Systemenwicklungsprojekt (SEP) Simulation von dichtem Schneefall

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1 Systemenwicklungsprojekt (SEP) Simulation von dichtem Schneefall Christoph Bichlmeier November 2003 Beginn: Januar 2003 Abgabe: November 2003 Anschrift: Christoph Bichlmeier Watzmannstr Baldham Deutschland

2 Simulation von dichtem Schneefall SEP im Fach Informatik vorgelegt von Christoph Bichlmeier geb. am 15. Mai 1977 in München angefertigt am Lehrstuhl für Informatik 15 Computer Graphik & Visualisierung Technische Universität München Betreuer: Jens Krüger Beginn der Arbeit: Januar 2003 Abgabe der Arbeit: November 2003

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4 iii Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Fachliche Grundlagen OPENGL Partikelsystem Billboard/Imposter D Texturen Vertex Shader Cg Aufgabenstellung 5 4 Teilaufgaben Billboard D Textur Particle Engine Vertex Array Point Sprites Vertex Shader Bounding Boxes Zwei Darstellungsmodi Far Modus Near Modus Manual für das Programm 16 7 Nachwort 17 8 Hilfsmittel Verwendete Hardware/Software, Hilfsmittel Literatur / Tutorials Grafiken 19

5 1 Kapitel 1 Einleitung Das Projekt Simulation von Schneefall wurde im Rahmen eines System-entwicklungsprojekts (SEP) an der Fakultät für Informatik der Technischen Universität München bearbeitet. Ziel des Projektes ist es, dichten Schneefall realistisch darzustellen. Alle Berechungen, die zur korrekten Darstellung nötig sind, müssen unter Nutzung aktueller Prozessoren und Grafikarten in Echtzeit ausführbar sein.

6 2 Kapitel 2 Fachliche Grundlagen Damit auch der nicht fachkundige Leser die folgende Ausarbeitung nachvollziehen kann, werden zunächst einige fachliche Grundlagen und Fachbegriffe erklärt. 2.1 OPENGL Von Silicon Graphics (SGI) entwickelte hardware-unabhängige Programmierschnittstellen zur professionellen Entwicklung von 3D-Applikationen. OPENGL findet vor allem im Bereich der Spielentwicklung Anwendung. Eine Auswahl an Spielen, die mit OPENGL entwickelt wurden: Quake 3 Elite Force 2 Jedi knight 2.2 Partikelsystem Ein in der Computergrafik häufig verwendetes System, das pro Bild eine vorher definierte Anzahl von Objekten ausstößt, die dann über physikalische Eigenschaften wie Reibung, Gravitation und Ähnliches beeinflusst werden. In Partikelsystemen kann man jedes beliebige animierte Objekt verwenden, um so zum Beispiel einen ganzen Vogelschwarm in einer Szene vorbeiziehen zu lassen. Auch für Feuer, Wasser, Dampf oder Rauch werden Partikelsysteme verwendet. 2.3 Billboard/Imposter Ein Billboard, oder auch Imposter genannt, ist in der Computergrafik eine Fläche, die sich stets im Sichtfeld der Kamera befindet. Dreht sich die Kamera um eine Achse, so dreht sich das Billboard um dieselbe Achse, jedoch in einem größeren Abstand zu dieser. Vergleichbar mit einer Brille deren Gläser gefärbt sind und eventuell ein Muster haben. In dieser Ausarbeitung wird der Imposter als eine Aneinanderreihung von Billboards definiert, d.h. der Imposter ist ein System, bestehend aus einer variierbaren Anzahl von Billboards.

7 3 KAPITEL 2. FACHLICHE GRUNDLAGEN D TEXTUREN 2.4 3D Texturen 3D Texturen sind 3 dimensionale Farbfelder. Im Gegensatz zu 2D Texturen haben 3D Texturen eine zusätzliche räumliche Dimension. Man kann sich die 3D Textur als einen Farbwürfel vorstellen, der in 3 Farbschichten aufgeteilt ist, z.b. RGB (Rot - Grün - Blau). Diese 3D Textur wird nun Abbildung 2.1: Farbwürfel - RGB Querschnitt an ein Polygon gebunden. Bewegt man sich nun im Textur Modus durch die Textur, erhält man Schnitte durch den 3D Würfel. Im Fall des Farbwürfels wird das Polygon in drei Farbbereiche aufgeteilt, die jeweils, je nach Lage der Schnittfläche, einen größeren oder kleineren Flächenanteil zugeordnet bekommen. In dieser Grafik bildet jeder Farbbereich eine Rechteckform. Je schräger die Schnittfläche liegt, desto breiter werden die einfarbenen Rechtecksflächen. 2.5 Vertex Shader Der Vertex Shader ist ein Teil der Transform and Lighting Einheit. Genauer betrachtet ist er eine programmierbare Recheneinheit des Grafikchips. Er wird auch oft als programmierbare T und L-Einheit (Transforming und Lightning)beschrieben. Der Vertex Shader berechnet über die Hardware unter anderem die Position der Dreieckspunkte in einer Szene. So wird es dem Entwickler erlaubt, die Bewegung von z.b. Figuren zu beeinflussen. Der Vertex Shader kann auch, sofern er nicht in den GPU integriert ist, vom Prozessor emuliert werden. 2.6 Cg Heutzutage werden Softwareanwendungen in aller Regel mit der Programmiersprache C oder C++ entwickelt. Wenn es aber um komplexe visuelle Effekte geht, mussten sich die Entwickler mit einer höchst restriktiven Assemblersprache zufrieden geben. Cg erleichtert die Erstellung fotorealistischer Effekte auf dem PC in Echtzeit und läutet damit die Ära des Computing

8 CG KAPITEL 2. FACHLICHE GRUNDLAGEN in Kinoqualität ein. Programme brauchen nicht länger direkt für die Grafikhardware geschrieben zu werden, was die Erarbeitung beeindruckender Echtzeit-Shader und visueller Effekte für DirectX R - und OpenGL R -Umgebungen ohne großen Zeitaufwand ermöglicht. Damit erweist sich Cg als die treibende Kraft beim Zusammenwachsen von Film und Echtzeit-Rendering.

9 5 Kapitel 3 Aufgabenstellung Die Aufgabe bestand darin, eine Wettersimulation zu entwickeln, die dichten Schneefall darstellt. Die Schwierigkeit lag darin, den Schnee in möglichst hoher Konsistenz fallen zu lassen. Dies ist mit herkömmlichen Partikelsystemen nicht zu realisieren, da man mit den derzeitigen Prozessoren nicht genügend Partikel berechnen lassen kann, um eine zufriedenstellende Dichteverteilung der Partikel in einem größerem Raum zu erreichen. Es sollte eine Lösung gefunden werden, die den räumlichen Effekt berücksichtigt und die mit den beteiligten und aktuell verfügbaren Hardwareeinheiten der Computergrafik in Echtzeit lauffähig ist.

10 6 Kapitel 4 Teilaufgaben Um den räumlichen Effekt zu erhalten, kommen zwei Ansätze in Kombination zum Einsatz. Zum einen ein auf Partikel basierendes System, das im Vordergrund wirksam die Schneeflocken als klar erkennbare, individuell bewegliche Objekte darstellt. Diese Objekte bewegen sich nach unten, können aber auch durch eine eingeschaltete Windsimulation in Z und X- Richtung abgelenkt werden. Den zweiten Teil des entwickelten Systems bildet ein Billboard, auf das eine Schneewand projiziert wird, um den Hintergrund abzuschließen. Diese Schneewand soll jedoch nicht als Abschluss des Blickfeldes dienen. Da das Auge den Hintergrund im Schneetreiben nur sehr unscharf wahrnimmt, jedoch räumliche Strukturen zu erkennen vermag, muss auch das Billboard durch ein hier entwickeltes Verfahren ansatzweise einen räumlichen Effekt leisten. Nur ein Partikelsystem wäre nicht zufrieden stellend, da man nicht ausreichend Partikel darstellen könnte, um einen wirklich dichten Schneefall zu simulieren. Außerdem wäre der Hintergrund, der durch die nicht ausreichende Darstellung von Partikel nicht unbedingt komplett verdeckt wird, unrealistisch scharf. So würde man Objekte hinter dem Partikelsystem, die eigentlich wegen der Schneeflocken unscharf erscheinen müssten, wieder scharf erkennen. Das Billboard bzw. mehrere transparente Billboards hintereinander positioniert, ohne ein Partikelsystem würde die Simulation eines Blickes aus einem Fenster auf ein Schneefallszenario zufriedenstellend realisieren. Diese Simulation setzt sich jedoch ein Szenario zum Ziel, in dem die Kamera mitten im Schneetreiben positioniert ist. Dabei würde der oben schon beschriebene räumliche Effekt, den nur die Partikel bewirken können, verloren gehen oder unzureichend simuliert werden. 4.1 Billboard D Textur Der Hintergrund wird durch mehrere, in kurzen Abständen hintereinander platzierte, Billboards realisiert. Diese Billboards sind transparent, so dass bei Zunahme der Schichten die Wand immer undurchsichtiger wird, d.h. bewegt sich die Kamera auf ein Objekt zu, z.b. eine Wand, so wird die Wand immer deutlicher erkennbar, je weniger Schichten vor der Wand liegen. Die Billboards schneiden genoiste 3D Texturen und bilden den Schnitt durch diese 3D Textur auf der Oberfläche des Quads, das das Billboard realisiert, ab (weitere Grafiken zu 3D Texturen, siehe Grundlagenkapitel). Der Inhalt dieser 3D Texturen ist ein helles Rauschen, also zufällig gesetzte schwarzweiß Töne im helleren Bereich. Nach längeren Tests, die 3DTextur selbst zu generieren, d.h. in die Textur z.b. einzelne Flocken an zufälligen Positionen zu zeichnen, stellte sich heraus, dass nur ein

11 7 KAPITEL 4. TEILAUFGABEN 4.1. BILLBOARD Abbildung 4.1: Simulation - Partikelsystem Abbildung 4.2: Blick aus dem Fenster

12 BILLBOARD KAPITEL 4. TEILAUFGABEN Abbildung 4.3: Frustum - Blickfeld Rauschen in Zusammenhang mit Manipulation der Auflösung der Textur ein zufrieden stellendes Ergebnis einbrachte. D.h. die Pixel der 3D Textur sind in zufällig gewählten schwarz-weiß Tönen im helleren Bereich eingefärbt. Abbildung 4.4: 3D Textur Der Grund, warum 3D Texturen verwendet werden besteht, in der verbesserten räumlichen Performance. Bewegt sich die Kamera im Raum, führt man die entgegengesetzten Bewegungen auf die Textur aus, d.h. das Billboard bewegt sich im Texturmodus in die entgegengesetzte Rich-

13 9 KAPITEL 4. TEILAUFGABEN 4.2. PARTICLE ENGINE tung der Kameratransformation durch die 3D Textur. So erhöht man den Effekt, sich durch ein Schneegestöber zu bewegenen, dessen Struktur sich in jeder Szene bei Bewegung ändert. Die Transformationen bei Kamerabewegung auf die Textur im Texturmodus und auf die Objekte im Raum im Modelview Modus sind die selben. Der Effekt kann mit einem schon oben beschriebenen Farbwürfel verdeutlicht werden. Das Fallen der Schneewand auf den Billboards wird durch einfache Translation auf die Texturen im Textur Modus bewirkt. Je weiter die Billboards von der Kamera entfernt ist, desto höher ist die Auflösung der Textur auf den Billboards und desto langsamer sind die Translationen auf die Textur. Der Abstand der hintereinander geschachtelten Billboards entspricht dem Abstand der Schnittflächen durch die 3DTextur. Dadurch wird ein Teil des Texturvolumens schichtweise dargestellt. 4.2 Particle Engine Einfache Partikelsysteme können nicht ausreichend Partikel für einen größeren Raum darstellen. Diese sind nur sinnvoll anwendbar bei räumlich begrenzten Partikelsystemen wie etwa ein Brunnen, Vogelschwarm, Rauch. Die Leistung würde nicht ausreichen, um mehr als leichten Schneefall zu simulieren. Hierbei wäre man beschränkt auf etwa Partikel, deren Farbe, Fallgeschwindigkeit und Richtung berechnet werden müssen. Daten des Rechners, der bei der Entwicklung der Simulation verwendet wurde: CPU: Intel Pentium 4, 2.0 GHz Grafikkarte: Geforce 4 Ti4800 Speicher: 512 MB / 4x Vertex Array In einem 3 dimensionalen Vertex Array werden die Schneepartikel spezifiziert. Dabei werden zufällig eine festgelegte Anzahl an Vertex Positionen generiert und im Array abgespeichert. Im Folgenden wird das Vertex Array als das Schneevolumen bezeichnet, da die Vertices den Positionen der Schneeflocken entsprechen. Das quadratische Schneevolumen wird mit dessen Mittelpunkt, dem Referenzpunkt für ein Schneevolumen, im Raum positioniert. Wenn dieser Referenzpunkt mit gltranslate() verschoben wird, wird auch das Schneevolumen versetzt Point Sprites Um die Partikel nun an den im Vertex Array festgelegten Positionen zu zeichnen, werden die Werte des Arrays an Point Sprites übergeben. Point Sprites haben dieselben Eigenschaften wie primitive POINTS der OPENGL Library, d.h. sie richten sich nach der Kameraposition aus und skalieren nicht, wenn sich die Kameradistanz zum POINT ändert (was z.b. QUADS machen würden). Man kann Point Sprites jedoch, anders als bei normalen POINTS, eine Textur zuweisen, in diesem Fall die Textur einer Schneeflocke. Das bedeutet, dass man, wenn man ein Partikel beeinflussen möchte, nicht vier Vertices, wie bei QUADS berechnen muss, sondern nur einen Vertex. Außerdem fallen die Berechnungen der Transformationen, in diesem Fall die der Rotationen weg, die für die korrekte Ausrichtung der Partikel zur Kamera sorgen Vertex Shader Damit die Berechnungen der Partikeleigenschaften nicht mehr zu Lasten der CPU gehen, verwendet diese Simulation einen Vertexshader. Der Vertexshader führt alle Berechnungen, die die

14 PARTICLE ENGINE KAPITEL 4. TEILAUFGABEN Partikel betreffen und beeinflussen, auf der Grafikkarte aus. Dem Vertexshader werden verschiedene Parameter übergeben: Größe eines Schneevolumens, um bei der Animation der Partikel immer im selben Volumen zu bleiben. Fällt z.b. ein Partikel aus dem Volumen unten hinaus, so wird es an der selben z und x Position am oberen Rand des Volumens gezeichnet und weiteranimiert, d.h. Bewegung in negativer y Richtung. Bewegungsparameter, der die Animation der Partikel im Shader übernimmt. Referenzpunkt, der dazu dient das gesamte Schneevolumen an eine bestimmte Stelle zu platzieren (siehe Bounding Boxes) Bounding Boxes Das Bounding Boxes System wird verwendet, um effektiv Partikelvolumen, bzw. Schneevolumen nur an den Stellen zu zeichnen und zu berechnen, an denen sie in einer Szene auch sichtbar sind, d.h. in der sie das Frustumvolumen (Pyramidenstumpf) der Kamera schneiden. Hierfür teile ich Abbildung 4.5: Bounding Boxes den Raum, in dem sich die Kamera bewegt, in Gittervolumen der Größe des Schneevolumens auf. Die Schnittpunkte der zu den Achsen parallelen Flächen, die ein Raumvolumen begrenzen, werden im folgenden Gitterpunkte genannt. Die einzelnen Gittervolumen haben dieselbe Größe wie ein Schneevolumen. Hierbei wird der Raum um die Kameraposition herum gescannt und getestet um herauszufinden, welche Gitterpunkte im aktuellen Frustum liegen. Genau diese Punkte sind Mittelpunkte der Schneevolumen, die schon oben genannten Referenzpunkte der Schneevolumen. Sie werden an den Vertexshader übergeben, um die Partikel zu rendern. Zusätzlich wird getestet, welcher Gitterpunkt in der Nähe des Frustums ein Schneevolumen zeichnen würde, das ein Schnittvolumen mit dem Frustumvolumen hat. Auch um diese Gitterpunkte wird ein Schneevolumen durch den Vertexshader gerendert. Ein Gitterpunkt ist im Frustum, wenn er nur positive Abstände zu den Frustumplanes hat deren Normalen alle in das Frustumvolumen

15 11 KAPITEL 4. TEILAUFGABEN 4.2. PARTICLE ENGINE Abbildung 4.6: Bounding Boxes Abbildung 4.7: Bounding Boxes

16 PARTICLE ENGINE KAPITEL 4. TEILAUFGABEN Abbildung 4.8: Bounding Boxes Abbildung 4.9: Bounding Boxes

17 13 KAPITEL 4. TEILAUFGABEN 4.2. PARTICLE ENGINE hineinen gerichtet sind. Ein Gitterpunkt ist in der Nähe des Frustums, wenn eine Kugel um den zu testenden Gitterpunkt mit dem Radius 0.5 * (Diagonale eines Schneevolumens) ein Schnittvolumen mit dem Frustumvolumen hat, oder anders ausgedrückt, wenn es einen Abstand, Gitterpunkt - Frustumfläche (es werden 5 Frustumflächen getestet) gibt, der kleiner als -0.5*(Diagonale eines Schneevolumens) ist.

18 14 Kapitel 5 Zwei Darstellungsmodi Man kann zwischen zwei möglichen Szenarien unterscheiden, für die das Schneefallsystem angewandt werden kann. Dabei bietet sich an, für die beiden Szenarien jeweils eine kleine Modifikation des Systems vorzunehmen, um für die jeweilige Anwendung die bestmögliche Performance zu erreichen. 5.1 Far Modus Wenn man das Schneefallsystem für ein Szenario benötigt, in dem sich entweder keine Objekte in der Nähe der Kamera befinden oder in größerer Distanz zur Kamera, d.h. im hinteren Bereich des Frustums, so erzielt man einen realistischeren Effekt des Schneetreibens, wenn man die Billboards zwischen der Mitte des Frustumvolumens und der hinten abschließenden FAR Plane positioniert und zumindest einen Teil der Partikel aus der Particle Engine vor dem Imposter rendert. Dies erhöht den Effekt der räumlichen Darstellung, d.h. die vom Auge zu erkennenden Partikel im Vordergrund und der Imposter mit der 3D Textur erzielen die optimale Performance. 5.2 Near Modus Im Falle eines Szenarios, in dem Objekte, z.b. eine Mauer, in der Nähe der Kamera positioniert wird, weil man der Kamera die Möglichkeit gibt, sich einer Landschaft frei zu bewegen, ist es realistischer den Imposter direkt vor der Kamera zu positionieren. Würde man mit der im obigen Absatz beschriebenen Anordnung der Komponenten des Schneefallsystems performen, so wären die Billboards, bzw. der Imposter deutlich zu erkennen, sobald er ein Objekt im Raum, z.b. eine Mauer schneidet. Dieser negative Effekt wird durch die Positionierung des Imposters direkt vor der Kamera umgangen. Somit erscheint schon die Umgebung in Kameranähe unscharf.

19 15 KAPITEL 5. ZWEI DARSTELLUNGSMODI 5.2. NEAR MODUS Abbildung 5.1: Farmodus: Billboardschnitt schneidet Umgebung Abbildung 5.2: Nearmodus:Billboard vorne - Partikel hinten

20 16 Kapitel 6 Manual für das Programm Es besteht die Möglichkeit verschiedene Einheiten des Programms zu manipulieren: Tasten Auswirkung Allgemeine Funktionalität q, ESC Beendigung des Programms F1 Anzeige des Hilfemenüs B, b Hintergrund, Szenario zeichnen W, w Gitterdarstellung Funktionalität für Billboards L, l Imposter Zeichen Q, q Anzahl der Billboards, die gezeichnet werden N, n Änderung des Abstandes von Kamera und Imposter M, m Anordnung der Einheiten der 3D Textur U, u Mehr 3D Textureinheiten D, d Weniger Textureinheiten A, a Texturanimation X, x Windrichtung, und Intensität angewandt auf 3D Textur Y, y Windrichtung, und Intensität angewandt auf 3D Textur Z, z Windrichtung und Intensität angewandt auf 3D Textur Partikelsystem P, p Partikelsystem ein und ausschalten G, g Animation der Particle Engine Blending S, s Zweiter Blendingparameter F, f Erster Blendingparameter

21 17 Kapitel 7 Nachwort Es stellt sich die Frage, ob bei steigender Rechenleistung derartiger programmiertechnischer Aufwand betrieben werden muss, um mehr Partikel zu zeichnen. Eventuell können schon bald einfachere Partikelsysteme einen ausreichenden Effekt erzielen. Die Partikel eines solche Systems würden wiederum nur im Frustum gezeichnet werden. Um den Hintergrund des Partikelsystems zufriedenstellend darzustellen, könnte man die Farbe bzw. den Alphawert der Partikel manipulieren, d.h. je weiter ein Partikel (Schneeflocke) des Systems vom der Kamera entfernt ist, desto transparenter und desto dunkler wird es.

22 18 Kapitel 8 Hilfsmittel Folgende Hilfsmittel wurden zur Bearbeitung des Systementwicklungsprojekts verwendet. 8.1 Verwendete Hardware/Software, Hilfsmittel Verwendete Hardware: CPU: Intel Pentium 4, 2.0 GHz Grafikkarte: Geforce 4 Ti4800 Speicher: 512 MB / 4x Verwendete Software: Microsoft Visual C++.NET Verwendete Programmiersprache und Libraries: C++, CG OPENGL, CG, GLEW, GLUT 8.2 Literatur / Tutorials Programmierung: unreal/theredbook/ Weitere Links: Texturen:

23 19 Kapitel 9 Grafiken Grafiken: Abbildung 2.1: Farbwürfel - RGB Querschnitt Abbildung des Querschnittes einer 3D Textur auf ein QUAD. Abbildung 4.1: Simulation - Partikelsystem Visualisierung nur mit Partikelsystem ohne Imposter. Abbildung 4.2: Blick aus Fenster Bereich bis zum Billboard ist nicht beschneit, z.b. bis zur Fensterscheibe, dahinter wird das Schneefallscenario visualisiert. Abbildung 4.3: Frustum - Blickfeld Mehrere transparente Billboards hintereinander im Blickfeld der Kamera. Abbildung 4.4: 3D Textur Querschnitt eines Billboards durch eine 3D Textur. Abbildung 4.5: Bounding Boxes 1 Berechnung der Gitterpunkte innerhalb des Frustums und in dessen Nähe. Abbildung 4.6: Bounding Boxes 2 Schneevolumen und Gittervolumen haben die selbe Größe. Abbildung 4.7: Bounding Boxes 3 Schneevolumen werden berechneten Gitterpunkten zugewiesen. Dabei ist der Mittelpunkt eines Schneevolumens der Gitterpunkt. Abbildung 4.8: Bounding Boxes 4 Berechnung der Gitterpunke in der Nähe des Frustums. Dabei wird getestet, ob eine Kugel

24 20 KAPITEL 9. GRAFIKEN um den zu testenden Gitterpunkt mit dem Radius 0.5 * (Diagonale eines Schneevolumens) ein Schnittvolumen mit dem Frustumvolumen hat, oder anders ausgedrückt, ob es einen Abstand, Gitterpunkt - Frustumfläche (es werden 5 Frustumflächen getestet) gibt, der kleiner als -0.5*(Diagonale eines Schneevolumens) ist. Abbildung 4.9: Bounding Boxes 5 Platzierung der Schneevolumen. Abbildung 5.1: Billboardschnitt schneidet Umgebung Billboard wird in der Szene sichtbar, wenn sich Objekte in der Nähe der Kamera befinden. Abbildung 5.2: Billboard vorne - Partikel hinten Wenn sich in der Szene Objekte wie Mauern, Bäume, Felsen, Boden, etc. in der Nähe der Kamera befinden, wird das Billboard direkt vor die Kamera gesetzt.

25 Erklärung Ich versichere, daß ich die Arbeit ohne fremde Hilfe und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Quellen angefertigt habe und daß die Arbeit in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen hat und von dieser als Teil einer Prüfungsleistung angenommen wurde. Alle Ausführungen, die wörtlich oder sinngemäß übernommen wurden, sind als solche gekennzeichnet. Ich bin damit einverstanden, daß die Arbeit veröffentlicht wird und daß in wissenschaftlichen Veröffentlichungen auf sie Bezug genommen wird. Der Technischen Universität München, vertreten durch den Lehrstuhl für Computer Graphik & Visualisierung, wird ein (nicht ausschließliches) Nutzungsrecht an dieser Arbeit sowie an den im Zusammenhang mit ihr erstellten Programmen eingeräumt. München, den November 2003 (Christoph Bichlmeier)