Sanssouci bei Potsdam, Erhebungsgebiet Entlebuch in der Schweiz, Elmshang bei Königslut-ter).
Zielsetzung 5:
Die grundlegenden Interaktionsarten zwischen Pflanzen und Licht (diffuse und spekulare Reflexion, Fremdbeschattung, Selbstbeschattung, Transluzenz) sollen nachgebildet werden.
Damit der Eindruck natürlicher Vegetation auch beim Betrachten der virtuellen Landschaft entsteht, ist es unumgänglich grundlegende Beleuchtungsphänomene während der Darstel-lung zu berücksichtigen. Dabei wird aufgrund der geforderten Interaktivität und der zu ver-arbeitenden Komplexität auf lokale Beleuchtungsmodelle zurückgegriffen. Neben der diffu-sen und spekularen Reflexion sorgt vor allem der Einsatz von Selbst- und Fremdbeschattung für einen räumlichen und somit natürlich wirkenden Eindruck. Ferner habe ich mich mit der Umsetzung des Transluzenzeffektes beschäftigt. Dieser Effekt, der in erster Linie beim licht-durchlässigen Blattwerk der Pflanzen auftritt, unterstreicht zusätzlich die naturnahe Wirkung während der Darstellung.
Alle gerade aufgeführten Beleuchtungseffekte und -verfahren sind in der Computergrafik bekannt und etabliert. Im Zusammenhang mit der zu bewältigenden Komplexität ergibt sich jedoch die Notwendigkeit neuer Herangehensweisen und die effiziente Verknüpfung mehre-rer Methoden. In meiner Ausarbeitung werde ich diese Verfahren näher erläutern.
Zusammenfassend lässt sich die von mir zu bearbeitende Thematik folgendermaßen be-schreiben: Die zur Visualisierung einer realistischen Landschaft notwendigen Eingangsdaten sind zu analysieren und aufzubereiten. Danach ist die Überführung der Daten in ein eigenes optimiertes Format vorzunehmen. Abschließend muss für die interaktive Darstellung der virtuellen Landschaftsszenen gesorgt werden. Dabei sind die Aspekte natürlicher Beleuch-tungsphänomene zu berücksichtigen.
1.2 Ergebnisse
Auch die Ergebnisse meiner Arbeit lassen sich in die beiden bereits angesprochenen Haupt-gebiete unterteilen. Das erste Gebiet umfasst die Bereiche der Aufbereitung, Handhabung und Verwaltung aller relevanten Eingangsdaten. Dabei ist es mir gelungen, eine Methode zu entwickeln, die komplexe Mengen an diskreten Einzelpositionsdaten (in der Größenordnung von mehreren hundert Millionen Positionen) in eine speicherplatzeffiziente Präsentation überführt. Bei dieser Präsentation handelt es sich um gekachelte Punktverteilungen mit Poisson-Disk und Blue-Noise-Charakteristik (siehe Begriffserklärung 3.6.2). Durch den Einsatz von Laufindizes und bitkodierten Indexvektoren ergibt sich die Möglichkeit, jede einzelne Pflanzenposition mit maximal einem einzigen Bit zu kodieren. Der Abbildungsfehler zwischen
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12 1.2 Ergebnisse
den Positionsdaten der Ausgangspunktmenge und den Positionen der daraus abgeleiteten gekachelten Punktmenge beträgt dabei maximal 3 Zentimeter.
Das zweite Gebiet umfasst den Bereich der interaktiven Darstellung aller aufbereiteten D a-ten. Ein Großteil meiner Arbeit beschäftigt sich auch hier mit den Problemen der Komplexi-tätsreduktion während des Darstellungsprozesses. Eine Hauptaufgabe liegt in der Approxi-mation der Geometrie durch andere geeignete Darstellungsformen. Das wichtigste Kriterium ist die Möglichkeit des dynamischen homogenen Übergangs zwischen den einzelnen Formen der Darstellung. Dazu befasste ich mich mit der Erstellung von hierarchischen Billboardstruk-turen auf der Basis von Clusteralgorithmen.
Außerdem ging ich der Frage nach, welche Möglichkeiten hybride Darstellungsformen bi e-ten. Dabei werden ursprüngliche Modellgeometrie und verschiedene Approximationen in einem neuen Modell vereint. Der zentrale Schwerpunkt lag auf der automatischen/halbauto-matischen Konvertierung der Ausgangsmodelldaten in die approximierten Zieldaten.
Ein weiterer wichtiger Punkt war die Umsetzung der dynamischen Überblendung zwischen den einzelnen Darstellungsformen. In erster Linie ist damit der Übergang von Modellgeo-metrie über Mischformen von GeoModellgeo-metrie- und Billboarddarstellung hin zu vereinfachten Billboardstrukturen gemeint.
Abbildung 1: Impression einer Beispielszene mit ca. 22 Millionen diskreten Pflanzenpositionen
Kapitel: Einleitung 13 1.2 Ergebnisse
Außerdem entwickelte ich eine Methode für die automatische Generierung von Punktwol-ken zur Approximation großflächiger Vegetationsverteilungen. Diese PunktwolPunktwol-ken kommen während der Darstellung in Bereichen mit großem Betrachterabstand zum Einsatz. Dabei enthalten die Punktmengen automatisch errechnete Displacement-, Dichte- und Farbinfor-mationen der zugrunde liegenden Vegetation. Diese InforFarbinfor-mationen werden aus vorher er-stellten Vegetationstexturen ermittelt.
Ein weiterer Eckpfeiler meiner Arbeit auf dem Gebiet der komplexen Vegetationsdarstellung war die Suche nach Methoden zur Nachahmung natürlicher globaler Beleuchtungseffekte im Fokus einer effizienten Einbindung entsprechende r Algorithmen in das Gesamtsystem. Im Einzelnen setzte ich mich mit der Frage der Darstellung von lokaler und globaler Beschattung bei Pflanzenszenarien und der Nachbildung des Effektes der Transluzenz bei virtueller Veg e-tation auseinander. Ich möchte betonen, dass bei diesen beiden Themengebieten keine Si-mulation der zugrunde liegenden physikalischen/biologischen Prozesse angestrebt wurde.
Die Forderung nach einer interaktiven Darstellung komplexer Vegetationsszenarien schließt die genaue Nachbildung dieser Prozesse zum heutigen Zeitpunkt aus. Vielmehr beschäftigte ich mich mit der Suche nach effizienten Methoden, um den visuellen Eindruck dieser Effekte so gut wie möglich nachzuahmen, ohne dabei auf komplexe ressourcenintensive Simulati-onsmodelle zurückgreifen zu müssen.
Abbildung 2: Nahansicht der Beispielszene, Effekte der Selbst-/Fremdbeschattung und Transluzenz
Kapitel: Einleitung
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Die Ergebnisse meiner Arbeit habe ich in folgenden Beiträgen veröffentlicht.
[1] O. Deussen, C. Colditz, M. Stamminger, G. Drettakis:
Interactive Visualization of Complex Plant Ecosystems
Proceedings of the IEEE Visualization Conference 2002, S. 219-226 [2] S. Hiller, C. Colditz, O. Deussen:
Spezifikation und Echtzeitvisualisierung von Vegetation und Landschaften Proceedings der Tagung Simulation und Visualisierung 2003, S. 115-128 [3] C. Colditz:
Methoden zur Nachbildung natürlicher Beleuchtungseffekte bei der Echtzeitdarstellung von Pflanzenpopulationen
Proceedings der Tagung Virtuelle und Erweiterte Realität 2004, S. 127-136 [4] C. Colditz, L. Coconu, O. Deussen, H. Hege:
Real-time Rendering of Complex Photorealistic Landscapes Using Hybrid Level-of-Detail Approaches
Proceedings of the 6th International Conference for Information Technologies in Landscape Architecture 2005, S. 97-106
[5] L. Coconu, C.Colditz, H. Hege, O. Deussen:
Seamless Integration of Stylized Renditions in Computer-Generated Landscape Visu-alization
Proceedings of the 6th International Conference for Information Technologies in Landscape Architecture 2005, S. 88-96
[6] S. Behrendt, C. Colditz, O. Franzke, J. Kopf, O Deussen:
Realistic real-time rendering of landscapes using billboard clouds Proceedings of the Eurographics 2005, S. 507-516
[7] O. Deussen, C. Colditz, L. Coconu, H. Hege:
Efficient modeling and rendering of landscapes
I. Bishpo and E. Lange (eds.): Visualization in Landscape and Environmental Planning, Spoon Press, London, 2005, S. 56-61
[8] A. Dietrich, C. Colditz, O. Deussen, P. Slusallek:
Realistic and Interactive Visualization of High-Density Plant Ecosystems
Proceedings of the Eurographics Workshop on Natural Phenomena 2005, S. 73-81
Kapitel: Einleitung
Proceedings der Tagung 9. Workshop Sichtsysteme - Visualisierung in der Simula-tionstechnik 2005, S. 87-91
[10] C. Colditz, S. Hiller:
Effiziente Repräsentation von Pflanzenpositionsdaten variabler Dichte Proceedings der Tagung Simulation und Visualisierung 2006, S. 129-142 [11] T. Luft, C. Colditz, O. Deussen:
Image Enhancement by Unsharp Masking the Depth Buffer Proceedings of ACM SIGGRAPH 2006, S. 1206-1213