geometric constraints such as planarity, circularity, or characteristic feature lines during deformation. At the same time, our method provides a unique level of modeling flexibility, quality, robustness, and scalability. Finally, we integrate techniques for automatic constraint detection directly into our deformation framework, thereby making our method more easily applicable within complex design optimization scenarios

Ray Tracing Gems

This book is a must-have for anyone serious about rendering in real time. With the announcement of new ray tracing APIs and hardware to support them, developers can easily create real-time applications with ray tracing as a core component. As ray tracing on the GPU becomes faster, it will play a more central role in real-time rendering. Ray Tracing Gems provides key building blocks for developers of games, architectural applications, visualizations, and more. Experts in rendering share their knowledge by explaining everything from nitty-gritty techniques that will improve any ray tracer to mastery of the new capabilities of current and future hardware. What you'll learn: The latest ray tracing techniques for developing real-time applications in multiple domains Guidance, advice, and best practices for rendering applications with Microsoft DirectX Raytracing (DXR) How to implement high-performance graphics for interactive visualizations, games, simulations, and more Who this book is for: Developers who are looking to leverage the latest APIs and GPU technology for real-time rendering and ray tracing Students looking to learn about best practices in these areas Enthusiasts who want to understand and experiment with their new GPU

Implicit muscle models for interactive character skinning

En animation de personnages 3D, la déformation de surface, ou skinning, est une étape cruciale. Son rôle est de déformer la représentation surfacique d'un personnage pour permettre son rendu dans une succession de poses spécifiées par un animateur. La plausibilité et la qualité visuelle du résultat dépendent directement de la méthode de skinning choisie. Sa rapidité d'exécution et sa simplicité d'utilisation sont également à prendre en compte pour rendre possible son usage interactif lors des sessions de production des artistes 3D. Les différentes méthodes de skinning actuelles se divisent en trois catégories. Les méthodes géométriques sont rapides et simples d'utilisation, mais leur résultats manquent de plausibilité. Les approches s'appuyant sur des exemples produisent des résultats réalistes, elles nécessitent en revanche une base de données d'exemples volumineuse, et le contrôle de leur résultat est fastidieux. Enfin, les algorithmes de simulation physique sont capables de modéliser les phénomènes dynamiques les plus complexes au prix d'un temps de calcul souvent prohibitif pour une utilisation interactive. Les travaux décrits dans cette thèse s'appuient sur Implicit Skinning, une méthode géométrique corrective utilisant une représentation implicite des surfaces, qui permet de résoudre de nombreux problèmes rencontrés avec les méthodes géométriques classiques, tout en gardant des performances permettant son usage interactif. La contribution principale de ces travaux est un modèle d'animation qui prend en compte les effets des muscles des personnages et de leur interactions avec d'autres éléments anatomiques, tout en bénéficiant des avantages apportés par Implicit Skinning. Les muscles sont représentés par une surface d'extrusion le long d'axes centraux. Les axes des muscles sont contrôlés par une méthode de simulation physique simplifiée. Cette représentation permet de modéliser les collisions des muscles entre eux et avec les os, d'introduire des effets dynamiques tels que rebonds et secousses, tout en garantissant la conservation du volume, afin de représenter le comportement réel des muscles. Ce modèle produit des déformations plus plausibles et dynamiques que les méthodes géométriques de l'état de l'art, tout en conservant des performances suffisantes pour permettre son usage dans une session d'édition interactive. Elle offre de plus aux infographistes un contrôle intuitif sur la forme des muscles pour que les déformations obtenues se conforment à leur vision artistique.Surface deformation, or skinning is a crucial step in 3D character animation. Its role is to deform the surface representation of a character to be rendered in the succession of poses specified by an animator. The quality and plausiblity of the displayed results directly depends on the properties of the skinning method. However, speed and simplicity are also important criteria to enable their use in interactive editing sessions. Current skinning methods can be divided in three categories. Geometric methods are fast and simple to use, but their results lack plausibility. Example-based approaches produce realistic results, yet they require a large database of examples while remaining tedious to edit. Finally, physical simulations can model the most complex dynamical phenomena, but at a very high computational cost, making their interactive use impractical. The work presented in this thesis are based on, Implicit Skinning, is a corrective geometric approach using implicit surfaces to solve many issues of standard geometric skinning methods, while remaining fast enough for interactive use. The main contribution of this work is an animation model that adds anatomical plausibility to a character by representing muscle deformations and their interactions with other anatomical features, while benefiting from the advantages of Implicit Skinning. Muscles are represented by an extrusion surface along a central axis. These axes are driven by a simplified physics simulation method, introducing dynamic effects, such as jiggling. The muscle model guarantees volume conservation, a property of real-life muscles. This model adds plausibility and dynamics lacking in state-of-the-art geometric methods at a moderate computational cost, which enables its interactive use. In addition, it offers intuitive shape control to animators, enabling them to match the results with their artistic vision

Interconnection of a Forest Growth Model and a Structural Model for Young Poplar Trees (Populus spp.)

Beim Anbau von schnellwachsenden Baumarten wie Pappel und Weide auf landwirtschaftlichen Flächen in Kurzumtriebsplantagen stellt die Standortwahl und die daran gebundene Ertragsprognose eine zentrale Entscheidung für den Bewirtschafter dar. In Verbindung mit dem Sortenaspekt besteht hier Forschungsbedarf zur Wechselwirkung von Standort und Genotyp hinsichtlich der Wuchsleistung. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Fragestellungen auf mehreren Ebenen zu betrachten. Dazu wurde ein Multiskalen-Ansatz gewählt, in dessen Rahmen zwei Modellkomplexe entwickelt werden, um sie anschließend durch eine Schnittstelle zu verbinden. Der erste Komplex sieht dabei die Implementierung eines Ertragssimulators vor, der das einzelbaumbasierte Wachstum und die Mortalität in Abhängigkeit von Konkurrenz und Standortbedingungen abbildet. Die Datengrundlage hierfür stellen Zuwachsdaten aus dem vom BMEL geförderten ProLoc Verbundvorhaben dar. Dazu wird auf 18 Versuchsflächen zurückgegriffen, die auf einer breiten Amplitude standörtlicher Eigenschaften angelegt wurden. Nach einem einheitlichem Versuchsdesign wurden monoklonale Versuchsparzellen mit drei Pappel- und zwei Weidenklonen (interspezifisch gekreuzte Hybride) in zwei je dreijährigen Rotationen versuchstechnisch betreut und nach dem dritten Jahr auf den Stock gesetzt. Basierend auf der Vorlage des Waldwachstumssimulators BWINPro und der zugehörigen Programmbibliothek TreeGross werden mehrere Modelle parametrisiert, die neben den Überlebensraten nach der Pflanzung und dem Rückschnitt die Höhenzuwächse in der ersten und zweiten Rotation schätzen. Mit dem distanzunabhängigen Konkurrenzparameter “basal area of larger trees'' kann die Entwicklung innerhalb der Bestände abgebildet werden. Hinsichtlich der Wuchsleistung auf Standortebene stellen sich im Zuge der Variablenselektion die Parameter Pflanzdatum, nutzbare Feldkapazität, Bodenzahl, Niederschlagssumme im Mai und Juni und Mitteltemperatur im Juni und Juli als entscheidend heraus. Zur Schätzung des Höhenzuwachses und der Überlebensrate nach Rückschnitt wird die Baumhöhe vor der Ernte als unabhängige Variable genutzt. Der Faktor Klon deutet innerhalb der Modelle zwar auf Unterschiede in den Wachstumsvorgängen hin, Wechselwirkungen mit Standortvariablen können jedoch nicht festgestellt werden. Fehlende Variablen wie der durchschnittliche Gesamtzuwachs des Ertrags der Trockenmasse in t_atro ha^-1 a^-1 werden über zusätzliche am Datensatz parametrisierte Funktionen geschätzt. Die Einzelmodelle werden zu einem Simulationsablauf verbunden und die Gesamtschätzgüte überprüft. In der ersten Rotation können gute Ergebnisse erzielt werden mit quadrierten Korrelationen der beobachteten und geschätzten Bestandesmittelhöhen von 0.79. In der zweiten Rotation nimmt die Schätzgüte jedoch auf 0.53 ab. Es finden sich vereinzelte Standorte mit starken Abweichungen, als problematisch werden die Tiefe der Bodenbeprobung und fehlende erweiterte Informationen über den Wasserhaushalt vermutet. Der zweite Modellkomplex beinhaltet ein Strukturmodell, für das sich auf die Pappel-Genotpyen und die zweite Rotation beschränkt wird. Zunächst wurden mehrere Messmethoden identifiziert, die geeignet sind, die Baumarchitektur in Form von Geometrie und Topologie der oberirdischen holzigen Biomasse sowie die Morphologie der Belaubung hinsichtlich der Blattarchitektur und Blattform zu bestimmen. Für die Verzweigungsarchitektur wurden ein manuelles Verfahren und ein semi-automatisches Verfahren mit einem elektromagnetischen Digitizer zur Bestimmung der Astkrümmung gewählt und angewandt. Die Blattarchitektur wurde mit einem manuellen Verfahren gemessen. Die Blattform konnte per Digitalisierung von eingesammelten Blättern bestimmt werden. Im Zuge der Analyse der gewonnenen Daten werden mehrere Modelle parametrisiert. Hierdurch können für Apikal- und Lateralknospen die Austriebswahrscheinlichkeiten sowie die Dimension und Orientierung im Raum von sich bildenden Trieben geschätzt werden. Innerhalb der Modelle wird nach Haupt- und Nebenstämmen, Verlängerungs- und Seitentrieben, Lang- und Kurztrieben und innerhalb der Seitentriebe nach sylleptischen sowie regulären Trieben differenziert. Der Ausgangspunkt ist hier die Schätzung die Internodienanzahl je Trieb, die über die Trieblänge wiederum andere Parameter wie den Verzweigungswinkel und die Krümmung beeinflusst. Weitere Faktoren, die mehreren Modellen zugrunde liegen, sind das Alter und die Verzweigungsordnung sowie der genotypische Einfluss. Parameter wie die Belaubung und die Blattgröße lassen sich mitunter durch die relative Höhe am Baum schätzen. Die Blattform wiederum wird durch Konturpunkte bestimmt, deren Koordinaten in Abhängigkeit von der Blattlänge berechnet werden. Im Rahmen der Analyse dieser Modelle stellen sich geringe Unterschiede in der Struktur zwischen den Klonen heraus. Ausnahmen stellen die Krümmung und Verzweigungswinkel der Seitentriebe für einen der Klone dar, bei dem die Modelle den beobachtbaren schlankeren Habitus gut reproduzieren. Deutliche Unterschiede ergeben sich auch bei den Blattformen, die die Blattformen der zugrundeliegenden Elternspezies der Hybride wiedergeben. Die einzelnen Modellfunktionen werden anschließend als Gesamt-Strukturmodell in der Modellplattform GroIMP implementiert. Das erhaltene Modell kann in Jahresschritten die Entwicklung der Baumstruktur für jeden der drei Klone abbilden. Wahlweise können beliebig große Bestände simuliert werden, die durch stochastische Komponenten im Modell über eine realitätsnahe Variabilität der Baumgrößen verfügen. Die Verbindung der beiden Modellkomplexe wird durch eine Schnittstelle realisiert, die den Import von Einzelbaumdaten aus dem Ertragsmodell in das Strukturmodell vorsieht. Zwei weitere Modelle werden parametrisiert, um für das Strukturmodell die Internodienanzahl aus der Trieblänge als jährliche Höhenzuwächse des Ertragsmodells ermitteln zu können und das Wachstum der Nebenstämme an den Hauptstamm anzupassen. Darüber hinaus können die vom Ertragssimulator erzeugten Ausfälle in den Beständen berücksichtigt werden. Zukünftige Forschungsarbeiten werden zeigen, inwiefern das hier entwickelte Ertragsmodell durch eine Validierung mit Daten aus anderen Versuchen weiterentwickelt werden kann, um auch tiefere Bodenschichten mit einzubeziehen. Das Strukturmodell könnte durch Einbau eines Physiologiemoduls zu einem vollständigen Funktions-Struktur-Pflanzenmodell ausgebaut werden. Durch die Erweiterung der Schnittstelle zur Rückgabe von Daten vom Strukturmodell zum Ertragsmodell wäre auch eine Verbesserung der Schätzgüte z.B. durch erweiterte Möglichkeiten zur Modellierung der Konkurrenzverhältnisse vorstellbar.When planting fast-growing tree species such as poplars and willows on agricultural land in short rotation coppice plantations, site selection and the associated yield potential pose a central decision for the practitioner. In connection with the cultivar aspect there has been a need for research on the interaction between site and genotype in terms of growth performance. The aim of this work is to examine these questions on several levels. For this purpose, a multi-scale approach was chosen in the framework of which two model complexes are developed which are then connected by an interface. The first model complex incorporates the implementation of a yield simulator which depicts single tree based growth and mortality as a function of competition and site conditions. The data basis for this is growth data from the joint research project ProLoc funded by the BMEL. For this purpose, 18 trial sites are chosen which were initiated on a broad amplitude of environmental conditions. Following a uniform experimental design, monoclonal trial plots with three poplar and two willow clones (interspecific crossed hybrids) were supervised in two tri-annual rotations and cut back after the third year. Based on the model of the forest growth simulator BWINPro and the associated TreeGross program library, several models are parameterized which, in addition to the survival rates after planting and harvest, estimate the height increment in the first and second rotation. With the distance-independent competition index ``basal area of larger trees'' the development within the stands can be predicted. Regarding the growth performance on the site level, the parameters of planting date, available water capacity, German agricultural soil quality rating, sum of precipitation in May and June and mean temperature in June and July are identified as influential by variable selection. To estimate the height increment and survival after pruning, tree height before harvest is regarded as an independent variable. The factor clone indicates differences in the growth processes within the models but interactions with site variables can not be determined as significant. Missing variables such as the mean annual increment in dry matter yield in oven-dry tons ha^-1 a^-1 are estimated by additional functions parameterized with the dataset. The individual models are connected to a simulation procedure and the overall predictive power is assessed. Good results can be achieved for the first rotation with squared correlations of the observed and estimated mean stand height of 0.79. However, in the second rotation the estimation quality decreases to 0.53. There are single sites with considerable deviations. The depth of the soil sampling and missing extended information on the water supply are suspected as problematic here. The second model complex includes a structural model focused on the poplar genotypes and the second rotation. First, several measuring methods were identified which are deemed suitable for determining the tree architecture in terms of geometry and topology of the above-ground woody biomass, as well as the morphology of foliage in terms of leaf architecture and leaf shape. For the branch architecture, a manual method and a semi-automatic method with an electromagnetic digitizer for determining branch curvature have been selected and employed. The leaf architecture was measured by a manual method. The leaf shape could be determined by digitizing collected leaves. After analyzing the obtained data, several models are parameterized. As a result, the probability of bud growth and the dimensions and orientation in space of developing shoots can be estimated for apical and lateral buds. The models differentiate between main and minor stems, prolongation and lateral shoots, long and short shoots and, within the lateral shoots, sylleptic and regular shoots. The starting point here is the estimation of the number of internodes per shoot which in turn influences other parameters such as the branch angle and the curvature through the shoot length. Other factors underlying several models are the age, branch order and the genotypic influence. Parameters such as foliage and leaf size can mainly be estimated by the relative height with regard to the absolute tree height. The leaf shape in turn is determined by contour points whose coordinates are calculated as a function of the leaf blade length. As part of the analysis of these models, only slight differences in the structure between the clones are found. Exceptions are the curvature and branching angles of the lateral shoots for one of the clones, for which the models reproduce the observable slender habitus. Significant differences also occur in the leaf shape which reflect the leaf shapes of the underlying parent species of the hybrids. The individual model functions are then implemented into a structural model in the model platform GroIMP. The resulting model can simulate the development of the tree structure for each of the three clones in annual steps. Arbitrarily large stands can be simulated that have realistically varying tree sizes through stochastic components in the model. The interconnection of the two model complexes is realized through the import of single tree data from the yield model into the structural model. Two further models are parameterized to determine the number of internodes from the shoot length as annual height increment of the yield model for the structural model and to modify the growth of the minor stems in dependence of the main stem growth. Additionally, the single tree mortality generated by the yield simulator is incorporated into the structural model. Further research will show whether it is possible to improve the yield model by validation with data from other experiments to include deeper soil layers here. The structural model could be extended to a complete functional structural plant model by incorporating a physiology module. By extending the interconnection to return data from the structural model to the yield model, the predictive power could be improved, for example by means of extended possibilities for modeling the within-stand competition dynamics