Semi-automatic generation of three-dimensional visual algorithm simulations

Algorithms and data structures constitute the theoretical foundations of computer science and are an integral part of any classical computer science curriculum. Due to their high level of abstraction, the understanding of algorithms is of crucial concern to the vast majority of novice students. To facilitate the understanding and teaching of algorithms, a new research field termed "algorithm visualisation" evolved in the early 1980's. This field is concerned with innovating techniques and concepts for the development of effective algorithm visualisations for teaching, study, and research purposes. Due to the large number of requirements that high-quality algorithm visualisations need to meet, developing and deploying effective algorithm visualisations from scratch is often deemed to be an arduous, time-consuming task, which necessitates high-level skills in didactics, design, programming and evaluation. A substantial part of this thesis is devoted to the problems and solutions related to the automation of three-dimensional visual simulation of algorithms. The scientific contribution of the research presented in this work lies in addressing three concerns: - Identifying and investigating the issues related to the full automation of visual simulations. - Developing an automation-based approach to minimising the effort required for creating effective visual simulations. - Designing and implementing a rich environment for the visualisation of arbitrary algorithms and data structures in 3D. The presented research in this thesis is of considerable interest to (1) researchers anxious to facilitate the development process of algorithm visualisations, (2) educators concerned with adopting algorithm visualisations as a teaching aid and (3) students interested in developing their own algorithm animations.Als fundamentale abstrakte Konzepte der theoretischen Informatik sind Algorithmen und Datenstrukturen ein integraler Bestandteil jedes klassischen Kurrikulums eines Informatik-Studiums. Aufgrund ihrer abstrakten Eigenschaften stellt das Verstehen der Arbeitsweise von Algorithmen für viele Studierende eine große Herausforderung dar. Um das Lernen, Lehren und Erforschen von Algorithmen und Datenstrukturen zu vereinfachen, wurde Anfang der 80er Jahre ein Forschungsgebiet namens Algorithmenvisualisierung geschaffen. Als Teildisziplin der Softwarevisualisierung befasst sich dieses Forschungsfeld mit der dynamischen Visualisierung des abstrakten Verhaltens von Algorithmen und den diesen zugrundeliegenden Datenstrukturen. Algorithmenvisualisierung gilt als ein modernes e-Learning- und e-Teaching-Instrument, das Computergraphiktechniken einsetzt, um das Verstehen, Vermitteln und Erforschen von Algorithmen zu erleichtern. Ein Hauptziel dieser Dissertation besteht darin, Ansätze zur Automatisierung von dreidimensionalen visuellen Algorithmensimulationen zu entwickeln und zu implementieren. Eine visuelle Simulation eines Algorithmus ist eine interaktive Animation seines Verhaltens und der Zustandsänderungen seiner Daten, der eine Echtzeitsimulation des Algorithmus zugrunde liegt. Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit besteht darin, die bislang unerforschten Probleme der vollautomatischen Visualisierung von Algorithmen zu identifizieren und zu analysieren, mögliche Lösungswege und -ansätze zu entwickeln und diese in eine zu schaffende Algorithmenvisualisierungsumgebung zu implementieren. Desweiteren präsentiert die Arbeit einen Ansatz zur Minimierung des Aufwands für die Entwicklung von visuellen Simulationen paralleler Algorithmen und einen Ansatz zur passiven Animation von Algorithmen zu NP-vollständigen Problemen. ..