Entwicklung einer Umweltsimulation in Unity mit Fokus auf den anthropogenen Klimawandel

Autor: Pötter, Sebastian
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2023
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Popis: Im Rahmen dieser Masterarbeit soll eine open-source und frei verfügbare Simulation eines Ökosystems in Unity konzipiert, implementiert und evaluiert werden, welche skalierbar, erweiterbar und grafisch anpassbar ist. Hierfür wird ein theoretisches Konzept vorgestellt, welches danach in Unity implementiert wird. Dafür werden bewährte Dokumentationsformen wie UML-Diagramme benutzt, um eine Erweiterbarkeit möglichst einfach zu gestalten. Darüber hinaus wird eine Gamification der Simulation stattfinden, welche gleichzeitig quantitativ ausgewertet wird, um Hypothesen zur Leistung, der Benutzbarkeit sowie der Einschätzung der Visualisierung zu klären. Es wurde eine Problemanalyse sowie der aktuelle Forschungsstand und nötige Grundlagen erläutert. Darüber hinaus findet eine Zielgruppenanalyse statt, bei der vier Hauptgruppen vorgestellt werden, wobei lernende Personen einen besonderen Stellenwert haben. Anschließend wird der aktuelle Forschungsstand vorgestellt, zusammen mit den grundlegenden mathematischen Modellen zur Simulation selbst. Darüber hinaus werden biotische und abiotische Faktoren erklärt und wie diese modelliert sind. Die Umsetzung eines Prototyps findet in der Unity Engine statt und resultiert in einer Anwendung, welche von Personen aus der Zielgruppe „lernende Personen“ erprobt wird. Diese können nach der Anwendung dazu Fragen beantworten. So neigen zum Beispiel Personen aus dieser Zielgruppe eher dazu, dass die Anwendung unterhaltsam sein solle anstelle von lehrreich. Besitzen aber zugleich einen hohen Anspruch an gestellten Aufgaben und Visualisierung. Die simulierende Leistung liegt bei circa 10.000 Agents, welche Pflanzen oder Tiere sind, zusammen mit einem anpassbaren Klima- und dynamischen Zeitsystem zusammen mit Datenvisualisierung, wie zum Beispiel der Bodenfeuchte und dessen Veränderung über die Zeit.:Abkürzungsverzeichnis Glossar 1 Einleitung 2 Problematik und Definitionen 2.1 Problemanalyse 2.2 Zielgruppenanalyse 2.2.1 Industrie 2.2.2 Öffentliche Einrichtungen 2.2.3 Bildungsbereich 2.2.4 Hypothesen 2.2.5 Beschreibung aus Sicht von Benutzenden 2.3 Definitionen und Begriffe 2.3.1 Simulation 2.3.2 Biologische Ökosysteme 2.3.3 Simulation eines Ökosystems 2.3.4 Agent 2.3.5 Gamification 2.4 Aktueller Stand 2.5 Fokus der Simulation 2.6 Thematische Abgrenzung 2.6.1 Marine Ökosysteme 2.6.2 Teile der Flora 2.6.3 Teile der Fauna 2.6.4 Stoffkreislauf und Rolle des Destruenten 2.6.5 Chemische Wechselwirkungen 2.6.6 Verhaltensweisen von Agents im Vergleich zu Tieren 3 Modellierung der Simulation 3.1 Mathematische Grundlagen 3.1.1 Knoten, Kanten und Graphen 3.1.2 Raycast 3.1.3 Quaternionen 3.1.4 Hashset 3.1.5 Symmetric Dictionary 3.1.6 Zufall 3.1.7 Perlin Noise 3.1.8 Zeit 3.1.9 Sonnenwinkel 3.2 Grafik 3.3 Abbildung von biologischen Vorgängen 3.3.1 Reaktion auf Grundlage von Neuronen 3.3.2 Grundbedürfnis 3.3.3 Eigenschaften 3.3.4 Fortpflanzung und natürliche Mutation 3.3.5 Selektion 3.4 Zeit 3.5 Umwelt 3.5.1 Pflanzen 3.5.2 Boden 3.6 Eventsysteme 3.6.1 Zeitevents 3.6.2 Klima-Events 3.6.3 Benutzerevents 3.6.4 Taskevents 3.7 Gamification 4 Implementation in Unity 4.1 Unity Engine 4.1.1 Unity-Engine Vorstellung 4.1.2 Benutze Unity Funktionen 4.1.3 Unity Render-Pipeline 4.2 Abbildung des geplanten Systems 4.2.1 Klassenübersicht 4.2.2 Simulationsverwaltung 4.2.3 Zeitbehandlung 4.2.4 Klimasimulation 4.2.5 Player Controller 4.2.6 Aufgabenverwaltung 4.2.7 Agentcontroller 4.2.8 Laufzeitanalyse 4.3 Benutzeroberflächen und Design 4.3.1 Aufbau und Oberflächenkonzeption 4.3.2 Umsetzung der Oberfläche 5 Evaluation 5.1 Definitionen und Rahmenbedingungen 5.2 Definitionen der Fragen 5.3 Auswertung 5.3.1 Statistische Auswertung 5.3.2 Hypothesenuntersuchung 5.3.3 Freitextanalyse 6 Abschluss 6.1 Zusammenfassung 6.2 Auswertung 6.3 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang
In the context of this master thesis, an open source simulation of an ecosystem in Unity is to be designed, implemented and evaluated. This system has to be scalable, expandable and graphically adaptable for any potential use cases. For this purpose, a theoretical concept will be presented which will be implemented in Unity. Proven forms of documentation such as UML diagrams are used in order to make extensibility as simple as possible. Furthermore, a gamification of the simulation will take place, which will be evaluated quantitatively at the same time in order to clarify hypotheses on performance, usability and the assessment of the visualisation. A problem analysis as well as the current state of research and necessary basics were explained. In addition, a target group analysis is carried out, in which four main groups are presented, with special emphasis on learning people. The current state of research is then presented, together with the basic mathematical models for the simulation itself. Furthermore, biotic and abiotic factors are explained and how they are influenced by other factors. The implementation of a prototype takes place in the Unity Engine and results in an application that is tested by learning people. After the tasks of the application, they can answer questions about it and could give Feedback. For example, people from this target group tend to want the application to be entertaining instead of educational. At the same time, they have high expectations of the tasks and visualisation. The simulating performance is about 10.000 agents which are plants or animals, together with an adaptable climate and dynamic time system together with data visualisation such as soil moisture and its change over time.:Abkürzungsverzeichnis Glossar 1 Einleitung 2 Problematik und Definitionen 2.1 Problemanalyse 2.2 Zielgruppenanalyse 2.2.1 Industrie 2.2.2 Öffentliche Einrichtungen 2.2.3 Bildungsbereich 2.2.4 Hypothesen 2.2.5 Beschreibung aus Sicht von Benutzenden 2.3 Definitionen und Begriffe 2.3.1 Simulation 2.3.2 Biologische Ökosysteme 2.3.3 Simulation eines Ökosystems 2.3.4 Agent 2.3.5 Gamification 2.4 Aktueller Stand 2.5 Fokus der Simulation 2.6 Thematische Abgrenzung 2.6.1 Marine Ökosysteme 2.6.2 Teile der Flora 2.6.3 Teile der Fauna 2.6.4 Stoffkreislauf und Rolle des Destruenten 2.6.5 Chemische Wechselwirkungen 2.6.6 Verhaltensweisen von Agents im Vergleich zu Tieren 3 Modellierung der Simulation 3.1 Mathematische Grundlagen 3.1.1 Knoten, Kanten und Graphen 3.1.2 Raycast 3.1.3 Quaternionen 3.1.4 Hashset 3.1.5 Symmetric Dictionary 3.1.6 Zufall 3.1.7 Perlin Noise 3.1.8 Zeit 3.1.9 Sonnenwinkel 3.2 Grafik 3.3 Abbildung von biologischen Vorgängen 3.3.1 Reaktion auf Grundlage von Neuronen 3.3.2 Grundbedürfnis 3.3.3 Eigenschaften 3.3.4 Fortpflanzung und natürliche Mutation 3.3.5 Selektion 3.4 Zeit 3.5 Umwelt 3.5.1 Pflanzen 3.5.2 Boden 3.6 Eventsysteme 3.6.1 Zeitevents 3.6.2 Klima-Events 3.6.3 Benutzerevents 3.6.4 Taskevents 3.7 Gamification 4 Implementation in Unity 4.1 Unity Engine 4.1.1 Unity-Engine Vorstellung 4.1.2 Benutze Unity Funktionen 4.1.3 Unity Render-Pipeline 4.2 Abbildung des geplanten Systems 4.2.1 Klassenübersicht 4.2.2 Simulationsverwaltung 4.2.3 Zeitbehandlung 4.2.4 Klimasimulation 4.2.5 Player Controller 4.2.6 Aufgabenverwaltung 4.2.7 Agentcontroller 4.2.8 Laufzeitanalyse 4.3 Benutzeroberflächen und Design 4.3.1 Aufbau und Oberflächenkonzeption 4.3.2 Umsetzung der Oberfläche 5 Evaluation 5.1 Definitionen und Rahmenbedingungen 5.2 Definitionen der Fragen 5.3 Auswertung 5.3.1 Statistische Auswertung 5.3.2 Hypothesenuntersuchung 5.3.3 Freitextanalyse 6 Abschluss 6.1 Zusammenfassung 6.2 Auswertung 6.3 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang
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