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Forschungsbericht 2010/2011
CAMPUS KAISERSLAUTERN ∙ PIRMASENS ∙ ZWEIBRÜCKEN
www.fh-kl.de
Impressum Impressum Herausgeber Prof. Dr. Konrad Wolf Präsident der Fachhochschule Kaiserslautern Morlauterer Straße 31 67657 Kaiserslautern Tel. 0631 3724-2100 Fax 0631 3724-2129 Redaktion Kontaktstelle für Innovation, Technologie- und Wissenstransfer ITW Morlauterer Straße 31 67657 Kaiserslautern Tel. 0631 3724-2159 Fax 0631 3724-2174 Beiträge sind namentlich gekennzeichnet Titelbild: Bildquelle Projekt OpenBRDF Projektleitung Anzeigen Dirk Buhle Tel.: 05353 9109-490 Fax: 05353 9109-491 Produktion mediaprint infoverlag gmbh
Vorwort
Vorwort
Die Ausgabe 2010/11 setzt die Reihe dem unsere eingereichte Ideenskizze
der Forschungsberichte unserer Hoch- positiv begutachtet wurde, führt uns
schule fort, die in Kooperation mit der einen Schritt weiter in Richtung zu ei-
mediaprint infoverlag gmbh erscheinen. ner gründungsprofilierten Hochschule.
Eine Reihe positiver Entwicklungen Einige Fachbereiche erleben zurzeit
haben das vergangene Jahr begleitet. einen Generationenwechsel. Mehre-
Die Planzahlen für den Hochschulpakt re neue Kollegen konnten im neuen
I bezüglich zusätzlicher Ersteinschrei- Jahr für unsere Hochschule gewonnen
bungen konnten deutlich übererfüllt werden. Um ihren Start in die For-
werden, für den Hochschulpakt II schung zu erleichtern, hat die FH ihr
hat sich die Fachhochschule Kaisers- internes Budget zur Förderung von Mir ist bewusst, dass in allen F&E
lautern anspruchsvolle Ziele gesetzt. Forschung und Innovation aufgestockt Projekten sehr viel persönliches
Im Rahmen der Fachhochschulinitiati- und gibt damit einen Anschub für Engagement der Professorinnen und
ve des Landes wurde ein Forschungs- Drittmittelprojekte. Professoren sowie der Mitarbeiter-
konzept entwickelt, das die drei An- innen und Mitarbeiter steckt. Mein
gewandten Forschungsschwerpunkte Die Qualität von Forschung und Lehre Dank gilt allen, insbesondere den
unserer Hochschule stärken soll und wird nicht zuletzt von der fachlichen Autor innen und Autoren der Beiträge
damit die Profilbildung in Forschung Weiterqualifizierung der Professo- in diesem Bericht.
und Entwicklung unterstützt. rinnen und Professoren bestimmt. In
Form von Forschungsfreisemestern Ich lade Sie zu einer Entdeckungsreise
Unser kooperatives Studienmodell, das haben die Fachbereiche dafür Raum quer durch die Forschungsgebiete
sich in den Studiengängen des Fach- geschaffen. Ein ganzes Kapitel dieser unserer Hochschule ein.
bereichs Angewandte Ingenieurwis- Ausgabe ist Berichten aus den For-
senschaften seit Jahren bewährt hatte, schungsfreisemestern gewidmet.
konnte in diesem Jahr auf sämtliche Prof. Dr. Konrad Wolf
Studiengänge ausgeweitet werden. Sie finden in dieser Ausgabe spannende Präsident
Mit KOSMO reagieren wir auf die ge- Beiträge aus unterschiedlichsten For-
stiegene Nachfrage von Seiten der schungsgebieten der Hochschule. Info-
Studienanfänger aber auch von Seiten rmieren Sie sich z.B. über neue Ansätze
der Unternehmen, denn das koopera- für die Patienten schonende Reposition
tive Studienmodell ist eine Antwort auf von Knochenfrakturen, über eine ver-
den Fachkräftemangel in unserer Region. gleichende Studie zur Gründungsnei-
gung von Studierenden verschiedener
Sehr erfolgreich entwickelt sich das ge- internationaler Hochschulen oder über
meinsame Gründungsbüro von TU und innovative Entwicklungen zum Schutz
FH Kaiserslautern. Die Beteiligung im von Fahrzeuginsassen bei Auffahr-
Wettbewerb EXIST IV des BMWi, bei unfällen.
1
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011
Inhalt
Inhalt Forschungsbericht 10/11
Vorwort Präsident 1
1. Aktuelles aus der Hochschule 4
II. Projektbeispiele aus Forschung & Entwicklung 16
Angewandte Ingenieurwissenschaften
Computer- und roboterassistierte Reposition von Knochenfrakturen
Dipl.-Ing. (FH) Jan Buschbaum, Dr. med. Alexander Kristen, PD Dr. med. Ulf Culemann,
Prof. Dr.-Ing. Rainer Fremd, Prof. Dr. med. Tim Pohlemann 8
Betriebswirtschaft
Internationales Forschungsprojekt „Gründungen und Entrepreneurship bei Studierenden“ (GESt-Studie)
Prof. Dr. Walter Ruda, Prof. Dr. Thomas A. Martin, M.A. Dipl.-Betriebswirt (FH) Benjamin Danko 12
Computergrafik
OpenBRDF – Ein offenes System für die virtuelle Medienproduktion
Prof. Dr. Manfred Brill, M.Sc. Stefan Häfner, M. Sc. Markus Laininger 16
vglGraphicsEngine – Objektorientierte Grafikprogrammierung mit OpenGL in Lehre und Forschung
Prof. Dr. Manfred Brill 22
Kunststofftechnik
Untersuchung der Struktur-/Eigenschaftsbeziehungen Nanopartikel verstärkter Hochleistungsthermoplaste
Prof. Dr. Jens Schuster 26
ESA ITI-Projekt – Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von CFK-Bauteilen
Prof. Dr.-Ing. Jens Schuster, Dipl.Ing. (FH) Jens Kiefaber 28
Medieninformatik
Software- und Interaktionsmodelle für die sozio- und enthnologische Forschung
Prof. Dr. Manfred Brill, Prof. Dr. Jörg Hettel 30
ixMENTOR – preisgekrönter Ansatz zur Studienberatung auf Basis von
Hochschulportal und Multitouch-Oberflächen
Prof. Dr. Bernhard Schiefer, Prof. Dr. Dieter Wallach 32
Mikrosystemtechnik
Schrecksignal zur Minderung des Risikos von Schleudertraumata beim rückwärtigen Auffahrunfall
Prof. Dr.-Ing. Lutz-Achim Gäng, Sabrina Karch B.Sc. 36
2
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011
Inhalt
III. Forschungsfreisemester 40
Geschäftsprozesse und Services für Smart Energy,
Prof. Dr. Christian Aichele 40
Mehrjährige Steuer- und Investitionsoptimierung mit Hilfe eines Excel-Tools,
Prof. Dr. Rainer Hofmann 44
Auswahl, inhaltliche Gestaltung und Beurteilung einer betriebswirtschaftlichen Wissensdatenbank,
Prof. Dr. Michael Jacob 47
Mechatronisches Projekt „Viergliedriges Koppelgetriebe mit
lagegeregeltem Drehstrom-Synchron-Servoantrieb“,
Prof. Dr. Matthias R. Leiner 49
„Frage: Wie sehen die Webseiten der Zukunft, im Jahr 2015 aus?“ „Antwort: Was für Webseiten?“
Prof. Adrian Müller 51
Modellierung von Abhängigkeitsstrukturen durch den Ansatz von Copulas,
Prof. Dr. Klaus J. Schröter 53
Biobasierte Verbundwerkstoffe,
Prof. Dr. Jens Schuster 55
IV.Veröffentlichungen 56
Fachbuch „Mathematische Modelle im Bauingenieurwesen“,
Prof. Dr. Kerstin Rjasanowa 56
Lehrbuch zum Standard für die Prozessmodellierung,
Prof. Dr. Thomas Allweyer 58
Fachbuch „Sport-Sponsoring“,
Prof. Dr. Walter Ruda und Frauke Klug 59
Konferenzbeiträge „GESt-Studie“,
Prof. Dr. Walter Ruda, Prof. Dr. Thomas A. Martin, M.A. Dipl.-Betriebswirt (FH) Benjamin Danko 62
Konferenzbeitrag „OpenBRDF“,
Sebastian Alberternst, Manfred Brill, Markus Laininger 65
Beteiligung an der CeBIT 2010 68
V. Anhang 69
Ansprechpartner 69
3
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011
Aktuelles aus der Hochschule
Einführung
Die Fachhochschule Kaiserslautern ist eine Hochschule für angewandte Wissenschaften mit einem Studienangebot von rund
40 Bachelor- und Masterstudiengängen aus ingenieurwissenschaftlichen, informationstechnischen, betriebswirtschaftlichen
und gestalterischen Bereichen. Mit mehr als 5.500 Studierenden und ca. 140 Professorinnen und Professoren gehört sie
zu den größeren Fachhochschulen im Land. Dennoch hat sie sich zum Ziel gesetzt in den nächsten Jahren zahlreiche neue
Studienplätze zu schaffen. Damit verbunden sollen vermehrt berufsbegleitende Studienangebote geschaffen werden und
das kooperative Studienmodell KOSMO intensiver beworben werden. KOSMO ermöglicht eine frühzeitige Integration der
Studierenden in die begleitenden Partnerunternehmen, schafft daher einen großen Praxisbezug und beugt der Abwanderung
der Absolventinnen und Absolventen aus der Region vor.
Fachhochschulinitiative stärken und weiter ausbauen. 2005 reits gestellt. IMS ist der drittmittelstär-
wurden diese Schwerpunkte auf dem kste Schwerpunkt der Hochschule. Er
Das rheinland-pfälzische Wissen- Weg zu einer Forschungsprofilierung profitiert vom positiven Forschungskli-
schaftsministerium MBWJK hat seine vom Senat der Hochschule eingerichtet. ma in der Mikrosystemtechnik und von
Forschungsförderung für die anwen- Mit den Landesmitteln wird erstmal eine der guten Ausstattung der beteiligten
dungsnah orientierten Fachhochschulen strukturelle Unterstützung der Schwer- Labore (Reinraum mit angeschlossener
von einer Einzelprojektförderung auf punkte in Form einer Assistentenstel- Analytik, Biotechnologielabore, Werk-
die Förderung von Entwicklungs- und le möglich, die thematische Weiter- stoffkundelabor).
Forschungskonzepten umgestellt, ähnlich entwicklung soll durch eine zusätzliche
wie schon einige Jahre zuvor bei den Projektförderung erreicht werden. Die Gegenstand des Forschungsschwer-
Universitäten. Bis Ende 2013 stehen den drei Forschungsschwerpunkte werden punktes „Zuverlässige Software-
sieben Fachhochschulen im Land zusätz- im Folgenden kurz vorgestellt. intensive Systeme“ ZUSIS ist die an-
lich zur Grundfinanzierung insgesamt 5,4 wendungsorientierte Erforschung der
Millionen Euro zur Schärfung ihres Profils Entwicklung von technischen und or-
in den Bereichen der anwendungsnahen Forschungsschwerpunkte ganisatorischen Systemen, bei denen
Forschung, des Wissens- und Technolo- Software eine wichtige und lebenser-
gietransfers, der Kooperation und der Die Themenstellung des Forschungs- haltende Rolle spielt und in denen eine
Verzahnung von Absolventenqualifi- schwerpunkts „Integrierte miniaturi- potenzielle Fehlfunktion der Software
zierung und Forschung zur Verfügung. sierte Systeme“ IMS nimmt Bezug auf nicht mehr durch geeignete fallback-
Entsprechend der erarbeiteten For- die in der modernen technologischen Hardwarekomponenten aufgefangen
schungskonzepte werden diese Gelder Entwicklung zu beobachtende Fokus- werden kann. Beispiele dafür sind
an den Hochschulen eigenverantwort- sierung auf immer kleinere Längen- mechatronische Systeme, medizintech-
lich verschiedenen Maßnahmen zuge- skalen. Die bisherigen Projekte befassen nische Produkte, Logistiksysteme und
führt und regelmäßig die Zielerreichung sich mit typischen Schnittstellenthemen computergestützte Geschäftsprozesse.
überprüft. So erhalten die Hochschulen wie den Werkstoffwissenschaften, den Hierbei liegt der Fokus insbesondere auf
mehr Autonomie bei der Entwicklung Mikro- und Nanotechnologien, der der Erzielung definierter Produktquali-
ihres individuellen Forschungsprofils und Mikrosystemtechnik und den Ange- täten durch die integrierte Entwicklung
gehen gestärkt in den Wettbewerb um wandten Lebenswissenschaften. Insbe- von technischen bzw. organisatorischen
Studierende, Lehrende, Forschende und sondere Themen der Nanotechnologie Komponenten und der Software.
Forschungsmittel. und die Verknüpfung mit den Lebens-
wissenschaften werden zukünftig im Der Forschungsschwerpunkt „Nachhal-
4 Die Fachhochschule Kaiserslautern Forschungsschwerpunkt die aktuellen tige Produkte und Dienstleistungen“
wird mit den zusätzlichen Mitteln ihre Themenbereiche erweitern. Erste Pro- NaPuD beschäftigt sich mit Themen
Angewandten Forschungsschwerpunkte jektanträge in diesem Bereich sind be- der Nachhaltigkeit und ökologischen
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011
Aktuelles aus der Hochschule
Einnahmen Drittmittel gesamt [1000 €]
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
500
0
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Abb. 1:
Entwicklung der Drittmitteleinnahmen
Jahr
seit 2004
Prinzipien. Im Bereich Nachhaltiges zahl größerer Projekte mit deutlichem ■ „Entwicklung neuer Zelllinien, deren
Bauen und Gestalten wurden Konzepte Personaleinsatz. Ca. 40 Projektstellen Anpassung an ein dreidimensionales
entwickelt und realisiert, die es im Woh- (Vollzeitäquivalent) sind zurzeit aus Dritt- Kultivierungssystem und die in-vivo
nungsbau unter Wahrung der ökono- mitteln finanziert. Ganz erfreulich hat Detektion von Proteininteraktionen“
mischen Aspekte ermöglichen Energie- sich die Teilnahme am Fachhochschul- Projektleitung Prof. Dr. Oliver Müller
Gewinn-Gebäude zu bauen. Es geht programm (FHprofUnt) des BMBF ent- ■ „Multifunktionales Pharmascreening
darum, den Energieverbrauch öffent- wickelt. Nachdem bereits in 2009 drei mit Cell-Chip Hybridsystemen“
licher Gebäude deutlich zu reduzieren, neue Projekte bewilligt wurden, sind auch Projektleitung Prof. Dr. Sven Ingebrandt
andererseits die anfallenden Energie- in der Förderrunde 2010 wieder drei
kosten für die Heizung zu erwirtschaften. Vorhaben in die Förderung gekommen. Auch im BMWi geförderten ZIM Pro-
Eine Verbindung mit den Kompetenzen, gramm ist eine zunehmende Antrag-
die im Fachbereich Angewandte Ingeni- ■ „Automatische Erfassung von Objekten stellung zu verzeichnen. Nach drei Be-
eurwissenschaften in Verbindung mit der aus Bildfolgen des Straßenraumes“ willigungen in 2009 gingen in 2010 zwei
Konzeption des Studiengangs „Energieef- Projektleitung Prof. Dr. Martin Böhm neue Vorhaben an den Start.
fiziente Systeme“ aufgebaut werden, er- ■ „Entwicklung eines Zell-Chip Hybrid-
scheint hier besonders viel versprechend Testsystems zur Wirksamkeitsanalyse ■ „Nano-Prägestempel“
(Stichworte z.B. Smart Grids, Gebäude- von Krebsmedikamenten“ Projektleitung Prof. Dr. Monika
automation). Projektleitung Prof. Dr. Sven Ingebrandt Saumer
■ „Stimulierung intrinsischer Stamm- ■ „Elastische Sanierungsmassen für
zellen des zentralen und peripheren Fugen-, Inliner-, Schachtkopfanbin-
Drittmitteleinwerbung Nervensystems zur Behandlung neu- dungen in begehbaren Kanalisationen“
rodegenerativer Erkrankungen“ Projektleitung Prof. Dr. Peter-Michael
Über die letzten Jahre ist ein deutlicher Projektleitung Prof. Dr. Karl-Herbert Hajek
Anstieg der Forschungsaktivität zu ver- Schäfer
zeichnen. 2010 wurden ca. 70 Projekte Darüber hinaus gibt es derzeit noch eine
mit unterschiedlichsten Kooperations- Zusätzlich konnten im Programmteil Beteiligung an einem BMBF-Verbund-
partnern und Mittelgebern bearbeitet. Ingenieurnachwuchs des BMBF Fach- projekt (MST) im Fachprogramm Mi-
Viele dieser Projekte haben nur kurze hochschulprogramms zwei Forschungs- krosystemtechnik und ein neues DFG
5
Laufzeiten und ein geringes Projekt- vorhaben neuer Professoren platziert gefördertes Projekt im Bereich Applied
volumen, es gibt aber auch eine An- werden. Life Sciences. 2011 startet ein aus dem
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011
Aktuelles aus der Hochschule
Drittmitteleinnahmen u. Zuwendungen für
2.000
1.800 öffentl. Mittel
private Mittel
Landesmittel
Forschung [1.000 Euro]
1.600
1.400
1.200
1.000
800
600
400
200
Abb. 2: 0
Drittmitteleinnahmen aus dem öffentlichen und 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
aus dem privaten Bereich sowie Zuweisungen Jahr
des MBWJK für Forschungsprojekte
EU-Forschungsrahmenprogramm finanz- mit Unternehmen bestimmt. Beide grenzen hinaus unterstützen und einen
iertes Projekt zum Austausch von Wissen- Bereiche sind im Selbstverständnis der Austausch in Bezug auf ländertypische
schaftlern (Marie Curie) im Themen- Hochschule wichtig für die Entwicklung Strukturen und Prozesse ermöglichen
bereich der Mikrosystemtechnik. von Forschung und Technologietransfer. (www.tigre-gr.eu).
Die Vorbereitung der Projektanträge Die FH Kaiserslautern gehört dem
wird durch die ITW (Transferstelle für Technologietransfer Patentverbund Rheinland-Pfalz an, der
Innovation, Technologie- und Wissens- eine Förderung aus dem BMWi erhält, die
transfer) als zentrale Einrichtung der Die FH Kaiserslautern ist eingebunden in die Recherche- und Beratungsleistungen
Hochschule begleitet. Sie berät die das Wissens- und Transfernetz der sieben der Patentverwertungsagentur IMG und
Professorinnen und Professoren zu rheinland-pfälzischen Fachhochschulen. Teile der Anmeldekosten und Gebühren
passenden Förderprogrammen für Eine enge Zusammenarbeit der Transfer- abdeckt. Zwei deutsche Patente wurden
mögliche Vorhaben, verteilt aktuelle beauftragten an den verschiedenen FHs 2010 in eine europäische Anmeldung
Ausschreibungen, recherchiert nach erlaubt es, Abläufe im Technologietrans- bzw. in die PCT-Phase überführt, eine
geeigneten Programmen, organi- fer zu optimieren und der rheinland- dritte Erfindung konnte beim deutschen
siert Informationsveranstaltungen zur pfälzischen Wirtschaft die Kompetenzen Patentamt angemeldet werden.
Forschungsförderung und unterstützt aller FHs gemeinschaftlich zur Verfügung
die Antragstellung. zu stellen. In diesem Zusammenhang ist Für die Sensibilisierung, Motivierung
auch die Kompetenzdatenbank www. und Qualifizierung der Studierenden
Entsprechend der erfolgreichen Akquise twin-rlp.de entstanden. Twin-rlp wird und MitarbeiterInnen im Bereich des
neuer Projekte zeigt auch die Drittmit- finanziell unterstützt durch das MBWJK. unternehmerischen Denkens und Han-
telstatistik seit 2007 einen erfreulichen delns wurde 2009 gemeinsam mit der
Anstieg der Einnahmen an (s. Abb.1) Gefördert über das europäische Pro- TU Kaiserslautern ein Gründungsbü-
mit einer Zunahme von 50% im Jahr gramm Interreg IVa, soll das Projekt ro eingerichtet, das von EU und Land
2010 auf knapp über 3 Millionen Euro. tigre (Technologietransfer und Innova- Rheinland-Pfalz finanziert ist und aus
tion in der Großregion), das in Koope- dem Exist III Programm des BMWi zu-
Das Verhältnis von öffentlichen zu pri- ration mit Partnern aus dem Saarland, sätzliche Mittel erhält. In Begleitung durch
6 vaten Mitteln zeigt Abb. 2. Es wird durch aus Frankreich, Belgien und Luxemburg das Gründungsbüro sind bisher sechs
das Abschneiden in Förderprogram- durchgeführt wird, den Wissens- und Unternehmen im Dienstleistungsbereich
men und größere Vertragsabschlüsse Technologietransfer über die Länder- aus der Hochschule heraus entstanden.
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011
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Angewandte Ingenieurwissenschaften
Computer- und roboterassisti
Knochenfrakturen
Dipl.-Ing. (FH) Jan Buschbaum, Dr. med. Alexander Kristen, PD Dr. med. Ulf Culemann,
Prof. Dr.-Ing Rainer Fremd, Prof. Dr. med. Tim Pohlemann
Die operative Versorgung von Oberschenkelfrakturen stellt einen wesentlichen Anteil der täglichen unfallchirurgischen Praxis dar.
Für den Arzt ist die herkömmliche Operationsmethode technisch anspruchsvoll und mit verschiedenen Problemen verbunden.
Der zentrale Schritt in der operativen Frakturbehandlung ist das Auffinden eines optimalen Weges zum Zusammenführen der
Fragmente. Die Entwicklung einer speziellen virtuellen Planungssoftware soll vor dem operativen Eingriff das Erstellen eines
solchen Repositionspfades ermöglichen.
Diese Information bildet die Grundlage der anschließenden Operation oder dient als Grundlage der roboterassistierten Chirurgie.
Die Behandlung einer solchen Fraktur wird dadurch einfacher und die Operationsqualität gesteigert.
■ Intraoperativ nicht erkannte Rotati-
onsdifferenzen zwischen den beiden
Fragmenten führen zu postopera-
tiven Fehlstellungen (siehe Abbildung
2). Eine Differenz von ≥ 15° kann
langfristig zu Arthrose im Hüftgelenk
führen [4].
Abb. 1: Röntgenbilder vor und nach der Marknagelosteosynthese [2] Diese Probleme veranlassten zur Idee
eine spezielle Planungssoftware zu ent-
wicklen, die es dem Arzt ermöglicht, zu
Einleitung und Problemstellung Operationsmethode durch die sub- Beginn der operativen Frakturversor-
Die operative Versorgung von Femur- optimale visuelle Darstellung mittels gung einen optimalen Repositionspfad
frakturen stellt einen wesentlichen An- Röntgenbildern nur schwer möglich. festzulegen. Diese Information unter-
teil der täglichen unfallchirurgischen Der gesamte Operationsverlauf ist stützt anschließend den Chirurgen bei
Praxis dar. Laut Statistischem Bundes- für den Chirurgen technisch sehr an- der Operation oder ein Roboter führt
amt wurden im Jahr 2008 159.004 spruchsvoll und mit Problemen sowohl die eigentliche Reposition durch.
Patienten vollstationär behandelt [1]. Als für den Arzt als auch für den Patienten
Standardverfahren hat sich die Mark- behaftet [3], [4]. Abb. 2:
nagelosteosynthese etabliert, bei der ins Auswirkung einer inkorrekten Reposition [5]
Innere der Knochenröhre ein Marknagel Probleme der Operationsmethode:
inseriert und dieser anschließend mit ■ Unzureichende 2D-Bildgebung er-
den beiden Fragmenten verschraubt schwert das Auffinden des Repositi-
wird (siehe Abbildung 1). onspfades.
■ Durch die interoperative Röntgen-
Der zentrale Schritt in der operativen bildgebung treten hohe Strahlenbela-
Frakturbehandlung ist das Auffinden des stungen für Arzt und Patient auf.
optimalen Repositionspfades, also eines ■ Das Reponieren des Oberschenkel-
8 optimalen Weges zum Zusammen- knochens wird durch den starken
führen der Fragmente. Ein korrektes Weichteilmantel erschwert. Laut [4]
Reponieren ist mit der bisher üblichen entstehen Kräfte über 400 N.
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011Angewandte Ingenieurwissenschaften
erte Reposition von
Abb. 3: Repositionssoftware, frakturierter und reponierter Femur [6]
Virtuelle Repositionssoftware mithilfe einer 3D-Maus (Spacemouse) Position zu erreichen. Ein medizinisches
Als Grundlage der Repositionssoftware solange verschoben und verdreht, bis Navigationsgerät überwacht und erfasst
dienen virtuelle, dreidimensionale Dar- die gewünschte Zielpose erreicht ist. Die die Lage und Orientierung der realen
stellungen der Fraktur, die vor einer Ope- rechte Abbildung zeigt die korrekt re- Knochen. Das bewegliche Fragment
ration mit dem Computertomographen ponierte Fraktur. wird entlang des Repositionspfades
erstellt werden. Die Repositionssoftware verschoben, bis die korrekte Zielpose
visualisiert die beiden Knochenfragmente Die Punkte, die während der Repositi- erreicht ist. Währenddessen werden die
aus verschiedenen Blickwinkeln und er- onsplanung durchlaufen wurden, wer- virtuellen Knochenmodelle visualisiert
möglicht somit eine umfangreiche Ana- den in einer Tabelle als Repositionspfad und der gesamte Vorgang kann in Echt-
lyse der Fraktur. Die Abbildung 3 zeigt gespeichert. Damit ist der Ablauf der zeit an einem Bildschirm verfolgt wer-
die Bedienoberfläche der Software und Reposition Schritt für Schritt aufge- den. Unzulässige Abweichungen werden
die verschiedenen Ansichten der virtu- zeichnet und der Chirurg kann diese sofort erkannt und können verhindert
ellen Fraktur. Die linke Darstellung zeigt Information in der anschließenden werden.
als Ausgangslage einen frakturierten Operation nutzen. Mittels Bewegungs-
Oberschenkelknochen. Um die Kno- primitiven bekommt der Arzt vorge- Der weitere Ansatz besteht darin, den Re-
chenfragmente lückenlos zusammen- geben, welche Verschiebung oder Dre- positionspfad an einen Roboter zu über-
zufügen, wird das bewegliche Fragment hung notwendig ist, um die nächste geben, der die eigentliche Reponierung
Abb. 4: Reponierung durch den Roboter [6]
9
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011Angewandte Ingenieurwissenschaften
durchführt. Eine erste experimentelle tionspfaden. Eine Operation wird [3]A. Kristen, U. Culemann, R.Fremd, T.
Umsetzung wurde im Robotik-Labor der maßgeblich durch die Kräfte, bedingt Pohlemann; Publikation: Unfallchirurg
Fachhochschule Kaiserslautern erprobt durch die Oberschenkelmuskulatur be- 2008, Visualisierung von Repositions-
(siehe Abbildung 4). einflusst. Diese müssen entsprechend pfaden – Neuartige Betrachtungs-
in der Repositionssoftware mitberück- weise von Repositionsvorgängen;
Das fest stehende Fragment ist mit sichtigt werden. Durch mathematische Springer Medizin Verlag, 2008;
einem Stator fixiert und das beweg- Optimierung und die Simulation der [4]R. Westphal, M. Oszwald, S. Winkel-
liche Fragment ist am Roboter mon- intraoperativ auftretenden Kräfte wird bach, T. Hüfner, C. Krettek, F. Wahl;
tiert. Dem Roboter gelingt es sehr ein optimaler Repositionspfad erstellt. Publikation: Trauma Berufskrankheit
präzise die gewünschte Stellung zu Ziel ist es, eine Bahn vor der Operati- 2009, Roboterassistierte Frakturver-
erreichen, sodass das Knochenmodell on zu planen, mit der möglichst einfach, sorgung am Femur; Springer Medizin
sehr exakt reponiert wird. Es ist zu be- schnell, genau und ohne Verletzung von Verlag, 2009;
achten, dass in diesem Versuchsaufbau Weichteilen die Zielpose erreicht wird. [5]T. Hüfner, M. Oszwald, T. Stübig, U.
keine Kräfte durch Weichteile berück- Brunnemer, T. Gösling, C. Krettek, M.
sichtigt wurden. In der Realität beein- Durch das Wissen über den optima- Citak, Publikation: Trauma Berufs-
flussen diese ein Zusammenfügen der len Repositionspfad können die ein- krankheit 2009, Femurschaftfraktur –
Fragmente erheblich. gangs erläuterten Probleme der bis- Computergestützte Reposition und
herigen operativen Frakturversorgung Torsionskontrolle; Springer Medizin
Zusammenfassung und Ausblick minimiert und der Weg zur maximalen Verlag, 2009;
Der aktuelle Entwicklungsstand zeigt, Patientenschonung vorbereitet werden. [6]J. Buschbaum; Diplomarbeit: Compu-
dass mit dieser Software eine compu- ter- und robotergestützte Reposition
ter- und roboterassistierte Reposition Quellen- und Literaturverzeichnis von Knochenfrakturen; Fachhoch-
grundsätzlich möglich ist. Es handelt sich [1]Statistisches Bundesamt Deutsch- schule Kaiserslautern, 2010;
dabei um einen ersten experimentellen land; Webseite: Statistisches Bundes-
Ansatz, den es im weiteren Verlauf zu amt Deutschland – Krankenhauspa-
verbessern gilt. tienten, URL: http://www.destatis.de/
jetspeed/por tal/cms/Sites/destatis/
Das Gebiet der Robotik bietet enormes Internet/DE/Content/Statistiken/Ge-
Erweiterungspotenzial, jedoch ist die sundheit/Krankenhaeuser/Tabellen/
Entwicklung eines Robotersystems zum Content75/DiagnosenInsgesamt.
klinischen Einsatz aus sicherheitstech- psml; Abrufdatum: 22.09.2010;
nischen und hygienischen Aspekten [2]Technische Universität Braunschweig
schwer zu realisieren. – Institut für Robotik und Prozessin-
formatik; Webseite: Reposition von
Der Schwerpunkt der weiteren Ent- Femurschaftfrakturen, URL: http://
wicklung liegt daher auf der realitäts- www.rob.cs.tu-bs.de/research/pro-
nahen Erstellung von optimalen Reposi- jects/femur/; Abrufdatum: 15.09.2010;
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing Rainer Fremd, Fachbereich Angewandte Ingenieurwissenschaften
Dr. med. Alexander Kristen, Universitätsklinik Homburg
Kontakt: rainer.fremd@fh-kl.de
Mitarbeiter: Prof. Dr. med. Tim Pohlemann
P.D. Dr. med. Ulf Culemann
Dipl.-Ing. (FH) Jan Buschbaum
Projektpartner: Klinik für Unfall- Hand- und Wiederherstellungschirurgie Homburg
(Direktor: Professor Dr. med. Tim Pohlemann)
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Förderung: Budget für Forschung und Innovation (FH intern)Wirtschaftsförderung
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Entrepreneurship bei Studier
Prof. Dr. Walter Ruda, Prof. Dr. Thomas A. Martin, M.A. Dipl.-Betriebswirt (FH) Benjamin Danko
Unternehmensgründungen haben eine wichtige volkswirtschaftliche Funktion. Gerade innovative Business Start-ups üben
positive Effekte auf Strukturwandel, Technologietransfer, Wirtschaftswachstum und Beschäftigung aus. Die Hochschulen dienen
hierbei als „Keimzellen“ von aus Forschungserkenntnissen resultierenden Inventionen, die überdurchschnittlich oft von Akade-
mikern zukunftsträchtig vermarktet werden. Während die Entrepreneurship-Forschung vermehrt den Gründungserfolg fokus-
sierte, ist die hierfür kausale Gründungsneigung von Studierenden weitgehend unerforscht. Die GESt-Studie wird durch das
Zentrum für Mittelstands- und Gründungsökonomie ZMG in Kooperation mit Red Pymes Mercosur („Mittelstands-Netzwerk
Lateinamerika“) und verschiedenen internationalen Hochschulen durchgeführt.
Problembeschreibung und Ziele eine generelle Konzeption der Grün- onen sowie die Gründungsrealisierung
Einerseits werden durch Produkt-, dungsausbildung (Volery/Müller 2006), entscheidend sind. Zwar gibt der GEM
Prozess- und Dienstleistungs-Innovati- die nur dadurch ermöglicht wird, indem bereits einige Hinweise auf unterneh-
onen von insbesondere durch Akade- studentische Entrepreneurship-Merk- merische Merkmale, allerdings nicht
miker gegründete Jung-Unternehmen male und Wirkungszusammenhänge in- bzgl. der grundsätzlichen Bandbreite
neue Märkte geschaffen und die volks- nerhalb des weitgehend unerforschten von aufzuspürenden Einflussfaktoren
wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit Vorgründungsprozesses analysiert wer- und auch nicht hinsichtlich der Zielgrup-
gestärkt, andererseits umfassen diese den. Lediglich eine subjektorientierte pe der Studierenden. Bspw. ist aufgrund
Hochpotenzial-Unternehmen die ge- Analyse förderlicher und hinderlicher der kulturellen Verankerung von En-
ringste Gründungsquote. Deshalb ist das Prozeduren ermöglicht hierbei Er- trepreneurship die interkulturelle Un-
alleinige Ziel, die Gründungs-Quantität kenntnisse über eine zweckdienliche tersuchung dieses Themenkomplexes
zu erhöhen nicht ausreichend (Reine- Ausgestaltung von Gründungsunter- wichtig, um bestehende spezielle kultu-
mann 2007). Die Gründungsförderung stützungsmaßnahmen zur Steigerung relle Rahmenbedingungen bei der Ana-
sollte sich demzufolge nachfrageorien- der studentischen Gründungsneigung lyse berücksichtigen zu können (Ste-
tiert auf Studierende und Akademiker und schließlich Gründungsaktivität von war t/Carland/Carland/Watson/Sweo
konzentrieren, da erwartet wird, dass Studierenden und Akademikern (Ruda/ 2003). Im Rahmen des Projektes soll
zukünftige Innovationen vor allem durch Martin/Ascúa/Danko 2009b). Interna- nun geprüft werden, welche Gegeben-
diese Zielgruppe umgesetzt werden. Ein tionale Vergleiche ermöglichen ferner heiten im Bereich der studentischen
höheres Bildungsniveau erhöht nicht die Erforschung weiterer unterneh- Zielgruppe existieren. Es besteht auch
nur die Gründungswahrscheinlichkeit, merischer Determinanten. Deutsch- wegen der ökonomischen Entwick-
sondern gerade Akademiker erschaffen land weist nach dem Global Entrepre- lungen der letzten Zeit Klärungsbedarf,
schnell oder stärker wachsende Unter- neurship Monitor (GEM) eine relativ wie sich die Wirtschafts- und Finanz-
nehmen (Friedrich-Ebert-Stiftung 1998; geringe Gründungsquote (TEA) von krise auf die Gründungsintention von
Uebelacker 2005). So wird studen- etwa vier Prozent auf. In der Grup- Studierenden und Akademikern aus-
tischen Unternehmensgründungen als pe der 20 analysierten innovations- gewirkt hat. Die gesellschaftliche Rele-
Quelle von wirtschaftlichem Wachstum, getriebenen Volkswirtschaften nimmt vanz des Forschungsthemas hat sich seit
Beschäftigung, Innovation und Struktur- Deutschland lediglich den 15. Platz ein 2008 erhöht, weil während Rezessionen
wandel (Martin/Ruda 2001) innerhalb (Bosma/Levie 2010). Aufgrund der ho- vermehrt notgetriebene Gründungen
der wirtschaftspolitischen Diskussion hen Schwankungsbreite der TEA inner- erwartet werden (Weber 2009). Dies
12 vermehrte Aufmerksamkeit entgegen- halb der Industrieländer muss es auch konnte mithilfe der empirischen Daten
gebracht (Ofstad 2008). Allerdings be- weitere Kausalitäten geben, die für die bereits bestätigt werden (Ruda/Martin/
steht bis heute noch keine Einigkeit über Herausbildung von Gründungsintenti- Ascúa/Danko 2010a).
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011Betriebswirtschaft
ojekt „Gründungen und
enden“ (GESt-Studie)
Während die GESt-Studie zwischen
Mai 2009 und Mai 2010 durch den in-
ternen Forschungsfonds der Fachhoch-
schule Kaiserslautern teilweise gefördert Gründer
wurde, erscheint die beabsichtigte Gründungs-
weitere internationale Ausweitung des neigung
Forschungsprojektes (z.B. Argentinien, Gründungs-
vorbereiter
Brasilien, Chile, China, Großbritannien,
Indien, Kolumbien, Mexiko, Polen, Russ-
Gründungs-
land, Spanien) nur durchführbar, wenn
interessierter
erneut Fördergelder zur Verfügung
stünden. möglicher Rückschritt
Gründungs-
sensibilisierter
Forschungsdesign
Das Forschungsdesign basiert auf dem Gründungs-
theoretischen Bezugsrahmen über die laie
studentische Gründungsneigung, der
Zeit aufgewendet für Entrepreneurship-Themen
die grundlegenden Einflussfaktoren
der Gründungsintention von Studie-
renden darstellt (Ruda/Martin/Danko
2008). Mittlerweile konnten anhand
einer großflächigen Umfrage, die mithil- Abb. 1: Gründungsambitionstypen
fe eines standardisierten Fragebogens
seit Anfang 2007 innerhalb Lehrveran-
staltungen durchgeführt wird und so- haben. Insbesondere Studierende der prozessual umgesetzt werden. Um zu
mit die bei Online-Befragungen exis- Betriebswirtschaftslehre, der Ingenieur- potenziellen Unternehmern heranreifen
tierenden Verzerrungen vermeidet, fast wissenschaften sowie der Informatik zu können, benötigen Studierende
3.500 Studierende (exklusive der bis- liegen im Fokus, weil Studierende dieser einen integrierten unternehmerischen
lang unberücksichtigten Befragungsrun- Fachrichtungen die höchste Gründungs- Lernprozess (Koch 2006). In gleicher
den im Sommersemester 2010 und im intention und Gründungsaktivität ver- Weise vollzieht sich die Herausbildung
Wintersemester 2010/11) an vier deut- körpern (Ruda/Martin/Danko 2009b). einer konkreten Gründungsneigung
schen Hochschulen (Fachhochschule Ferner umfassen die Stichproben so- prozessual, wie das Gründungsambi-
Kaiserslautern, Fachhochschule Gießen- wohl Studierende grundständiger als tionstypen-Modell (Ruda/Martin/Ascúa/
Friedberg, Fachhochschule Ludwigs- auch weiterführender Studiengänge, so Danko 2008) verdeutlicht (vgl. Abb. 1).
hafen, Internationales Hochschulinstitut dass auch Studierende mit Berufs- und Die Typologie der Gründer unterschei-
Zittau) befragt werden. An dieser Stelle Führungserfahrung befragt wurden. det wie folgt: Der Gründungslaie hat
sei ausdrücklich den Professoren bzw. sich bisher noch gar nicht mit Gründung
den Dozenten sämtlicher Standorte der Gründungsambitionstypen beschäftigt; der Gründungssensibilisierte
Fachhochschule Kaiserslautern gedankt, So wie auch die Unternehmens- hat Gründung noch nicht erwogen; der
13
die die Befragungsdurchführungen gründung einem Prozessablauf folgt, Gründungsinteressierte hat Gründung
innerhalb ihrer Vorlesungen ermöglicht sollte auch die Gründungsförderung bereits erachtet, aber noch nicht vor-
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011Betriebswirtschaft
Auseinandersetzung mit der Grün-
dungsthematik möglichst gering wahr-
genommen werden. Dies dürfte sich
letztlich positiv auf chancengetriebene
Unternehmensgründungen mit ihren
positiven Effekten auf volkswirtschaft-
lichen Wohlstand (Acs/Varga 2005;
Ruda/Martin//Ascúa/Danko 2010b) und
somit die zu fokussierende Erhöhung
der Gründungsqualität auswirken.
Ausgewählte Literatur
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preneurship, agglomeration and
technological change, in: Small
Business Economics, Vol. 24, Nr. 3,
2005, S. 323-334.
Bosma, N. / Levie, J. (2010): Global En-
trepreneurship Monitor – 2009
Executive Report, Babson Park, MA
2010.
Abb. 2: Gründungsambitionen von Studierenden in Deutschland
Friedrich-Ebert-Stiftung (Hrsg.) (1998):
Existenzgründungen nach dem
Hochschulabschluß, Wirtschaftspo-
bereitet; der Gründungsvorbereiter ist haben, ihr somit unvoreingenommen litische Diskurse, Nr. 120, Mecken-
schon konkret in der beabsichtigten gegenüberstehen und folglich auch als heim 1998.
Gründung engagiert; der Gründer hat potenzielle Unternehmer unter den Koch, L.T. (2002):Theory and Practice of
bereits gegründet (Ruda/Martin/Ascúa/ Studierenden zu verstehen sind – spie- Entrepreneurship Education: A Ger-
Danko 2009a). Das prozessorientierte gelt sich die Notwendigkeit wider, die man View, in Braukmann, U. / Koch,
Gründungsambitionstypen-Modell er- hochschulische Gründungsausbildung L. T. / Matthes, W. (Hrsg.), Gründer-
läutert die sich im Zeitverlauf potenziell sowie die Gründungsförderung prozes- seminar (9), Wuppertal 2002, 1-28.
herausbildende Gründungsintention, sual und zielgruppenorientiert auszuge- Martin, Th. A. / Ruda, W. (2001): Ver-
womit es der postulierten Zielgruppen- stalten, so dass Studierenden zumindest netzung von akademischer Unter-
differenzierung Rechnung trägt (Ruda/ unternehmerische Basiskompetenzen nehmerausbildung und Gründer-
Martin/Danko 2009). Wie wichtig es vermittelt werden. Dann würden sie zentren – Kooperation zwischen
ist, im Rahmen der Gründungsförde- seltener – trotz bestehender Geschäfts- dem Studiengang Mittelstandsöko-
rung nicht nur Studierende und Aka- ideen – lediglich aufgrund fehlender nomie und den Gründerzentren Er-
demiker mit hoch ausgeprägter Grün- Kenntnisse von einer eigenen Grün- goZ und Multimedia-Internet-Park
dungsintention zu fokussieren, wird an dung absehen bzw. davor „zurückschre- Zweibrücken, in: Klandt, H./Nathu-
der überdurchschnittlichen Anzahl von cken“. Ziel ist es also nicht, im Sinne ei- sius, K./Mugler, J./Heil, A. H. (Hrsg.):
Gründungslaien deutlich (vgl. Abb. 2). So ner Erhöhung der Gründungsquantität, Gründungsforschungs-Forum 2000,
sind 52% der befragten Studierenden lediglich möglichst viele Studierende zu Dokumentation des 4. G-Forums
als Gründungslaien zu charakterisieren, diesem verantwortungsvollen Schritt Wien, 5./6. Oktober 2000, Lohmar /
gefolgt von 28% Gründungsinteres- zu bewegen, sondern ihnen vor allem Köln 2000, S. 137-150.
sierten und 11% Gründungssensibili- die Option einer eigenen beruflichen Ofstad, D. (2008): Competency Tes-
sierten. Jedoch sind je fast fünf Prozent Selbständigkeit nahe zu legen, damit sie ting Methods for Education and
Gründungsvorbereiter bzw. Gründer. bereits während des Studiums animiert Training of Entrepreneurs outside
werden, nach potenziellen Geschäfts- Formal Education, in: Diesberg, C. /
Schlussfolgerungen ideen (aktiv oder mindestens passiv) zu Fessas, Y. (Hrsg.), Developing Practi-
14 Insbesondere aus der hohen Anzahl suchen und die Hürden, mögliche In- ces and Infrastructures for Entrepre-
von Gründungslaien – die sich bislang novationen schließlich zu verwirklichen, neurship Education and Training in
noch nicht mit Gründung beschäftigt besonders aufgrund bereits erfolgter Europe, Rostocker Arbeitspapiere
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011Betriebswirtschaft
zu Wirtschaftsentwicklung und Ruda, W. / Martin, Th. A. / Ascúa, R. / Stewart, W. H. / Carland, J. C. / Carland,
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ries, 2010 International Council for
15
Small Business World Conference
Proceedings, Cincinnati, Ohio 2010.
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011Computergrafik
OpenBRDF – Ein offenes Syst
Medienproduktion
Prof. Dr. Manfred Brill, M. Sc. Stefan Häfner, M. Sc. Markus Laininger
In der Bildsynthese werden inzwischen immer häufiger Messdaten für die Beschreibung der Reflexionseigenschaften einer Oberfläche
verwendet. Im Projekt OpenBRDF wird ein offenes System für die Verwendung solcher Datensätze entwickelt und in der Praxis validiert.
Reflektanzfunktionen Wie ein Betrachter einen Gegenstand trachtungsrichtung ist, desto spiegelnder
in der Computergrafik wahrnimmt, hängt im Allgemeinen von wird das Glas. Schauen wir exakt in Rich-
Neben der Haptik einer Oberfläche hat mehreren Winkeln ab. In Abbildung 2 ist tung der Oberflächennormalen, ist das
das Reflexionsverhalten von Material- der sogenannte Fresnel-Effekt auf einer Glas durchsichtig. Eine BRDF ist natürlich
oberflächen einen großen Einfluss auf Windschutzscheibe gut zu erkennen. Je von der Frequenz des Lichts abhängig,
die menschliche Wahrnehmung. Häufig größer der Winkel zwischen Normalen- welches auf einen Punkt der Oberfläche
wird durch den optischen Eindruck eines vektor der Windschutzscheibe und Be- auftrifft.
Gegenstandes schon eine Aussage über
die Anmutung und auch seine Wertig-
keit gemacht. Existiert der Gegenstand
nur als digitales Modell, beispielsweise als
CAD-Modell eines Automobils, dann ist
es wichtig die optischen Eigenschaften
eines Metallic-Lacks möglichst gut be-
schreiben zu können. Gelingt dies, kön-
nen mit modernen Verfahren aus der
Computergrafik fotorealistische Darstel-
lungen berechnet werden.
Abb. 1:
Beispiele für Materialien
In der Realität unterscheiden sich
Materialien auf optischer Ebene durch
ihre Farbigkeit und durch ihr Reflexions-
verhalten. Dieses Verhalten reicht von
vollkommen diffuser Reflexion bis hin
zu vollkommen spekularer Reflexion.
Zwischen diesen Extrempunkten ord-
nen sich alle denkbaren Materialien ein.
Abbildung 1 zeigt diese Spannbreite und
einige exemplarische Beispiele für Ober-
flächen. Das Reflexionsverhalten von
Oberflächen kann durch bi-direktionale
Reflektanzverteilungsfunktionen, engl. bi-
directional reflectance distribution func-
tions, beschrieben werden. Eine BRDF
16 ist das Verhältnis zwischen auftreffender
Abb. 2:
Der Fresnel-Effekt als Beispiel für die Winkelabhängigkeit des Reflexionsverhaltens
Strahlungsdichte und ausgehender Strah- von Oberflächen (Bildquelle: Stefan Häfner)
lungsenergie.
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011Computergrafik
em für die virtuelle
OpenBRDF in AnySL
Forschungsfreisemester Prof. Dr. Manfred Brill
Die visuellen Eigenschaften von Objekten in einer Computergrafik-Szene Shader werden in der Regel auf der Graphical Processing Unit (GPU) aus-
werden in der Regel mit sogenannten Shadern beschrieben. Der Begriff geführt. Um in AnySL trotzdem vermessene Materialien aus dem Open-
„Shader“ stammt aus dem ersten System, das diese Technologie um- BRDF-Projekt verfügbar zu machen, müssen die Messdaten, die in binäre
setzte, Pixar`s RenderMan. Dieser Renderer wird bei der Produktion aller Dateien vorliegen, so umgeformt werden, dass ein Shader darauf zugreifen
Pixar-Filme, von „Toy-Story“ und „A Bug`s Life“ bis zu „Wall-E“ und „Up“ kann. Die im Forschungsfreisemester implementierte Lösung besteht aus
verwendet. Es gibt inzwischen eine ganze Reihe von Shadersprachen, neben einer Anwendung, die einem beliebigen OpenBRDF-Datensatz in einem
der RenderMan Shadding Language werden insbesondere die Realtime- Prä-Prozess in eine High-Dynamic-Range Textur im OpenEXR-Format ([3])
Shadersprachen HLSL (Microsoft Direct3D) und GLSL (OpenGL) eingesetzt. umwandelt. HDR-Texturen sind in der Lage Gleitkommazahlen mit 16 oder
sogar 32 Bit-Genauigkeit abzuspeichern. Für den Zugriff auf diese Texturen
Das Forschungsfreisemester hat der Autor im Lehrstuhl für Computergrafik wurden Shader in der RenderMan Shading Language implementiert, die für
der Universität des Saarlandes und im Forschungsbereich „Agenten und Si- gegebene Lichtquellen und Kamerapositionen die Samples aus der HDR-
mulierte Realität“ des DFKI in Saarbrücken verbracht; beide Gruppen werden Textur auslesen und an den Renderer weitergeben. Mit Hilfe des AnySL-
von Prof. Dr. Phillip Slusallek geleitet. Das AnySL-Framework ([2]), das in Saar- Frameworks steht die Lösung unabhängig von Renderern und Grafikhard-
brücken entwickelt wird, erlaubt es Shader in einem portablen Format zu ware zur Verfügung.
übersetzen, das unabhängig von der Shader-Sprache, dem Rendering-System
und der Grafikhardware ist. Eingesetzt wird AnySL insbesondere im Projekt Literatur
XML3D ([1]). [1] Philipp Slussalek, Johannes Behr, Yvonne Jung, Kristian Sons: Browser(t)räu-
me, iX 11/2010, 54-63
Zur Laufzeit übersetzt in AnySL ein Just-in-Time-Compiler den Shader-Quell- [2] Ralf Karrenberg, Dmitri Rubinstein, Philipp Slusallek, Sebastian Hack:
text für den verwendeten Renderer und die verfügbare Hardware. So kann AnySL: Efficient and Portable Shading for Ray Tracing, High-Performance
man Shader in den RenderMan Shading Language schreiben, und ein Open- Graphics, Saarbrücken, 2010.
GL- oder Direct3D-System kann den Shader trotzdem verwenden. [3] Industrial Light and Magic: OpenEXR, http://www.openexr.com.
OpenBRDF mit einem Goniospektrometer, wie er Software-Paketen für die Bildsynthese,
Seit den siebziger Jahren des letzten beim Projektpartner SpheronVR AG sogenannten Renderern. Kommer-
Jahrhunderts sind in der Computer- eingesetzt wird. ziell erfolgreiche Renderer wie Pixar’s
grafik eine ganze Reihe von Beleuch- RenderMan, mental ray oder Maxwell
tungsmodellen für eine BRDF aufgestellt Solche Messdaten sind nicht neu. Schon können bereits mit solchen Samples
worden. Diese Modelle haben sich in in den achtziger Jahren des 20. Jahrhun- arbeiten. Allerdings immer nur mit be-
der Praxis bewährt, wovon man sich in derts wurden erste Daten an der Cornell stimmten Dateiformaten. Dadurch
modernen Filmproduktionen oder in University erzeugt. Im MERL, dem Mit- entsteht eine Situation, die man von
Produktvisualisierungen der Automobil- subishi Electronic Research Laboratory Dateiformaten für digitale Bilder leidvoll
industrie überzeugen kann. in Boston, wurden auf diese Weise 100 kennt: eine Vielzahl von verschiedenen
isotrope Materialien vermessen [Matusik Formaten und immer wieder die Frage,
Genauso wie in der Musikindustrie et.al.], die für Forschung und Lehre frei wie man ein Bild im Bildformat X in die
der Moog-Synthesizer von Samplern verwendbar sind. Die Vermessung der Software Z einliest, die leider nur Bild-
abgelöst wurde, liegt es auch für die visuellen Eigenschaften von Oberflächen format Y unterstützt. Dies verhindert
digitale Bildsynthese nahe, statt analy- wird in der näheren Zukunft viel kosten- einen optimalen Workflow, und häufig
tischer Modelle Messdaten zu verwen- günstiger und schneller möglich sein. Man ist dies auch mit einem Verlust an Ge-
den. Für eine möglichst große Anzahl kann erwarten, dass in einigen Jahren nauigkeit und Daten verbunden. Offene
von Werten der Kugelkoordinaten, von eine Vielzahl von Messdaten vorliegt. Systeme wie OpenBRDF schaffen hier
denen die Reflektanzverteilungsfunkti- Abhilfe. Hat man 10 Dateiformate
on abhängt, wird die reflektierte Farbe Auf der einen Seite wird es also eine und 5 Software-Pakete, dann müsste
17
für eine eingehende Lichtquelle ge- Vielzahl von Daten geben; auf der an- man, um jedes Dateiformat und jede
messen. Möglich ist dies beispielsweise deren Seite gibt es eine Vielzahl von Software miteinander zu verbinden,
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011Computergrafik
Als erster Schritt wurde im Projekt die BTF-Datenbank Bonn (http://btf.cs.uni-
OpenBRDF-Bibliothek spezifiziert und bonn.de/download.html), eingelesen mit
implementiert. Die Bibliothek steht in der OpenBRDF-Bibliothek und mit pbrt
der aktuellen Version auf Linux- und gerendert.
Microsoft Windows zur Verfügung und
enthält bereits mehr als 50 Klassen für Da eine BRDF mindestens von vier
das Einlesen von Datensätzen, die Er- Winkeln abhängt, ist es schwierig eine
zeugung von Annäherungen und vor geeignete Visualisierung zu implemen-
allem für die Anbindung der einge- tieren. Hält man zwei der vier Winkel
lesenen Daten an Renderer. fest, erhält man eine Visualisierung
durch den Beleuchtungskörper. Mit
Die Bibliothek steht frei als Open- Hilfe der Software BRDFLab können
Source zur Verfügung; bereits jetzt wird BRDF-Daten visuell untersucht werden.
Abb. 3:
Der BTF-Datensatz „Wool", gerendert sie an den Universitäten Innsbruck und Insbesondere ist eine Differenzdarstel-
mit pbrt und der OpenBRDF-Bibliothek Saarbrücken eingesetzt. Als nicht-kom- lung zweier BRDF-Datensätze imple-
merzieller Renderer wurde eine Refe- mentiert worden. Dabei werden der
renz-Anbindung der Bibliothek an den Industriestandard OpenGL, die frei
5*10 = 50 Schnittstellen implemen- frei verfügbaren Renderer pbrt [Pharr, verfügbare Graphik-Engine vlgGraphics-
tieren. Die Informatik spricht von einer Humphreys] implementiert. Darüber Engine (ebenfalls an der Fachhochschu-
m:n Beziehung und hat für solche Be- hinaus wurde eine Anbindung an AnySL, le Kaiserslautern entwickelt) und Qt für
ziehungen auch die richtige Lösung. Man Lux3D und mental ray 3.7 realisiert. die Benutzungsoberfläche verwendet.
schiebt zwischen m Dateiformate und n Abbildung 4 zeigt einen Beleuchtungs-
Software-Pakete ein neutrales Binde- Eine BRDF hängt im Allgemeinen von körper für das Cook-Torrance Be-
glied ein. Dadurch reduziert sich der viel mehr Parametern ab als der Licht- leuchtungsmodell. BRDFLab ist eine
Aufwand auf die Implementierung von frequenz und den vier Kugelkoordina- wertvolle Hilfe für die Evaluation der
m Schnittstellen zu m Dateiformaten, ten für Licht- und Betrachtungsrichtung. Verfahren im Projekt, aber auch als
und n Anbindungen an n Renderern. Es gibt Materialien, die auch vom Ort Werkzeug in Computergrafik-Lehrver-
Kommt ein neues Dateiformat hinzu, abhängen. Auch für solche Reflek- anstaltungen hervorragend einsetzbar.
muss nur an einer Stelle Software ent- tanzfunktionen gibt es Messverfahren,
wickelt werden. die Datensätze dafür werden als Bi- Analytische Beleuchtungsmodelle haben
directional Texture Functions (BTF) in der Regel 5 bis 10 Parameter. Des-
Ergebnisse bezeichnet [Klein et. al.]. Ein solcher halb liegt es nahe die Datensätze mit
Dateiformate alleine sind nicht die Lö- Datensatz besteht aus über 6 500 digi- Hilfe eines Vektorraummodells zu be-
sung für das Problem der Schnittstellen talen Bildern. Auch diese Datensätze schreiben. Die Samples eines Daten-
zwischen Oberflächen-Samples und können mit der OpenBRDF-Bibliothek satzes können als ein Merkmalsvek-
Renderern. Dies zeigt die Erfahrung, eingelesen und danach in einer Render- tor in einem sehr hochdimensionalen
die man mit CAD-Schnittstellen seit Software verwendet werden. Abbildung Vektorraum interpretiert werden. Ver-
Jahrzehnten macht. Es gibt eine ganze 3 zeigt einen BTF-Datensatz aus der wendet man die 100 Datensätze aus
Reihe von Definitionen für neutrale
Austauschformate zwischen CAD-
Systemen wie IGES, VDAIS, VDAFS oder
STEP. Erfolgversprechender ist es, nicht
nur Dateiformate zu definieren, sondern
ein sogenanntes Application Program-
ming Interface (API) zu implementieren.
Dies ist in der Computergrafik sehr gut
möglich, da als Programmiersprache so
gut wie immer C++ verwendet wird.
Mit einem solchen API in C++ wer-
18 den Klassen zur Verfügung gestellt, die Abb. 4:
Datensätze importieren, und in einer Ein Beleuchtungskörper für das Cook-Torrance Beleuchtungsmodell in BRDFLab
Datenstruktur zur Verfügung stellen.
Fachhochschule Kaiserslautern – University of Applied Sciences Forschungsbericht 2010/2011Sie können auch lesen
