Projekte

SWZ-gefördertes Forschungsprojekt

Projektpartner: Prof. Dr. Michael Kolonko, TU Clausthal

Viele Materialien und Stoffe sind aus Partikeln aufgebaut, vom Beton bis zur Tablette. Manche Eigenschaften der fertigen Stoffe sind bereits stark durch die geometrischen Eigenschaften der Partikelmischungen bestimmt. Bei Beton ist z.B. die Raumausfüllung der trockenen Mischung, also das Verhältnis von Behältergröße zum Volumen der enthaltenen Partikel, ausschlaggebend für die Festigkeit des Betons nach der Aushärtung. In anderen Anwendungen, etwa bei der Herstellung von Schäumen, spielen Verteilung und Gestalt der Zwischenräume zwischen den 'Partikeln', die in diesem Falle Hohlräume sind, eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften des Materials.

Die richtige Wahl der Mischungszusammensetzung bzw. Korngrößenverteilung ist daher entscheidend bei der Entwicklung von Partikel-basierten Werkstoffen mit vorgegebenen Eigenschaften. Bisher sind dafür meist noch aufwändige Laborexperimente erforderlich, es gibt allerdings erfolgreiche Ansätze, zumindest die Geometrie der Mischungen am Rechner zu simulieren. In der AG Kolonko wird seit einigen Jahren ein Programmsystem „RaSim“ entwickelt, das die zufällige dichte Anordnung (Packung) einer Mischung von kugelförmigen Partikeln mit einer vorgegebenen Korngrößenverteilung (KGV) simuliert. Wesentliches Anwendungsgebiet ist die Betonforschung, in der KGVs mit einer möglichst hohen Raumausfüllung gesucht werden. Als Ergebnis liefert die Simulation im Moment i.W. die erreichte Raumausfüllung als Prozentangabe und erstellt statische Bilder von simulierten Packungen mit Standardsoftware.

Für einen Einsatz der Simulation in einem breiteren Anwendungsfeld, etwa der Herstellung von Filtern und Membranen aus Partikeln, aber auch für die Herstellung von Mischungen für Gießereiformen oder den 3D-Druck, müssen weitere, qualitative Eigenschaften der Packungen ermittelt werden, die z.B. die lokale Interaktion der Partikel betreffen. Dies ist besonders dann erforderlich, wenn nicht-sphärische Partikel simuliert werden, wie dies in Ansätzen bereits möglich ist. Hier möchte man die relative Lage der (unterschiedlich geformten) Partikel zueinander erkennen und die Durchmischung beurteilen können. Damit könnten auch die Auswirkungen genauer studiert werden, die einzelne Parametereinstellungen der Simulation haben, die ihrerseits realen Bedingungen wie Druck oder Dauer des Mischvorgangs entsprechen.

Bei realen Mischungen kann man unter einem Mikroskop z.B. Anordnung und Gestalt der Zwischenräume untersuchen oder mögliche (unerwünschte) Sortierung der Partikel entdecken. Im Rahmen dieses Projekts soll daher ein flexibles Visualisierungswerkzeug entwickelt werden, dass als eine Art virtuelles Mikroskop intensive qualitative Untersuchungen einer simulierten Mischung ermöglicht. Dies würde das Anwendungsspektrum vorhandener Simulationssysteme erweitern, gleichzeitig wäre dies ein wichtiges Werkzeug für die Weiterentwicklung und Verbesserung der Simulation.

Interactive Visualization of Gaps and Overlaps for Large and Dynamic Sphere Packings
Feng Gu, Z. Yang, Michael Kolonko, Thorsten Grosch
Vision, Modelling and Visualization (VMV 2017)

Accelerated simulation of sphere packings using parallel hardware
Zhixing Yang, Feng Gu, Thorsten Grosch, Michael Kolonko
Simulation Science (2018)

Fast and Dynamic Construction of Bounding Volume Hierarchies Based on Loose Octrees
Feng Gu, Johannes Jendersie, Thorsten Grosch
Vision, Modelling and Visualization (VMV 2018)

Accelerating the Visualization of Gaps and Overlaps for Large and Dynamic Sphere Packings with Bounding Volume Hierarchies
Feng Gu, Zhixing Yang, Michael Kolonko, Thorsten Grosch
Simulation Science (2020)

Visualization and Inspection of the Geometry of Particle Packings
Feng Gu
phd-thesis (2022)

DFG-gefördertes Forschungsprojekt

Projektpartner: Prof. Dr. Raimund Dachselt, TU Dresden

Die Erweiterte Realität (Augmented Reality) hat dank mobiler Endgeräte das Potenzial, künftig auch jenseits industrieller Anwendungen verstärkt zum Einsatz zu kommen. Zum Beispiel können im Bereich Architektur und Innenarchitektur virtuelle Möbel oder Fenster in realen Räumen platziert werden.

Für die Manipulation einer möglichst überzeugend augmentierten, realen Welt werden sowohl in Echtzeit generierte, photorealistische Darstellungen als auch natürliche, nahtlose Interaktionsformen mit den virtuellen Objekten benötigt. Dies sind zwei wesentliche Erfolgsaspekte für Augmented Reality-Anwendungen, die im Projekt IPAR erforscht werden.

Grundlage ist zunächst die Vermessung der komplexen, realen Lichtverhältnisse, die als Eingabe für die Echtzeit-Beleuchtung der virtuellen Objekte verwendet werden. Neben der Veränderung der real wirkenden virtuellen Objekte wird damit auch eine virtuelle Manipulation realer Objekte bei konsistenter Beleuchtung möglich. Für die Interaktionen werden einerseits indirekte Techniken untersucht, bei denen in der Hand gehaltene moderne Tablets als sogenannte "Magische Linsen" zum Einsatz kommen. Analog zu einem Kameradisplay stellen sie ein Fenster in die virtuell angereicherte Realität dar, durch das Anwender Gegenstände manipulieren können. Andererseits sollen auch direkte gestische Interaktionstechniken in Kombination mit einer mobilen Projektion auf reale Objekte entwickelt und evaluiert werden.

Neben Forschungsfragen zur Vermessung und Modellierung zeitlich und räumlich variierender Beleuchtung in Innenräumen wird im Forschungsprojekt untersucht, welche Herausforderungen sich aus der nahtlosen Integration bezüglich der Nutzerinteraktion und Akzeptanz ergeben.

Publikationen

Tiled Frustum Culling for Differential Rendering on Mobile Devices
Kai Rohmer and Thorsten Grosch
IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR 2015)

Interactive Near-Field Illumination for Photorealistic Augmented Reality 
with Varying Materials on Mobile Devices
Kai Rohmer, Wolfgang Büschel, Raimund Dachselt and Thorsten Grosch
IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (TVCG 2015)

Interactive Near-field Illumination for Photorealistic Augmented Reality on Mobile Devices
Kai Rohmer, Wolfgang Büschel, Raimund Dachselt and Thorsten Grosch
IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR 2014)
Best Full Paper Award