Um wie in meinem Fall virtuelle Vegetation in planungsrelevanten Maßstäben interaktiv dar-stellen zu können, sind diese Verfahren somit nicht anwendbar. Hier zeigt sich, dass ich ei-nen anderen Weg verfolgt habe. Der natürliche Eindruck von realer Vegetation und Land-schaft entsteht nur zu einem Teil durch Dinge wie Beleuchtungseindruck und Modellstruk-tur. Den anderen Teil bilden die Vielfalt und Anzahl der unterschiedlichsten Pflanzen. Somit war es mein Ziel, mich dem natürlichen Eindruck von Landschaft zu nähern, indem ich in ers-ter Linie die Menge und Vielfalt realer Vegetation iners-teraktiv mit Hilfe einer 3D-Darstellung nachbilde. Natürlich habe ich dabei auch Aspekte wie die Beleuchtungsinteraktion nicht au-ßer Acht gelassen. Denn gerade im Verbund sehr vieler Pflanzen, der unterschiedlichsten Größenordnungen, spielen zusätzliche Effekte eine Rolle, die bei der Darstellung einzelner Modelle nicht ins Gewicht fallen.
Im Projekt selbst wurde auch der Frage nachgegangen, welche Verantwortung mit dieser Art der Visualisierung verbunden ist. Ziel ist es, beispielsweise gegenüber Entscheidungsträgern und bei Bürgerbefragungen die Möglichkeit zu bieten, mit Hilfe der virtuellen Darstellung realer Szenarien den involvierten Personen eine Entscheidung für oder gegen geplante Vor-haben zu erleichtern. Dabei dürfen die manipulativen Möglichkeiten, die solche fotorealisti-schen Abbildungen bieten, nicht unterschätzt werden. Es ist leicht vorstellbar, dass eine ei n-schneidende bauliche Veränderung eventuell weitaus kritikfreier präsentiert werden kann, wenn die computergenerierte Darstellung den Sachverhalt mit blauem Himmel und strah-lendem Sonnenschein darbietet. Deshalb sind Philip Paar und Jörg Rekittke in ihren Arbeiten [69] und [70] auch der Frage nachgegangen, was eine computergenerierte Darstellung im Anwendungsgebiet der planungsrelevanten Visualisierung kann und darf.
3.5 Antialiasing in der 3D-Computergrafik
Die Darstellung grafischer Sachverhalte erfolgt heutzutage häufig auf Ausgabemedien wie Monitoren und Bildschirmen. Da diese Geräte Bilder mit Hilfe von diskreten Rasterpunkt-masken wiedergeben treten an Kanten häufig sogenannte Treppeneffekte auf. In der Co m-putergrafik spricht man in diesem Zusammenhang von Aliasingeffekten. Diese Abstufungen sind umso störender, je stärker der Kontrast zwischen der Kante und ihrer Umgebung ist. Bei Animationen und bewegten Bildern tritt ferner der Effekt des Kantenflimmerns auf Grund dieser Treppenbildung auf.
Bei der Visualisierung komplexer Vegetationsszenarien treten nun besonders viele Kanten auf. Dabei werden grundsätzlich drei verschiedene Gruppen von Kanten unterschieden. Z u-erst wären die geometrischen Kanten zu nennen. Diese treten, wie der Name schon vermu-ten lässt, bei allen dargestellvermu-ten geometrischen Primitiven auf. Die zweite Gruppe umfasst alle Kanten, die bei der Anzeige von Texturen mit Alphakanal entstehen. Die dritte Gruppe schließt alle Kanten ein, die bei Berechnungen von grafischen Effekten innerhalb der Frag-mentshaderprogramme entstehen können.
Kapitel: Grundlagen 39 3.5 Antialiasing in der 3D-Computergrafik
Um der Treppenstufenbildung wirksam entgegenwirken zu können, bietet sich der Einsatz verschiedener Antialiasingmethoden an. Ansätze wie beispielsweise Filterfunktionen, die auf das ausgegebene Bild angewandt werden (Postprocessing) zählen nicht dazu. Denn ec hte Ansätze zur Vermeidung des Aliasing beziehen zusätzliche Informationen (auf Subpixelebe-ne) während der Bildgenerierung in die Berechnung mit ein. Filteroperationen stehen diese Informationen beim bereits fertig gerenderten Bild nicht mehr zur Verfügung .
Es muss jedoch beachtet werden, dass bei der interaktiven hardwarebeschleunigten Darstel-lung von 3D-Szenarien nur diejenigen Antialiasingansätze verwendet werden können, die entweder schon in der Grafikhardware implementiert sind oder sich effizient implementie-ren lassen. Somit muss ein gutes Verhältnis zwischen Berechnungsaufwand und erreichbarer Bildqualität gefunden werden.
Für die drei Gruppen von Kanten existieren die unterschiedlichsten Ansätze, um die Trep-penstufenbildung wirksam unterbinden zu können. Dabei ist anzumerken, dass für Geomet-riekanten bereits effiziente Ansätze in Form von Multisampling-Algorithmen in der heutigen Grafikhardware implementiert sind. Beim Multisampling werden für sichtbare Geometri e-kanten Puffer angelegt. In diesen Puffern wird jeder Tiefenwert eines Pixels der geometri-schen Kante durch mehrere Subpixel repräsentiert. Es wird also intern mit einer höheren Auflösung als der endgültigen Zielauflösung gearbeitet. Nur wenn die Tiefenabweichungen der einzelnen Subpixel eines Pixels einen bestimmten Schwellenwert erreichen, wird der Durchschnitt der korrespondierenden Farbwerte der Subpixel ermittelt und als Farbwert des Pixels gesetzt. Während beispielsweise beim Supersampling der gesamte Bildraum in einer höheren Auflösung berechnet wird und anschließend ein globales Downsampling auf die Zielauflösung stattfindet, kommen die Subpixel beim Multisampling nur an den Kanten zum Einsatz. Somit ist der Berechnungsaufwand wesentlich geringer und eine effiziente Glättung der Geometriekanten wird trotzdem erreicht.
Abbildung 6: Geometrische Kanten mit Aliasingartefakten und wirksamen Antialiasing mittels Multisampling -Ansatz
Kapitel: Grundlagen
40 3.5 Antialiasing in der 3D-Computergrafik
Die Darstellung von komplizierten Blattstrukturen kann mittels Alphakanal-Texturen sehr effizient realisiert werden. Anstatt ein geometrisch komplexes Blatt zu modellieren, wird einfach ein aus zwei Dreiecken bestehendes Quad dargestellt. Auf dieses Quad wird eine Textur gelegt, die die Form und Farbgebung des Blattes enthält. Die komplexe Form des Blat-tes wird nun einzig und allein dadurch realisiert, dass nur die Teile der Textur sichtbar da r-gestellt werden, die zur Form des Blattes gehören. Die restlichen Teile der Textur werden als komplett durchsichtig markiert und während der Darstellung nicht angezeigt. Der in der Tex-tur abgespeicherte Alphakanal enthält dabei die Information darüber, welche Teile sichtbar und welche unsichtbar sind.
Antialiasing bei diesen texturgebundenen Kanten ist bereits etwas aufwendiger zu realisie-ren. Wie die Beschreibung des Multisampling-Ansatzes bereits vermuten lässt, wirkt sich diese Methode nicht auf Texturkanten aus. Eine Möglichkeit der wirksamen Verminderung von Treppenartefakten bei Texturen wäre das Supersamplingverfahren, da es, wie erwähnt, im gesamten Bildraum wirksam ist. Der entscheidende Nachteil liegt jedoch im relativ gro-ßen Berechnungsaufwand.
Deshalb kommt auch hier eine andere Methode zum Einsatz. Es handelt sich dabei um das sogenannte Alpha-to-Coverage-Sampling (AtoC). Kanten innerhalb von Texturen sind da-durch charakterisiert, dass an ihnen ein Übergang zwischen sichtbaren und nicht sichtbaren Alphawerten stattfindet. Für Pixel, die innerhalb dieses 1-0-Übergangs liegen, werden wie-der mehrere Subpixel angelegt und ausgewertet. Auf Grund wie-der mindestens bilinearen Filte-rung der Farb- und Alphawerte treten neben den Werten 1,0 (komplett sichtbar) und 0,0 (komplett unsichtbar) alle möglichen Alphawerte im Intervall (0,1) auf. Für die Werte der Coverage-Subpixel wird dann ein entsprechendes Ditheringmuster dargestellt. Die verschie-den starke Ausprägung dieses Musters bildet verschie-den Eindruck einer Halbtransparenz nach und realisiert dadurch einen geglätteten Kantenübergang.
Mit Hilfe des AtoC-Samplings kann auch ein anderer negativer Effekt während der Darstel-lung entscheidend abgemildert werden. Bei der Visualisierung naturnaher
Vegetationsszena-Abbildung 7: Aliasingartefakte an Kanten von Alphakanaltexturen und wirksames Antialiasing mittels AtoC-Sampling
Kapitel: Grundlagen 41 3.5 Antialiasing in der 3D-Computergrafik
rien wird eine Vielzahl unterschiedlicher Pflanzen dargestellt. In der Realität reicht das Aufl ö-sungsvermögen des menschlichen Auges aus, um dabei noch kleinste Pflanzenstrukturen in einiger Entfernung wahrnehmen zu können. Die maximale Auflösung heutiger Computer-hardware ist hingegen stark begrenzt. Feine Strukturen wie beispielsweise Billboardappro-ximationen kleiner Pflanzen werden deshalb ab einem gewissen Abstand zum Betrachter nur noch unzureichend oder gar nicht mehr dargestellt. Dieser Sachverhalt ist auf der linken Se i-te der Abbildung 8 zu sehen.
Mittels AtoC-Sampling kann erreicht werden, dass die feinen Detailstrukturen von Texturen auch bei größeren Betrachterabständen länger sichtbar bleiben, da pro Pixel mehrere Cove-rage-Subpixel für die Berechnung des endgültigen Farb- und Sichtbarkeitswertes herangezo-gen werden können. Dieser positive Effekt tritt auf der rechten Seite der Abbildung deutlich hervor.
Um dieses Ergebnis zu erzielen, ist es jedoch notwendig, den in der Grafikhardware imple-mentierten AtoC-Sampling-Ansatz zu erweitern. In Abhängigkeit des Abstandes der Textur zum Betrachter muss der Randbereich, in dem die Samplingmethode arbeiten soll dyna-misch vergrößert oder verkleinert werden. Denn nur so kann gewährleistet werden, dass im Nahbereich der Ditheringbereich nicht zu breit ausfällt und somit störend wirkt. Im Fernbe-reich muss dafür gesorgt werden, dass der DitheringbeFernbe-reich nicht zu schmal gewählt wird und somit Farbinformationen nicht mehr angezeigt werden, die für die homogene Darstel-lung der Vegetation noch entscheidend sind. Meinen Ansatz zur Modifikation des AtoC-Sampling-Ansatzes werde ich im entsprechenden Abschnitt des fünften Kapitels genauer erläutern.
Zur Vermeidung des sogenannten Shaderaliasings sind mitunter komplexe Berechnungen notwendig, deren Funktionalität nicht wie bei anderen Antialiasingansätzen bereits von der Grafikhardware zur Verfügung gestellt wird. Shaderaliasing kann allgemein immer dann auf-treten, wenn Berechnungen auf Pixelfragmentebene durchgeführt werden. Eines der
be-Abbildung 8: Detailverlust von kleinen Strukturen während der Darstellung und Ausgleich mittels AtoC-Sampling
Kapitel: Grundlagen