Universität Stuttgart
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Item Open Access Interacting with large high-resolution display workplaces(2018) Lischke, Lars; Schmidt, Albrecht (Prof.)Large visual spaces provide a unique opportunity to communicate large and complex pieces of information; hence, they have been used for hundreds of years for varied content including maps, public notifications and artwork. Understanding and evaluating complex information will become a fundamental part of any office work. Large high-resolution displays (LHRDs) have the potential to further enhance the traditional advantages of large visual spaces and combine them with modern computing technology, thus becoming an essential tool for understanding and communicating data in future office environments. For successful deployment of LHRDs in office environments, well-suited interaction concepts are required. In this thesis, we build an understanding of how concepts for interaction with LHRDs in office environments could be designed. From the human-computer interaction (HCI) perspective three aspects are fundamental: (1) The way humans perceive and react to large visual spaces is essential for interaction with content displayed on LHRDs. (2) LHRDs require adequate input techniques. (3) The actual content requires well-designed graphical user interfaces (GUIs) and suitable input techniques. Perceptions influence how users can perform input on LHRD setups, which sets boundaries for the design of GUIs for LHRDs. Furthermore, the input technique has to be reflected in the design of the GUI. To understand how humans perceive and react to large visual information on LHRDs, we have focused on the influence of visual resolution and physical space. We show that increased visual resolution has an effect on the perceived media quality and the perceived effort and that humans can overview large visual spaces without being overwhelmed. When the display is wider than 2 m users perceive higher physical effort. When multiple users share an LHRD, they change their movement behavior depending whether a task is collaborative or competitive. For building LHRDs consideration must be given to the increased complexity of higher resolutions and physically large displays. Lower screen resolutions provide enough display quality to work efficiently, while larger physical spaces enable users to overview more content without being overwhelmed. To enhance user input on LHRDs in order to interact with large information pieces, we built working prototypes and analyzed their performance in controlled lab studies. We showed that eye-tracking based manual and gaze input cascaded (MAGIC) pointing can enhance target pointing to distant targets. MAGIC pointing is particularly beneficial when the interaction involves visual searches between pointing to targets. We contributed two gesture sets for mid-air interaction with window managers on LHRDs and found that gesture elicitation for an LHRD was not affected by legacy bias. We compared shared user input on an LHRD with personal tablets, which also functioned as a private working space, to collaborative data exploration using one input device together for interacting with an LHRD. The results showed that input with personal tablets lowered the perceived workload. Finally, we showed that variable movement resistance feedback enhanced one-dimensional data input when no visual input feedback was provided. We concluded that context-aware input techniques enhance the interaction with content displayed on an LHRD so it is essential to provide focus for the visual content and guidance for the user while performing input. To understand user expectations of working with LHRDs we prototyped with potential users how an LHRD work environment could be designed focusing on the physical screen alignment and the placement of content on the display. Based on previous work, we implemented novel alignment techniques for window management on LHRDs and compared them in a user study. The results show that users prefer techniques, that enhance the interaction without breaking well-known desktop GUI concepts. Finally, we provided the example of how an application for browsing scientific publications can benefit from extended display space. Overall, we show that GUIs for LHRDs should support the user more strongly than GUIs for smaller displays to arrange content meaningful or manage and understand large data sets, without breaking well-known GUI-metaphors. In conclusion, this thesis adopts a holistic approach to interaction with LHRDs in office environments. Based on enhanced knowledge about user perception of large visual spaces, we discuss novel input techniques for advanced user input on LHRDs. Furthermore, we present guidelines for designing future GUIs for LHRDs. Our work creates the design space of LHRD workplaces and identifies challenges and opportunities for the development of future office environments.Item Open Access Hardware-beschleunigte Volumenvisualisierung auf adaptiven Datenstrukturen(2006) Weiler, Manfred; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)In vielen Disziplinen und Anwendungsgebieten spielen Volumendaten heutzutage eine immer wichtigere Rolle und der Einsatz von Graphik-Hardware stellt eine gute Möglichkeit dar, den mit der Volumenvisualisierung verbundenen Berechnungsaufwand zu meistern. Die bisher auf Graphikkarten übliche relativ starre Verarbeitungspipeline beschränkt ihren Einsatz jedoch auf wenige Typen von Volumendaten, insbesondere uniforme 3D Gitter, deren Struktur sich effizient auf die Mechanismen auf der Graphikkarte abbilden lässt. Mit der kürzlich eingeführten freien Programmierbarkeit von Graphikkarten ist es zunehmend möglich, die massive Rechenleistung der Graphikchips, welche die Fähigkeiten aktueller Universalprozessoren bei weitem übersteigt, für die Visualisierung von Volumendaten auf adaptiven Datenstrukturen einzusetzen. Am Beispiel dreier wichtiger Vertreter dieser Gattung von adaptiven Datenstrukturen, Finite-Elemente-Netze in ihrer Ausprägung als Tetraedergitter, lokale Gitterverfeinerungen sowie gitterlose Punktrepräsentationen, untersucht diese Arbeit, in wieweit sich die dafür erforderlichen komplexen Visualisierungsalgorithmen durch den Einsatz moderner Graphik-Hardware beschleunigen lassen. Ziel es dabei, möglichst viele Teile der Berechnung in den Verantwortungsbereich der Graphikkarte zu bringen, um auch in Zukunft von dem raschen Fortschritt bei der Entwicklung von Graphik-Hardware zu profitieren. Ein wichtiges dabei zu untersuchendes Problemfeld stellt das Zusammenspiel der unterschiedlichen involvierten Berechnungseinheiten (Hauptprozessor, Vertexprozessor und Fragmentprozessor auf der Graphikkarte) dar. Die Geschwindigkeitsoptimierung durch ausgewogenene Balance wird in der vorliegenden Arbeit durch unterschiedliche Algorithmen zur Visualisierung von Tetraedergittern demonstriert, die sukzessive identifizierte Flaschenhälse bei der Berechnung und der Kommunikation mit nachgelagerten Einheiten und dem Speicher beseitigen. Am Ende steht ein Hardware-basierter Ray Casting-Algorithmus für Tetraedergitter, der vollständig auf der Graphik-Hardware abläuft. Da Algorithmen, die auf der Graphikkarte ablaufen, ihre Daten aus dem Speicher der Graphikkarte beziehen, werden weiterhin Möglichkeiten zur Kompression betrachtet, um die maximale Größe der verarbeitbaren Datensätze zu erhöhen. Es wird eine neue kompakte Datenstruktur für Tetraedergitter vorgestellt, welche sowohl die Tetraederattribute als auch die Konnektivität der Tetraeder speichert und als Basis zur Visualisierung mittels Ray Casting dienen kann. Für punktbasierte Daten wird außerdem eine neue kompakte prozedurale Kodierung auf der Grundlage von radialen Basisfunktionen entwickelt, welche durch die Möglichkeit der Dekodierung mittels der programmierbaren Fragmenteinheit mit einer Vielzahl von Visualisierungslagorithmen kombinierbar ist und durch die vorgelagerte Kodierung anderer Datenstrukturen wie uniformer Gitter, Tetraedergitter oder gitterloser Daten eine universelle Visualisierungslösung darstellt. Eine weitere Option zur interaktiven Visualisierung von Tetraedergittern bietet die Abtastung auf adaptiv verfeinerten uniformen Volumengittern, die besser für die Verarbeitung auf der Graphikkarte geeignet sind. Hier ermöglicht die Beschleunigung der Abtastung mittels Graphik-Hardware die dynamische Berechnung, jeweils entsprechend den Parametern des aktuell dargestellten Bildes. Die sonst beim Resampling auftretenden charakteristischen Probleme wie hoher Speicherbedarf, geringe Interaktionsraten oder niedrige Darstellungsqualität werden dadurch vermieden beziehungsweise minimiert. Für typische Probleme, die bei der Visualisierung auf der Basis adaptiv verfeinerter uniformer Gitter auftreten, wie inkonsistente Interpolation zwischen unterschiedlichen Gitterbereichen oder Artefakte, die durch eine adaptive Abtastung auftreten, werden Lösungsansätze präsentiert. Implementierungsaspekte einer adaptiven Volumendarstellung auf uniformen Gittern werden im Rahmen einer neuartigen Software-Architektur mit flexiblen und erweiterbaren Shadern betrachtet. Sie erlaubt es, die Visualisierungsalgorithmen einfach auf die spezielle Graphik-Hardware der Zielplattform anzupassen, was in Anbetracht der heterogenen Graphikkarten-Landschaft einen wichtigen Baustein für die Entwicklung effizienter Visualisierungslösungen darstellt. Darüberhinaus wird gezeigt, wie sich programmierbare Graphik-Hardwere im Umfeld von virtuellen Umgebungen durch Hardware-beschleunigte Bildkompression und -dekompression geschwindigkeitssteigernd einsetzen lässt. Die Arbeit bringt alle vorgestellten Algorithmen in einen Gesamtzusammenhang, der es erlaubt gemeinsame Gestaltungsrichtlinien für die erfolgreiche Umsetzung von Visualisierungs-Algorithmen auf Graphik-Hardware zu extrahieren. Diese können anderen Forschern als Muster und zur Anregung dienen und so die Entwicklung weiterer Hardware-beschleunigter Algorithmen inspirieren.Item Open Access Bridging cognitive and deep learning models of attention(2025) Sood, Ekta; Bulling, Andreas (Prof. Dr.)Neural attention mechanisms, drawing inspiration from the cognitive modeling of human attention, have led to significant advancements in deep learning models across the fields of computer vision (CV) and natural language processing (NLP) (Gupta et al., 2021). Despite these technological strides, AI models still fall short of human performance in tasks demanding nuanced comprehension (e.g., reading comprehension), as well as in out-of-the-box data domains and novel modalities (Sarker, 2021). The goal of this dissertation is to bridge human and data-driven models of attention to enhance the performance of neural systems for CV and NLP tasks. We hypothesize that the human–machine performance gap is due to a lack of adequate human-like attention functionalities in AI systems, given the relationship between attention functionality and task performance in humans (Pashler et al., 2001). To address this gap, we focus on three aspects that currently hamper the performance of attention-based deep neural networks (DNNs) (Kotseruba et al., 2016). First, the lack of interpretability, obscuring our knowledge of how these models process and prioritize information. Second, the challenge of generalizability across datasets and domains. Third, the substantial data dependency, hindering the development and scalability of the models for certain tasks. We explore if we can mitigate these issues by integrating DNNs with cognitive models of attention, especially for the tasks of reading and scene perception, where human attention has been widely studied and where DNNs fall short of human capabilities (Das et al., 2017; Mathias et al., 2021). Accordingly, the manuscript develops along three research questions. The first is: What is the relationship between neural and human attention? Focusing on reading comprehension tasks, we uncover correlations between models and human-like attention on reading comprehension tasks. Our findings demonstrate that: a closer alignment with human attention patterns can in fact significantly improve DNNs task performance in both mono- and multimodal settings; that there is a trade-off between model complexity and attention-based interpretability; and that specifically text attention is significantly correlated to model accuracy. Second, we ask: How does incorporating cognitive theories of attention into DNNs enhance model generalizability? We illustrate that using cognitive simulations as an inductive bias, along with specialized training, effectively compensates for the absence of human ground truth attention data in novel domains. We pioneer a method (known as deep saliency prediction (Wang et al., 2021)) to initiate training a DNN for visual saliency prediction by using cognitive model simulations as an inductive bias. Our text and image saliency models, informed by generalized eye movement behaviors simulated from cognitive models, are further refined with limited eye-tracking data, achieving significant performance improvements comparable to the state of the art across various domains and datasets. Lastly, our third research question is: Can methods informed by cognitive models of attention effectively mitigate data dependency requirements? We apply our saliency prediction model in mono- and multimodal NLP tasks using a novel joint semi-supervised training method: we generate task-specific human-like attention by training our downstream task models and allowing for gradient flow in the saliency prediction model. Hence, we supervise neural attention layers of different downstream DNNs with different saliency predictions from the same model. This way, by supervising neural attention mechanisms with human-like attention, and jointly training both models for a given task end-to-end, we circumvent the need for task-specific human data. Put together, our studies set forth a structured approach towards addressing key limitations of current data-driven deep learning models of attention. This thesis demonstrates that integrating them with cognitive science frameworks of human attention opens up new research possibilities, allowing to obtain models that are more efficient, more aligned with human cognitive processes, and that better perceive and understand the world in a human-like manner.Item Open Access Context-aware assistive systems for augmented work : a framework using gamification and projection(2014) Korn, Oliver; Schmidt, Albrecht (Prof. Dr.)While context-aware assistive systems (CAAS) have become ubiquitous in cars or smartphones, most workers in production environments still rely on their skills and expertise to make the right choices and movements. The quality gates currently established by the industry successfully remove "waste" i.e. failed work results from the workflow, but they usually operate in a spatial and temporal distance from the workplace and the worker. Thus workers lack the opportunity to learn from problems on the fly and to improve their work habits. Today’s motion recognition systems already allow to continuously analyze work actions. The corresponding middleware can interpret these actions in real-time and micro projectors allow to display work-relevant information directly into a worker’s field of vision. Thus the technical pre-requisites for CAAS with instant feedback directly at the workplace essentially have been established. Although every worker would benefit from context-aware assistive systems, impaired persons and elderly persons with reduced physical and mental capabilities require such systems the most. CAAS have the potential to empower these persons to do more complex work or to remain in regular jobs longer. Thus they combine economic benefits with inclusion and address the demographic change. After an overview of the relevant backgrounds from ethics, psychology, comput-er science and engineering as well as the relevant state-of-the-art, we establish requirements which result in a model for ideal CAAS. As the framework aims to improve not only the work results but also the work process and thus the workers' motivation, the model incorporates elements from game design. This process of "gamifying" real-world actions is called gamification. We describe an exemplary implementation covering essential aspects of the model. The effects of both the augmentation by projection and by gamification are evaluated with impaired persons in a sheltered work organization using empirical methods common in human computer interaction. An additional focus lies on the ethical implications of assistive systems which supervise and model their users in real-time. While this thesis represents a starting point for research on CAAS in workplaces, important aspects like real-time error tracking or the integration of emotion detection are still subjects of future research. We hope that future CASS based on this work will help to make work not only more productive but also more enjoyable and motivating for workers.Item Open Access Neue Methoden und Techniken für die Evaluation von Visualisierungen(2015) Raschke, Michael; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)Visualisierungen umgeben uns wie selbstverständlich im Alltag und bei der Arbeit, um abstrakte Informationen darzustellen und komplexe Zusammenhänge zu verstehen. Lag bisher das Hauptaugenmerk der Entwicklung von Visualisierungstechniken auf der Frage, wie möglichst viele Daten in möglichst kurzer Zeit, in einer möglichst hohen Auflösung dargestellt werden können, so gewann in der Visualisierungsforschung in den letzten Jahren die Fragestellung an Bedeutung, ob eine Visualisierung auch nützlich und leicht lesbar ist. Um diese Fragestellung umfassend beantworten zu können, war das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von neuen Methoden und Techniken zur Untersuchung der Wahrnehmung von Visualisierungen, sowie zur Evaluation von Visualisierungstechniken. Dazu wurde ein interdisziplinärer Ansatz gewählt, der die drei wissenschaftlichen Forschungsgebiete Eye-Tracking, Wissensrepräsentation und Kognitionswissenschaften miteinander verbindet. Eye-Tracking-Experimente wurden für die Analyse des Blickverhaltens bei der Arbeit mit Visualisierungen eingesetzt. Die Repräsentation visuellen Wissens erlaubt es, semantische Eigenschaften von Scan-Paths untersuchen zu können. Simulationsmethoden aus den Kognitionswissenschaften ermöglichen es, das Blickverhalten vorherzusagen. Eye-Tracking-Experimente werden in der Visualisierungsforschung dazu eingesetzt, um Augenbewegungen von Probanden, welche Aufgaben mit Visualisierungen durchführen, aufzunehmen. Ein nicht zu unterschätzender Zeitaufwand bei der Auswertung dieser Art von Experimenten nimmt die anschließende Analyse der Augenbewegungen ein. Um den Aufwand der Analyse dieser Scan-Paths zu reduzieren und ähnliche Augenbewegungsmuster über die Probanden hinweg zu identifizieren, wurde die parallele Scan-Path-Visualisierungstechnik entwickelt, die eine übersichtliche Darstellung von mehreren Scan-Paths erlaubt. Damit können Lesestrategien von Visualisierungen über mehrere Probanden hinweg erkannt und miteinander verglichen werden. Die parallele Scan-Path-Visualisierung wurde zusätzlich mit automatischen Mustererkennungsverfahren erweitert. Dieser sogenannten visuelle Analytik-Ansatz erlaubt es, Scan-Paths quantitativ miteinander zu vergleichen und führt zu einer effizienten Analyse von sehr großen Eye-Tracking-Datensätzen. Für die Modellierung von Wissen über Visualisierungen wurde ein Wissensmodell mit drei Ebenen entwickelt. Jede Ebene beschreibt in Form einer Ontologie eine unterschiedliche Abstraktionsebene des Wissens über Visualisierungen und die darin enthaltenen graphischen Elemente. Elemente aus diesen Ontologien werden mit bestimmten Bereichen in einer Visualisierung oder mit einzelnen graphischen Elementen in Visualisierungen verknüpft. Dieser Ansatz ermöglicht es nicht nur wie bisher zu analysieren, welche Bereiche in einer Visualisierung auf einem Bildschirm in welcher Reihenfolge betrachtet worden sind (WO-Raum), sondern auch, was für graphische Elemente dort wahrgenommen (WAS-Raum) und wie diese kognitiv weiterverarbeitet wurden. Es wird gezeigt, wie mit der parallelen Scan-Path-Visualisierungstechnik, basierend auf dieser Annotation, Wissensverarbeitungsprozesse visualisiert werden können. Damit können auch Bereiche in Visualisierungen, die möglicherweise zu einer kognitiven Verzerrung führen, erkannt und im Detail weiter untersucht werden. Für die Simulation der visuellen Suche wurde eine auf dem Kognitionssimulationsframework ACT-R basierende Simulation entwickelt, die Leseprozesse in Visualisierungen simuliert, und es erlaubt, diese mit empirisch ermittelten Daten zu vergleichen. Zusätzlich stellt diese Arbeit erstmalig ein operatorenbasiertes Modell zur Vorhersage von Durchführungszeiten von visuellen Aufgaben vor. Dieses operatorenbasierte Diagram-Viewing-Modell verwendet das Konzept des aus der Mensch-Computer-Interaktionsforschung bekannten Keystroke-Level-Modells und erweitert es für die Vorhersage von Durchführungszeiten von visuellen Aufgaben. Neben einer Effizienzsteigerung bei der Auswertung von Eye-Tracking-Experimenten führt die Kombination der visuellen Analyse von Scan-Paths mit ontologiebasierten Wissensmodellen zu einem tieferen Verständnis der Leseprozesse von Visualisierungen. Semantische Charakteristika von Scan-Paths können besser untersucht werden und die Wahrscheinlichkeit für kognitive Verzerrungen bei der Arbeit mit Visualisierungen durch eine geeignete Anpassung des Visualisierungskonzepts verringert werden. Insgesamt können die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden und Techniken zu einem stärker benutzerorientierten, iterativen Entwicklungsprozess von Visualisierungen führen. In diesem Entwicklungsprozess können Ergebnisse der Eye-Tracking-Analyse oder Ergebnisse aus Simulationen dazu eingesetzt werden, um zu untersuchen, wie Visualisierungen von verschiedenen Benutzergruppen wahrgenommen werden.Item Open Access Exploring application, interaction and interface design for educational use of mobile phones in schools in Panama(2014) Valderrama Bahamóndez, Elba del Carmen; Schmidt, Albrecht (Prof. Dr.)Mobile phones have become the most ubiqutious computing devices worldwide. In developing countries, mobile phones have been adopted much faster than conventional desktop computers and in some regions mobile phones are the only kind of computer available. In fact, current mobile phones have well integrated multimedia capabailities, are equipped with multiple sensors, offer a wide range network capabilities, and many offer a good usability. These features, together with the ubiquity of mobile phones makes these devices a versitile and powerful tool to be used for supporting education in developing countries. Over the last decade researchers have explored the potential of using mobile phones for learning in school in developing countries around the world. So far, most research focused on the use of customized applications that were designed to support specific tasks within a single school subject or to support a particular learning task. The research reported in this dissertation followed a human-centered design approach. In contrasts to previous research the approach taken was more holisitic than previous studies, included longitudinal studies, and investigated how ordinary off-the-shelf mobile phones can be used as a tool to assist teaching and self-directed learning across different classes in elementary schools in Panama. The first and exploratory research steps incluced an analysis of the current accesiblity, atittude and use of computers and mobile phones by teachers and students in elementary schools in Panama. Following a participatory design process with the teachers, potential scenarios and use cases where mobile phones might be beneficial for education were identified. This dissertation includes a set of field studies in elementary public schools in the countryside of Panama. Teachers identified relevant use cases for their situation, and were free to integrate and use mobile phones in whatever way they considered best to support the pupils they were teaching at that moment. To automate the long term data collection a screenshot logger mobile application was developed. This applications runs in the background and provides textual and visual data of the use and interaction across the different applications and function of the mobile phones and was used during the field studies. Using this tool these studies provided a rich dataset. An analysis of the data provided a comprehensive understanding on the usage of mobile phones by children both at school and at home. One area that was investigated in depth was how technologies impact drawing and writing skills. It was studied how children of different ages wrote words by hand and how they drew simple shapes on paper and different touchscreen phones. The research conducted and presented in this dissertation, provides evidence that there is a strong potential for educational use of mobile phones in elementary schools in Panama. This dissertation presents a set of recommendations on how mobile applications and more general phone user interface should be improved to better support a variety of individual teaching approaches and learning styles.Item Open Access Interactive visualization methods for mobile device applications(2006) Diepstraten, Joachim; Ertl, Thomas (Prof.)The number of mobile devices today already outnumbers the installed desktop PCs and this gap will further widen in the future since the market for desktop PCs is stagnating but is still growing for mobile devices. For example, the cellular phone is one of the most widespread devices that can display graphical content and its functionality is constantly increasing. Even with the increased functionality on recent mobile devices bringing interactive graphics and visualization methods to these devices is not as easy as it might appear to be. Strategies and ideas that work for desktop machines cannot necessarily be transferred to mobile devices because they have very different characteristics. The purpose of this thesis is to exactly address this problem. The current limitations of these devices -- limited processing power, small amount of memory, low bandwidth, limited network capacities, small display area -- that hinder the usage of current visualization applications on these devices are identified. In order to overcome them, several different strategies are presented that allow interactive 3D graphic solutions to run on mobile devices. These strategies take advantage of different properties of a mobile device, e.g., network speed. Which strategy should be employed for a graphical application can be decided based on the properties of the device that suit best to the strategy. Moreover, algorithms for presenting data in a resource friendly, user recognizable form but at the same time taking account of the display limitations are introduced by addressing ideas in illustrative and artistic rendering. A special focus in this thesis is on the representation of transparency that plays a significant role in extending the usable space for visualizing information. In this thesis several strategies taken from artistic rendering have been successfully applied to the context of mobile rendering solutions. Additionally, a 3D graphical user interface was designed that is well suited to solve spatial problems in mobile devices and allows developers to build new classes of modern user interfaces. All the new algorithms explained in this thesis do not only extend the capabilities of bringing interactive 3D graphics to mobile device, but can for example also be used for enhancing the richness of visualization or non-photorealistic rendering methods in any sort of interactive environment.Item Open Access Particle tracing methods for visualization and computer graphics(2008) Schafhitzel, Tobias; Weiskopf, Daniel (Prof. Dr.)This thesis discusses the broad variety of particle tracing algorithms with focus on flow visualization. Starting with a general overview of the basics of visualization and computer graphics, mathematics, and fluid dynamics, a number of methods using particle tracing for flow visualization and computer graphics are proposed. The first part of this thesis considers mostly texture-based techniques that are implemented on the graphics processing unit (GPU) in order to provide an interactive dense representation of 3D flow fields. This part considers particle tracing methods that can be applied on general vector fields and includes texture based visualization in volumes as well as on surfaces. Furthermore, it is described how particle tracing can be used for extracting flow structures, like path surfaces, of the given vector field. The second part of this thesis considers particle tracing on derived vector fields for flow visualization. Therefore, first a feature extraction criterion is applied on a fluid flow field. In most cases this results in a scalar field serving as base for the particle tracing methods. Here, it is shown how higher order derivatives of scalar fields can be used to extract flow features like 1D vortex core lines or 2D shear sheets. The extracted structures are further processed in terms of feature tracking. The third part generalizes particle tracing for arbitrary applications in visualization and computer graphics. Here, the particles' path either might be defined by the perspective of the human eye or by a force field that influences the particles' motion by considering second order ordinary differential equations. All three parts clarify the importance of particle tracing methods for a wide range of applications in flow visualization and computer graphics by various examples. Furthermore, it is shown how the flexibility of this method strongly depends on the underlying vector field, and how those vector fields can be generated in order to solve problems that go beyond traditional particle tracing in fluid flow fields.Item Open Access PDE-based vs. variational methods for perspective shape from shading(2017) Ju, Yong Chul; Bruhn, Andrés (Prof. Dr.)Item Open Access Standardisierte Auszeichnungssprachen der Computergraphik für interaktive Systeme(2005) Rotard, Martin; Ertl, Thomas (Prof. Dr.)Computergraphik wird in vielen Bereichen der anwendungsorientierten Informatik, von der optischen Gestaltung graphischer Benutzungsoberflächen bis zur Visualisierung wissenschaftlicher Zusammenhänge eingesetzt. Auszeichnungssprachen zur Beschreibung graphischer Information erweitern diese Einsatzmöglichkeiten um die Animation und die Interaktion mit den Inhalten. In dieser Arbeit werden neue Verfahren und Strategien entwickelt, die den Einsatz von standardisierten Auszeichnungssprachen der Computergraphik in den Bereichen Benutzungsoberflächen und Lehrmaterialien ermöglichen. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Zugänglichkeit von graphischen Inhalten für blinde Menschen, insbesondere durch interaktive Exploration von taktilen Darstellungen. Diese Arbeit stellt Methoden für die Beschreibung von skalierbaren Interaktionselementen mit Auszeichnungssprachen vor, die an verschiedenste Anzeigegeräte angepasst werden können. Darauf aufbauend entstanden neue Konzepte für zoombare Benutzungsoberflächen zur variablen Größendarstellung von Interaktionselementen und deren Inhalten. Erstmals werden auch Methoden vorgestellt, um die Darstellung von Benutzungsoberflächen, die mit Auszeichnungssprachen beschrieben werden, auf andere Rechner zu übertragen. Der Einsatz von Graphiken, die auf Auszeichnungssprachen basieren, bietet bei deren Erstellung, Handhabung und Anwendung erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlicher Rastergraphik. Diese Arbeit stellt neue Verfahren vor, um die Formatierungen von Graphiken in Lehrmodulen anzupassen. Entwickelt werden unter anderem Konzepte für die Generierung von Lehrmodulen, die eine flexible Wiederverwendung in verschiedenen Lernszenarien ermöglichen. Für blinde Menschen bilden textuelle Inhalte die Hauptinformationsquelle bei ihrer Arbeit mit Computersystemen. Die ganzheitliche Darstellung von textuellen und graphischen Inhalten ist für viele Anwendungen jedoch unabdingbar. Mit Graphik, die auf Auszeichnungssprachen basiert, können erstmals Verfahren für die taktile Repräsentation präsentiert werden, die eine ganzheitliche Erschließung der graphischen Inhalte ermöglichen. Dazu werden Methoden vorgestellt, die blinden Menschen den Zugang zu mathematischen Ausdrücken, zu 2D- und zu 3D-Graphiken gestatten. Dies wird an einem taktilen Web-Browser demonstriert, der den Zugang zu diesen unterschiedlichen Graphikarten integriert.