Kapitel: Einleitung
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Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades des Doktors der Ingenieurwissenschaften
Dr. ing.
an der Universität Konstanz
Fachbereich Informatik und Informationswissenschaft en vorgelegt von Carsten Colditz
Tag der mündlichen Prüfung: 13.12.2007
Referent: Prof. Dr. Oliver Deussen Referent: Prof. Dr. Marcel Waldvogel
Aufbereitung, Handhabung und Darstellung komplexer Daten auf dem Gebiet der interaktiven Landschaftsvisualisierung
Konstanzer Online-Publikations-System (KOPS) URL: http://www.ub.uni-konstanz.de/kops/volltexte/2007/4501/
URN: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:352-opus-45013
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Aufbereitung, Handhabung und Darstellung komplexer Daten auf dem Gebiet der interak- tiven Landschaftsvisualisierung
Dissertation von Carsten Colditz, Universität Konstanz
Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Aufbereitung, Handhabung und Darstellung komplexer Daten auf dem Gebiet der interaktiven Landschaftsvisualisierung. Dabei werden interdisziplinär Ansätze und Anforderungen aus den Bereichen Pflanzenbiologie, Geoinfor- mationswissenschaften und Informatik miteinander verknüpft. Ein Großteil der Arbeit be- fasst sich eingehender mit Forschungsansätzen und Methoden aus dem Umfeld der interak- tiven 3D-Computergrafik.
Anhand einer existierenden Problemstellung, der naturnahen und interaktiven Visualisierung komplexer realdatenbezogener Vegetations- und Geodaten, bestand meine Aufgabe darin, mich methodisch und analytisch mit bestehenden Ansätzen auseinanderzusetzen und neue Herangehensweisen und Methoden zu entwickeln, um die weitreichenden Anforderungen der Aufgabenstellung realisieren zu können.
Mein wissenschaftlicher Beitrag besteht in der Verbindung zwischen der Bearbeitung aktuel- ler Fragestellungen und Probleme im Bereich Informatik und 3D-Computergrafik und deren effiziente Verknüpfung unter praxisrelevanten Gesichtspunkten.
Im Einzelnen habe ich mich mit folgenden Teilproblemen auseinandergesetzt:
Laufzeiteffiziente Quantisierung von komplexen naturnahen Pflanzenverteilungsda- ten mittels Dichte-progressiven gekachelten Punktmengen (Blue-Noise/Poisson-Disk- Charakteristik), unter Einhaltung pflanzenbiologisch motivierter Fehlerschranken (minimaler Abstand, Variabilität, natürliche Verteilungsstruktur)
Hierarchische Sortierung erzeugter Pflanzenmodellgeometrie unter dem Gesichts- punkt der visuellen Wichtigkeit
Generierung angepasster Billboardrepräsentationen der Pflanzenobjekte unter Ein- beziehung der hierarchischen Grundstruktur der geometrischen Modelle
Kopplung bestehender Methoden zur Aufbereitung und Darstellung von Geländeda- ten mit der effizienten Positionierung komplexer Vegetationsverteilungen während der Darstellung
Entwicklung von Methoden zur effizienten Nachbildung natürlicher globaler Beleuch- tungseffekte ohne Einsatz komplexer Simulationsmodelle
Einsatz formaler mathematischer Ansätze zur Reduktion von Aliasingartefakten wä h- rend der Echtzeitdarstellung von Shadowmaps in 3D-Szenarien
Verbesserung der Detailwahrnehmung bei komplexen Vegetationsszenarien
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Inhaltsverzeichnis
Einleitung ... 7
1.1 Zielsetzung ... 8
1.2 Ergebnisse ... 11
1.3 Gliederung ... 15
Vorangegangene Arbeiten ... 17
2.1 Darstellung von Geländedaten ... 17
2.2 Geometrieapproximation von Pflanzenmodellen ... 19
2.3 Generierung/Verwaltung von Pflanzenverteilungsdaten ... 22
2.4 Natürliche Beleuchtungsphänomene... 24
2.5 Samplingstrategien komplexer geometrischer Szenarien ... 26
Grundlagen... 29
3.1 Eingangsdaten ... 30
3.2 Notwendigkeit diskreter Einzelpositionsdaten ... 32
3.3 Komplexitätsbetrachtung ... 34
3.4 Fotorealismus virtueller Landschaften ... 36
3.5 Antialiasing in der 3D-Computergrafik ... 38
3.6 Begriffserklärung und Erläuterungen ... 42
3.6.1 Impostors, Billboards ... 42
3.6.2 Poisson-Disk/Blue-Noise-Charakteristik, Lloydsche Methode ... 43
3.6.3 BRDF, BTDF... 45
3.6.4 k-means-Clustering, Isodata-Algorithmus ... 46
Aufbereitung und Verarbeitung der Daten... 47
4.1 Geländedaten ... 47
4.2 Modelldaten ... 49
4.2.1 Hierarchische Modellgeometrie ... 49
4.2.2 Hierarchische Modellapproximation ... 50
4.2.3 Progressive Approximation von Modellinstanzen... 58
4.3 Einzelpositionsdaten ... 64
4.3.1 Umsetzung am Beispiel von SpeedTreeTM ... 65
4.3.2 Umsetzung am Beispiel von BitTrees ... 66
4.3.3 Quantisierung mittels Blue-Noise-Punktmengen ... 67
4.3.4 Vektorquantisierte Pflanzenpositionsdaten ... 70
4.3.5 Skalarquantisierte Kachelpositionsdaten ... 71
vi
4.3.6 Festkomma-Quantisierung und Look-Up-Tabellen... 72
Darstellung der Daten ... 75
5.1 Geländedaten ... 76
5.2 Modelldaten ... 79
5.3 Natürliche Beleuchtungsphänomene... 83
5.3.1 Angepasstes Phong-Beleuchtungsmodell... 84
5.3.2 Selbst- und Fremdbeschattung mittels Shadowmapping ... 86
5.3.3 Lichttransmission bei Blättern (Transluzenz) ... 88
5.4 Samplingstrategien komplexer geometrischer Szenarien ... 92
5.4.1 Hervorhebung von Details mittels angepasstem AtoC-Sampling ... 93
5.4.2 Wirksames Shaderantialiasing beim Einsatz von Shadowmaps... 94
Weiterführende Themen ... 99
6.1 Darstellung auf Mehrkanal-Projektionssystemen ... 99
6.2 Verbesserte Detailwahrnehmung komplexer Szenarien ...101
Galerie ...105
Literaturverzeichnis...111
Kapitel: Einleitung 7
Kapitel 1
Einleitung
Bei der Darstellung computergenerierter Landschaften nach dem Vorbild der Natur handelt es sich um ein interdisziplinäres Gebiet der aktuellen Forschung. Neben Aspekten der Infor- matik, wie zum Beispiel der Verarbeitung/Verwaltung der anfallenden Daten und der co m- putergrafischen Umsetzung der Visualisierung spielen Einflüsse aus der Pflanzenbiologie und der planungsbezogenen Geoinformationswissenschaft eine Rolle.
Die interaktive Darstellung der virtuellen Landschaften auf dem Monitor stellt dabei jedoch nur den letzten Schritt einer ganzen Reihe von notwendigen Prozessen dar, mit denen ich mich im Laufe meiner Arbeit befasst habe. Grundlegend lässt sich die gesamte Thematik in drei große Teilbereiche gliedern.
Zuerst wäre der Themenkomplex der Datengewinnung zu nennen. Grundsätzlich ist dabei zwischen Rasterdaten, Geometriedaten und Metadaten zu unterscheiden. Zu den Rasterda- ten gehören neben Satellitenbildern und Luftbildaufnahmen auch Höhenfelddaten der Land- schaft. Bei den Geometriedaten handelt es sich in erster Linie um Modelldaten sowohl von Pflanzen als auch von künstlichen Objekten (Häuser, Gebäude etc.). Metadaten decken ein weites Feld ab, welches von Positionsdaten und Vegetationsverteilungen über topografische Standortdaten bis hin zu Referenz- und Biotoptypkartierungen reicht.
Das zweite Themengebiet umfasst alle Fragestellungen der Datenaufbereitung/-verwaltung.
Bei der Visualisierung aufwendiger naturbezogener Landschaften spielt die quantitative Komplexität eine entscheidende Rolle. Um Vegetation glaubhaft darstellen zu können sind bereits auf einer Fläche von einem Quadratkilometer weit über 200 Millionen Pflanzenpos i- tionen notwendig. Allein schon die Aufbereitung und Verwaltung dieser Menge an Positi- onsdaten erfordert laufzeitoptimierte und speicherplatzsparende Methoden, um am Ende eine interaktive Darstellung zu ermöglichen.
Der letzte und aus Sicht der Computergrafik vordergründigste Themenkomplex umfasst alle Aspekte der Darstellung der für die Landschaftsvisualisierung notwendigen Daten. Ähnli ch wie bei der Datenaufbereitung und -verwaltung nimmt hierbei die Fragestellung der Kom- plexitätsreduktion eine zentrale Rolle ein. Ein wichtiger Eckpunkt ist die Forderung, dass eine Reduktion der Komplexität während de r Darstellung so weit wie möglich unsichtbar für den Betrachter stattzufinden hat, um den Eindruck der Natürlichkeit des Gezeigten zu erhalten.
Um dieser Forderung Rechnung tragen zu können, rückte der Einsatz von vielschichtigen aufeinander abgestimmten Level-of-Detail-Ansätzen in den Vordergrund meiner Betrach- tung. Weiterhin spielen Fragestellungen eine Rolle, die sich mit der glaubhaften visuellen Darstellung von Pflanzen und vegetationsbezogenen Beleuchtungseffekten beschäftigen. Zu
Kapitel: Einleitung
8 1.1 Zielsetzung
nennen wären dabei vor allem Aspekte der globalen und lokalen Beschattung sowie der Ef- fekt der Transluzenz (Lichttransmission). Weiterführend ergeben sich im Rahmen der The- matik mehrere interessante Fragestellungen, von denen ich einige wenige auch während meiner Arbeit näher erörtert habe.
1.1 Zielsetzung
Die Zielsetzungen meiner Arbeit lassen sich am besten durch die Abgrenzung zu verwandten, ähnlich gelagerten Themen motivieren. Computergenerierte Landschaften und die interakti- ve Darstellung komplexer Vegetation gewinnen heutzutage sowohl in der Forschung als auch auf kommerziellem Gebiet immer mehr an Bedeutung. Die bekanntesten Vertreter sind Si- mulatoren und 3D-Computerspiele.
Bei Simulatoren (Fahr- und Flugsimulatoren) sowohl im zivilen als auch im militärischen Be- reich spielen Faktoren wie hohe/konstante Bildwiederholraten und georeferenzierte Darstel- lung weiträumiger Gebiete eine wichtige Rolle. Außerdem fällt der Verarbeitung und Ei n- blendung der unterschiedlichsten Metadaten eine besondere Bedeutung zu. Die exakte Da r- stellung vielfältiger Vegetation spielt hierbei eher eine untergeordnete Rolle. Außerdem be- ziehen sich große Teile der Simulatorforschung auf die Anwendbarkeit bezüglich spezieller dedizierter Simulatorhardware und Software. Damit die Ergebnisse der Arbeit möglichst weitgestreut genutzt werden können, bestand eine Prämisse meiner Arbeit darin, nur han- delsübliche PC-Technik zu verwenden.
Weitere Anwendungen, bei denen heutzutage die glaubhafte Darstellung künstlicher Land- schaften einen wichtigen Eckpfeiler bildet, sind die Computerspiele. Bei diesen stehen pri- mär dramaturgische und designtechnische Überlegungen bei der Gestaltung der Landscha f- ten im Vordergrund. Die Produzenten wollen durch die Art und Weise, wie sie Landschaft innerhalb der Spiele gestalten, das Geschehen voranbringen, einen Spannungsbogen auf- bauen oder in strategischen Szenarien taktische Überlegungen und Herangehensweisen beim Spieler fördern. Die damit einhergehenden gestaltungstechnischen Prinzipien bieten auf der einen Seite größtmögliche Freiheiten bezüglich des Designs, auf der anderen Seite aber auch alle Freiheiten bezüglich der technischen Umsetzung. Diese Art der Herangehens- weise war jedoch nicht Gegenstand meiner Arbeit. Bei meiner Umsetzung ging es um eine qualitativ und quantitativ hochwertige Wiedergabe planungsrelevanter Realdaten. Dabei sollte der Spielraum für Interpretationen bezüglich der Darstellung der Szenarien im Gegen- satz zu Computerspielen so gering wie möglich gehalten werden.
Im Rahmen des durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderte n Projektes Lenné3D setzte ich mich fachübergreifend mit den Fragen der Aufbereitung, Verwaltung und Darstellung landschaftsbezogener Realdaten auseinander. Die Zusammenarbeit bestand dabei mit Kooperationspartnern aus dem Leibnitz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung
Kapitel: Einleitung 9 1.1 Zielsetzung
(ZALF) in Müncheberg, dem Hasso-Plattner-Institut (HPI) in Potsdam und dem Konrad-Zuse- Zentrum für Informationstechnik (ZIB) in Berlin.
Ziel des Projektes war die digitale Umsetzung und interaktive Darstellung realdatenbezog e- ner Planungsszenarien aus den Bereichen Landschafts- und Städteplanung sowie Agrar- und Landschaftsbiologie. Die Motivation für dieses Projekt leitete sich direkt aus einer lange be- kannten Planungsproblematik ab. Fachvertraute Experten greifen in der Planungsphase auf abstrakte für sie gut verständliche Pläne zurück. Im Bereich der Landschafts - und Städtepla- nung handelt es sich dabei in erster Linie um zweidimensionales Kartenmaterial. Den zu- ständigen Entscheidungsträgern und weiteren fachfremden Personen (Stichwort: Bürgerbe- fragung/Bürgerbeteiligung) sind die Daten des abstrakten Kartenmaterials und die daraus resultierenden Konsequenzen auf diesem Wege schwer zu vermitteln. An dieser Stelle kam die Überlegung ins Spiel, mit welcher Form der Darstellung jeder Mensch innerhalb des Kon- textes vertraut ist, gleichgültig, ob er über Expertenwissen verfügt oder nicht. Die unserer Meinung nach beste Lösung bietet die dreidimensionale, interaktive Darstellung der aufbe- reiteten Planungsdaten aus der Perspektive eines virtuellen Spaziergängers. Diese Ansicht besitzt auf der einen Seite einen hohen Vertrautheitsgrad, stellt auf der anderen Seite aber besonders hohe Anforderungen an die Qualität und Quantität der Darstellung. Schließlich soll dem Betrachter glaubhaft vermittelt werden, dass er anhand der Visualisierung eines planungsrelevanten Ist- und Soll-Zustandes die Möglichkeit erhält, eine nahezu 1:1-Vorschau des realen Ergebnisses präsentiert zu bekommen.
Aus Sicht der Informatik und speziell aus Sicht der Computergrafik ergeben sich mehrere interessante Fragestellungen und Teilprobleme, die im Fokus einer solchen Gesamtaufgabe bisher noch nicht bearbeitet wurden. Im Folgenden möchte ich einige Zielsetzungen und damit verbundene Problemstellungen aus Sicht der Informatik/Computerg rafik nennen und näher erläutern.
Zielsetzung 1:
Anhand der Form, Größe und Farbgebung sollen die verwendeten Pflanzenmodelle klar den realen Pflanzenarten zugeordnet werden können.
Die natürliche Wirkung computergenerierter Pflanzen hängt zu einem Großteil von der Komplexität der verwendeten Modelle ab. Damit soll erreicht werden, dass der Detailgrad jedes einzelnen Pflanzenmodells so hoch gewählt wird, dass es von einem fachkundigen B e- trachter in der Nahdistanz einwandfrei als naturgetreues/naturnahes Abbild der zugehörigen Pflanzenart identifiziert werden kann. Ab einer gewissen Anzahl verschiedener Modelle und entsprechender zugehöriger Modellinstanzen rücken sofort Fragen bezüglich des Speicher- verbrauchs und der Darstellungsgeschwindigkeit der anfallenden Geometrie in den Vorder- grund. Möglichkeiten der Problemlösung sind hierbei vor allem auf den Gebieten der geo- metriebezogenen Level-of-Detail-Ansätze und der Modellapproximation durch Billboardbe- schreibungen (siehe Begriffserklärung 3.6.1) zu suchen.
Kapitel: Einleitung
10 1.1 Zielsetzung
Zielsetzung 2:
Für die bestmögliche Wahrnehmung der virtuellen Vegetation wird die Betrachtungs - perspektive aus der Sicht eines imaginären Spaziergängers gewählt. Die Darstellung soll den Eindruck eines homogenen und natürlichen Landschaftsbildes vom Betrachterstandpunkt bis hin zur Sichtgrenze (Horizont) gewährleisten.
Diese Sicht auf die uns umgebende Natur ist jedem Menschen geläufig und vertraut. Somit wird erreicht, dass eine mögliche Hemmschwelle bei der Akzeptanz des Gesehenen so gering wie möglich ausfällt. Diese Perspektive stellt jedoch besonders hohe Anforderungen an die gebotene Komplexität der dargestellten Modellgeometrie besonders im unmittelbaren Na h- bereich und an die weiche Überblendung zwischen verschiedenen Stufen der verwendeten Modellapproximationen. Die notwendigen Reduktionen der Komplexität im Stand und in der Bewegung sollen für den Benutzer so weit wie möglich unsichtbar bleiben.
Zielsetzung 3:
Der mittlere Fehler zwischen den Positionsdaten der Eingangsdatensätze und den Positions- daten der konvertierten Datensätze soll bei maximal 3 bis 5 Zentimetern liegen.
Da es sich bei den darzustellenden Szenen um planungsrelevante Szenarien handelt, wird ein Mindestmaß an Exaktheit bei der Wiedergabe der Ausgangsdaten gefordert. Es ist leicht vor- stellbar, dass prinzipiell bei der Darstellung eines Getreidefeldes der genaue Standort jedes einzelnen Halmes von untergeordneter Bedeutung ist, solang der Reihenabstand korrekt ist.
Bei der Anlage eines Gartens oder einer Parkanlage ist es jedoch unumgänglich, dass bei- spielsweise Rabatten und genau spezifizierte Pflanzareale auch in der virtuellen Darstellung möglichst exakt platziert werden. Es ist deshalb wichtig, einen Ansatz zu wählen, der einer- seits schnell gute Ergebnisse liefert, wenn die Genauigkeit der wiedergegebenen Pflanzen- positionen eine untergeordnete Rolle spielt. Andererseits muss aber die Möglichkeit geboten werden, Positionen mit einem minimalen Fehler abbilden zu können, falls es das Planung s- szenario erfordert. Dieses geforderte Merkmal des Ansatzes wirkt sich direkt auf die zu er- wartende Komplexität der Gesamtszene aus. Lösungsansätze für diese Zielsetzungen finden sich im Bereich von gekachelten hierarchischen Punktmengen, welche Mindestabstandskri- terien und ebenmäßige, aber nicht regelmäßige Verteilungsstrukturen aufweisen.
Zielsetzung 4:
Die zu erreichende Größe des darzustellenden Gebietes soll bei mindestens einem Quadra t- kilometer liegen.
Um reale planungsrelevante Szenarien bearbeiten zu können muss die Ausdehnung des handhabbaren und darstellbaren Areals ein gewisses Mindestmaß erreichen. Diese Festl e- gung beruhte auf der Größe von realen Planungsszenarien, die während der Projektlaufzeit zu Test- und Validierungszwecken abgearbeitet wurden (italienisches Kulturstück im Park
Kapitel: Einleitung 11 1.2 Ergebnisse
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
Kapitel: Einleitung
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 Geometrie- 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 Punktwolken 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 Informationen 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
14 1.2 Ergebnisse
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 15 1.3 Gliederung
[9] C. Colditz, O. Deussen:
Interaktive Darstellung realistischer Landschaftsszenarien auf Mehrkanal- Projektionssystemen
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
1.3 Gliederung
Die vorliegende Arbeit gliedert sich in folgende Teilbereiche: Nach der Diskussion vorange- gangener Arbeiten beginne ich im Grundlagenkapitel mit einer näheren Erläuterung der Her- kunft der Ausgangsdaten und nehme anschließend eine Spezifikation dieser Daten vor. Da- nach gehe ich auf die Notwendigkeit der Nutzung diskreter Einzelpositionsdaten ein. Dabei lege ich Gründe für den Einsatz von Einzelpositionen dar und zeige die sich daraus ergeben- den Probleme kurz auf. Meine Lösungsansätze für diese Problemstellungen werde ich dann Schritt für Schritt in den nachfolgenden Kapiteln vorstellen. Es folgen Abschnitte über die Aufbereitung und Konvertierung der Ausgangsdaten und die anschließende Handhabung und Verwaltung der konvertierten Daten.
Im nächsten Kapitel befasse ich mich mit den Fragen und Problemen auf dem Gebiet der Darstellung der Daten. Zuerst gehe ich auf den Aspekt der Geländedarstellung ein. Danach zeige ich die Verbindung zwischen den Geländedaten und den Objektdaten zum Zeitpunkt der Darstellung auf. Das Bindeglied stellen dabei die 2D Positionsdaten dar, die während der Darstellung auf die 3D Geländedaten übertragen werden müssen.
Daran anschließend beschäftige ich mich mit verschiedenen Modellrepräsentationen unter dem Gesichtspunkt der Komplexitätsreduktion. Im Einzelnen gehe ich näher auf Billboard- repräsentationen (einfache Billboards, geclusterte Billboards, hybride Formen) und Punkt- wolken ein. Danach setze ich mich mit der Umschaltung/Überblendung zwischen den einzel- nen Repräsentationsformen der Modelle während der Darstellung auseinander. Dazu erläu- tere ich die von mir eingesetzten dynamischen Level-of-Detail-Verfahren, die auf mehreren Ebenen gleichzeitig während der Darstellung aktiv sind.
Kapitel: Einleitung
16 1.3 Gliederung
Im Anschluss gehe ich auf die von mir betrachteten Beleuchtungseffekte ein. Im Einzelnen habe ich mich mit der Fragestellung der kombinierten Eigen- und Fremdbeschattung und dem Effekt der Transluzenz auseinandergesetzt.
Außerdem erörtere ich Ansätze, die die Möglichkeit bieten, Aliasingartefakte in komplexen geometrischen Szenarien mit angepassten Samplingstrategien zu vermeiden.
Zum Abschluss beleuchte ich noch einige weiterführende Themen. Zum einen geht es dabei um die Möglichkeiten der Landschaftsdarstellung mittels paralleler Ausgabe auf Mehrkanal- projektionssystemen. Zum anderen geht es um Möglichkeiten zur Wahrnehmungs - verbesserung von Details in komplexen Szenarien.
Kapitel: Vorangegangene Arbeiten 17
Kapitel 2
Vorangegangene Arbeiten
Zahlreiche Veröffentlichungen beschäftigen sich mit Fragestellungen rund um die For- schungsthematik der Darstellung virtueller Vegetation und Landschaften. Dabei haben sich einige thematische Schwerpunkte herauskristallisiert. Zu nennen wären unter anderem die Gebiete Darstellung von Geländedaten, Geometrieapproximationen von Pflanzenmodellen, Generierung und Verwaltung von Pflanzenverteilungsdaten, natürliche Beleuchtungsphä- nomene und Samplingstrategien für komplexe geometrische Szenarien.
In meiner Arbeit habe ich mich mit unterschiedlichen Fragestellungen aus allen genannten Themenschwerpunkten befasst. Dabei war es mir wichtig zu untersuchen, ob und wie dieje- nigen Methoden und Verfahren, die für einen der aufgeführten Teilbereiche konzipiert wur- den, im Zusammenspiel mit anderen Ansätzen unter dem Gesichtspunkt der Gesamtproble- matik funktionieren.
In vielen Fällen lassen sich die einzelnen Lösungsansätze nicht kombinieren. Dies erforderte die Suche nach alternativen Verfahren und Methoden, um ein effizientes Zusammenspiel aller Teilkomponenten gewährleisten zu können. Ich werde bereits existierende Ansätze vor- stellen und motivieren, welche Schwächen und Nachteile diese aus meiner Sicht aufweisen.
Entsprechende Lösungsansätze werde ich dann in den folgenden Kapiteln darlegen und er- läutern.
Die Auseinandersetzung mit den methodischen Grundlagen der Gesamtthematik stellte je- doch nur einen Teil meiner Arbeit dar. Darüber hinaus setzte ich mich auch mit den Anforde- rungen auseinander, die eine praktische Umsetzung der einzelnen theoretischen Modelle mit sich bringt.
2.1 Darstellung von Geländedaten
Bei der realdatenbezogenen Darstellung von Geländemodellen dienen in erster Linie Höhen- felddaten als Ausgangsmaterial. Diese liegen als diskrete Rasterpunktmenge in regelmäßiger Gitterstrukturanordnung vor. In einem ersten Schritt steht die Generierung von Dreiecksnet- zen auf der Basis dieser Ausgangsdaten im Vordergrund. Anschließend soll die entstandene Geometrie interaktiv dargestellt werden.
In einem naiven Ansatz würden jeweils vier benachbarte Punkte der Rasterdatenmenge mit Hilfe zweier Dreiecke verbunden werden. Diese Überlegung ist aus zweierlei Gesichtspunk- ten höchst ineffizient. Erstens bezieht dieser Ansatz keinerlei zusätzliche Informationen der
Kapitel: Vorangegangene Arbeiten
18 2.1 Darstellung von Geländedaten
Ausgangsdatenmenge in die Betrachtung mit ein. Dies führt dazu, dass für großflächige Ge- ländeabschnitte mit geringen Höhenschwankungen genauso viele Dreiecke generiert wer- den, wie für Teilbereiche mit starken Höhendifferenzen. Zweitens bietet dieser Ansatz keine Möglichkeit, die geometrische Komplexität während der Darstellung adaptiv in Abhängigkeit von der Entfernung zum Betrachter anzupassen.
Weiterhin muss der Umstand in Betracht gezogen werden, dass die Ausgangsdatenmenge derart komplex ist, dass ein daraus generiertes geometrisches Geländemodell nicht mehr komplett im Hauptspeicher des Computers verwaltet werden kann (sogenannte Out-of- Core-Daten). Diese Tatsache kann natürlich auch für die zusätzlichen Texturdaten gelten, die während der Darstellung des Geländes über die geometrische Struktur gelegt werden.
Es kristallisieren sich somit drei Aufgabenbereiche heraus, die methodisch zu lösen sind. Zum einen soll bei der Generierung der Geometrie nur eine minimale Menge an notwendigen Dreiecken zum Einsatz kommen. Dann müssen Ansätze gefunden werden, die dafür sorgen, dass die so entstandenen Dreiecksnetze auch dann dargestellt werden können, wenn sie auf Grund der Komplexität nicht komplett im Hauptspeicher abgelegt werden können. Zuletzt soll sich die dargestellte Komplexität des Geländemodells adaptiv an die aktuelle Entfernung des Terrainabschnitts zum Betrachter anpassen.
Es existieren inzwischen mehrere grundlegende Arbeiten, die s ich mit der Thematik der adaptiven Reduktion der Dreiecksdatenmenge während des Darstellungsprozesses beschä f- tigen. Dabei werden zur Laufzeit Berechnungen durchgeführt, welche den gewünschten Le- vel-of-Detail-Grad (LoD) bestimmen und somit die maximale Anzahl der für die Darstellung benötigten Dreiecke ermitteln. Dabei werden sogenannte Quadtree-Strukturen oder binäre Dreiecksbäume eingesetzt. Neben den beiden Arbeiten von Durchaineau et al. [12] und Lindstrom et al. [13] wäre auch die Arbeit von Röttger et al. [14] zu nennen, die entspre- chende Ansätze darlegen.
Eine Methode für allgemeine Flächen benutzt sogenannte Progressive Meshes. Die Arbeit von H. Hoppe [15] beschäftigt sich dabei allgemein mit der adaptiven Geometriereduktion bei beliebigen Dreiecksnetzen. Dieser Ansatz lässt sich natürlich auch auf mit Hilfe von Hö- henfelddaten generierten Dreiecksstrukturen übertragen.
Während meiner Arbeit entwickelte ich an dieser Stelle keinen eigenen Ansatz, sondern verwendete die Methoden von T. Ulrich [16]. Seine Implementierungsstrategien vereinen mehrere Vorteile. Das geometrische LoD-System lässt sich nahtlos mit dem LoD-System der Texturen verbinden. Mittels sogenanntem Vertex Morphing wird sichergestellt, dass wä h- rend der Darstellung weich zwischen den einzelnen geometrischen Detailstufen umgescha l- tet werden kann. Das gesamte Konzept lässt sich leicht in eine Out-of-Core-Implementierung einbinden und das System arbeitet sehr ressourceneffizient. Die grundlegende Methodik dieses Ansatzes lege ich in den Abschnitten 4.1 und 5.1 genauer dar.
Kapitel: Vorangegangene Arbeiten 19 2.2 Geometrieapproximation von Pflanzenmodellen
Allen Arbeiten zur effizienten Darstellung von Geländemodellen auf Basis von Höhenfeldda- ten ist gemein, dass sie sich nur auf die optimierte Anzeige des geometrischen Terrainmo- dells konzentrieren. Bei meiner Arbeit stellt das dreidimensionale Gelände jedoch nur die Basis für die Darstellung komplexer virtueller Vegetation dar. Es muss also gewährleistet werden, dass jedes Pflanzenmodell in der korrekten Höhe auf dem Terrain platziert wird. In den Abschnitten 3.2 und 5.1 werde ich erläutern, wieso die Notwendigkeit besteht, dass alle Pflanzenpositionsdaten vor dem Zeitpunkt der Darstellung noch keine Höheninformation enthalten. Anschließend werde ich darauf eingehen, wie diese exakten Höhenkoordinaten während der Laufzeit des Darstellungsprozesses effizient berechnet werden können.
2.2 Geometrieapproximation von Pflanzenmodellen
Bei der Darstellung von Pflanzenmodellen gelten im Grunde die gleichen Überlegungen wie bei den Geländemodellen. Es stellt sich primär die Frage, wie die geometrische Komplexität während des Darstellungsprozesses grundsätzlich oder adaptiv in Abhängigkeit zum Betrach- terstandpunkt reduziert werden kann.
Innerhalb der Computergrafik lässt sich über die Jahre eine interessante und rasante Ent- wicklung in Bezug auf die interaktive Darstellung von Pflanzen und virtueller Vegetation nachvollziehen.
Bereits 1984 befasste sich G. Y. Gardner in seiner Arbeit [17] mit der Nachbildung natürlicher Szenarien mit Hilfe texturierter ebener Oberflächen. 1986 präsentierte P. E. Oppenheimer [18] ein fraktales Computermodell, mit dessen Hilfe sich unter anderem verzweigende O b- jekte wie Pflanzen, Bäume und Blätter erstellen ließen.
1993 gingen Greene et al. [19] der Frage nach, wie mit Hilfe eines hierarchisch organisierten Z-Buffers die Erkennung und Aussortierung verdeckter geometrischer Teile eines 3D-Modells gegenüber dem herkömmlichen Z-Buffer-Verfahren verbessert werden kann. Dieser Frage- stellung kommt vor allem bei der Darstellung von Pflanzenmodellen eine zentrale Bedeutung zu. Denn auf Grund ihrer oft unzusammenhängenden stark inhomogenen Geometriestruktur kommt es zu diversen Verdeckungen und Überschneidungen der einzelnen Modellbestand- teile auf der Ebene der Dreiecke.
Um die Anzahl der potenziell möglichen Verdeckungen von vornherein zu minimieren und die geometrische Komplexität der Pflanzenmodelle im Vorfeld zu reduzieren setzen N. Max und K. Ohsaki [20] 1995 auf eine Rekonstruktion der Z-Buffer-Information unter Einbezie- hung einer kleinen Menge von vorberechneten Modellansichten. Die einfachste Umsetzung dieser Methode ist die Abbildung der gesamten Pflanze auf einer einzelnen texturierten Ebene. Dieser Ansatz wurde schon 1994 von J. Rohlf und J. Helman [21] in einem kompletten
Kapitel: Vorangegangene Arbeiten
20 2.2 Geometrieapproximation von Pflanzenmodellen
System vorgestellt und beispielsweise von G. Schaufler [22] aufgegriffen. Diese einzelnen, zum Betrachter ausgerichteten, texturierten Elemente werden Impostors genannt.
Die Impostors können mehrschichtig angeordnet dazu dienen, die ursprüngliche Modell- geometrie besser zu approximieren. Diesen Ansatz verfolgten Decoret et al. 1999 [23]. Wei- tere Überlegungen dazu wurden später von A. Jakulin [24] und wiederum von Decoret et al.
[25] veröffentlicht.
Diesen und einigen anderen Ansätzen im Umgang mit komplexeren Anordnungen von Im- postors und Billboards ist gemein, dass die zugrunde liegende Modellgeometrie anhand ihrer Form mehr oder weniger gut approximiert wird. Sowohl die Approximationsgüte als auch die Anzahl der notwendigen Billboards lässt sich verbessern, indem zusätzliche Informationen über den hierarchischen Aufbau des Pflanzenmodells in die Berechnungen mit einfließen. In Abschnitt 4.2.2 gehe ich darauf näher ein.
Einen anderen Ansatz zur Approximation verfolgen Ausarbeitungen, die sich mit der Darstel- lung von Pflanzenmodellen mit Hilfe alternativer Zeichenprimitive beschäftigen. Die Grund- lage dafür legte die Arbeit „The use of points as display primitives“ von M. Levoy und T.
Whitted [26] aus dem Jahre 1985. Weitergeführt wurde dieser Grundgedanke dann unter anderem von M. Wand et al. [27] und O. Deussen et al. [1], an dessen Ausarbeitung ich selbst beteiligt war. Punkt- und Linienprimitive besitzen unter anderem den Vorteil, dass der Schnitt zwischen Primitiv und den Seitenflächen des Sichtvolumens sehr effizient von der Grafikhardware ausgeführt werden kann.
(a ) (b) (c)
Mit Hilfe der Abbildung 3(a) wird deutlich, dass beim Schnitt von Dreiecken mit dem Sichtvo- lumen komplexere Polygone entstehen können, die ihrerseits wieder von der Grafikhardwa- re in neue Dreiecke zerlegt werden müssen. Linien (b) müssen hingegen nur in neue Linien- segmente unterteilt werden und Punkte (c), die außerhalb des Sichtvolumens liegen, können ohne Schnittoperationen einfach verworfen werden. Der Vorteil, der sich daraus ergibt ist aus performancetechnischer Sicht nicht unerheblich.
Abbildung 3: Clipping von Dreieckskanten, Liniensegmenten und Punktprimitiven am Sichtvolumen des 3D -Szenarios
Kapitel: Vorangegangene Arbeiten 21 2.2 Geometrieapproximation von Pflanzenmodellen
Außerdem kommt die verbindungslose Charakteristik von Punktwolken der verteilten inho- mogenen Geometriestruktur von Pflanzenmodellen sehr entgegen. Dadurch ist eine entfer- nungsabhängige Reduktion der Komplexität mit Hilfe von Punktmengen wesentlich einfacher umzusetzen als auf der Ebene der Dreiecke.
Der Aufbau und die Struktur der Punktmengen lässt sich natürlich weiter optimieren. C.
Dachsbacher et al. [28] setzten sich 2003 mit dieser Thematik auseinander. Hierarchisch auf- gebaute Punktmengen werden hierbei sequenzialisiert angeordnet. In Abhängigkeit von der Entfernung zum Betrachter können dann Teile der linearen Punktsequenzen einfach mit Hi l- fe eines Laufindexes ausgeblendet werden. Die Funktionsweise dieser Methode wurde dann exemplarisch unter anderem anhand einiger Pflanzenmodelle (Bäume) gezeigt.
Neben den vielen Vorteilen, die approximierte Punkt- und Linienmengen mit sich bringen, gibt es jedoch auch einen entscheidenden Nachteil. Auf der Basis einzelner Modellinstanzen ist dieser Ansatz bei sehr großen komplexen Vegetationsszenarien nicht besonders effektiv.
Die Anzahl der benötigten geometrischen Primitive ist immer noch zu groß, als dass intera k- tive Bildwiederholraten bei mehreren Millionen Objekten erreicht werden könnten.
Deshalb gab es verschiedene Bemühungen, den Gedanken der Approximation von Modell- geometrie auf große Vegetationsszenarien zu übertragen. Einige Arbeiten wie von T. D. Gi a- como et al. [29], P. Decaudin und F. Neyret [30] oder von L. A. Fuhrmann et al. [31] , G. Szi- jarto und J. Koloszar [32] beschäftigten sich beispielsweise speziell mit der effizienten Dar- stellung von Waldszenarien.
Ein konsequent auf die Verarbeitung von enorm komplexen Szenarien ausgelegter Ansatz wurde 2001 von M. Wand et al. [33] vorgestellt. Dabei wurden die Ansätze aus [27] aufge- griffen und erweitert. Die genaue Funktionsweise sowie eine Kritik und mein alternativer Lösungsansatz werden in Abschnitt 4.2.3 genauer dargelegt.
Neben den eben vorgestellten Methoden gab es auch Arbeiten, die sich mit sogenannten Multiresolution-Ansätzen befassten. Bei J. LLuch et al. [34] gelten beispielsweise parametri- sierte L-Systeme als Ausgangsbasis. Mit deren Hilfe werden prozedurale Modellstrukturen erzeugt, die ein einzelnes Pflanzenobjekt in verschiedenen Auflösungsstufen repräsentieren.
Mit Hilfe einer Metrik wird in jedem Darstellungsschritt die Relevanz der einzelnen Baumbe- standteile bestimmt. Anhand dessen wird entschieden, welche Darstellungsstufe angezeigt wird.
D. Marshall et al. [35] stellten bereits 1997 eine Arbeit vor, in der eine botanische Pflanzen- beschreibung in eine hierarchische Volumenapproximation überführt wird. Während der Darstellung kann mit Hilfe eines adaptiven Systems die Volumenstruktur verfeinert oder ausgedünnt werden. Im Nahbereich werden dabei Polygone zur Darstellung verwendet. Ab einer bestimmten Entfernung werden dann Gruppen von sogenannten Mikroflächen ang e-
Kapitel: Vorangegangene Arbeiten
22 2.3 Generierung/Verwaltung von Pflanzenverteilungsdaten
zeigt. Eine weitere Arbeit, die sich mit dieser Thematik auseinandersetzte ist beispielsweise von I. Remolar et al. [36] aus dem Jahre 2003. Die effiziente Manipulation der komplexen polygonalen Oberflächen erfolgt hierbei auf der Grundlage eines FSA (Foliage Simplification Algorithm). Dabei werden für die Modelle mehrere verschiedene Approximationsansätze gewählt, um die ursprüngliche Struktur repräsentieren zu können und die Anzahl der benö- tigten Dreiecke zu reduzieren.
2.3 Generierung/Verwaltung von Pflanzenverteilungsdaten
Im Bereich der Informatik und speziell der Computergrafik wird sich nur selten mit der Fra- gestellung auseinander gesetzt, wie biologisch motivierte naturnahe Pflanzenverteilungen erstellt und verwaltet werden können. Dafür gibt es meiner Meinung nach zwei Hauptgrün- de.
Auf der einen Seite sind Pflanzenverteilungen oft nur Mittel zum Zweck. Sie dienen als syn- thetisches Konstrukt dazu, eine gewisse Komplexität innerhalb von Objektpopulationen zu erzeugen, um darstellungsrelevante Methoden und Verfahren der Computergrafik damit sichtbar zu machen. Dabei wird kein We rt auf biologische und phytosoziologische Rahmen- bedingungen bei der Erstellung dieser Verteilungsdaten gelegt. In den meisten Fällen ist die- se Herangehensweise auch nicht notwendig, da das Hauptaugenmerk primär auf der Darl e- gung computergrafischer Ansätze liegt.
Andererseits ist die Generierung naturnaher Pflanzenverteilungsdaten auch heutzutage na- hezu beliebig komplex und somit extrem aufwendig. H. Hagen et al. [37] beschrieben diesen Umstand 1993 mit dem Satz „The estimation of parameters (coefficients) for ecosystem mo- dels is a crucial task.“
Trotzdem gab es auch im Bereich der Computergrafik Bemühungen adäquate Pflanzenvertei- lungen zu generieren und für die Darstellung virtueller Vegetation zu nutzen. 1998 stellten O. Deussen et al. [38] einen entsprechenden Ansatz vor. Dabei richten sich die einzelnen Arbeitsschritte, die O. Deussen 2003 in [39] nochmals konkretisierte, nach folgendem Mus- ter:
Modellierung/Generierung von 3D-Geländemodellen Berechnung der 2D-Pflanzenverteilungen
Positionierung/Instantiierung der 3D-Pflanzenmodelle Darstellung/Visualisierung
Bei O. Deussen et al. [38] werden in Anlehnung an F. G. Firbank und A. R. Watkinson [40]
einzelne Pflanzenstandorte als Kreisscheibenpositionen in einer kontinuierlichen Landschaft behandelt. Mit Hilfe eines L-Systems [41] werden die einzelnen Pflanzenstandorte am Ende
Kapitel: Vorangegangene Arbeiten 23 2.3 Generierung/Verwaltung von Pflanzenverteilungsdaten
von Positionierungslinien platziert. Diese Linien sind Teil einer Verzweigungsstruktur, die sich über die gesamte Geländeoberfläche erstrecken.
Die Simulation des Ausbreitungsprozesses erfolgt mit einer vereinfachten Methode der so- genannten Selbst-Ausdünnung, wie sie in [40] beschrieben wird. Dabei wird eine Startmenge von Kreispositionen während einer Initialisierungsphase zufällig auf einer quadratischen Grundfläche verteilt. Dabei richtet sich der Grad des anfänglichen Ausbreitungsradius auch nach einem intervallbegrenzten Zufallswert. Sollten auf ein und derselben Position zwei Pflanzenobjekte miteinander konkurrieren, so wird die entsprechende Kreisscheibe der klei- neren Pflanze aus der Szene entfernt. Außerdem existiert eine Wachstumsgrenze für die einzelnen Pflanzen. Modelle, die diese Grenzen erreichen werde ebenfalls als absterbend markiert.
Ein komplexeres Berechnungsmodell erfordert die Ausbreitungssimulation von Pflanzenpo- pulationen mehrerer unterschiedlicher Arten. Hierbei wird zwischen art- und individualspezi- fischen Parametern unterschieden, welche die verschiedenen Spezies im Allgemeinen und die einzelnen Pflanzenindividuen im Speziellen genauer charakterisieren. In seiner Disserta- tion beschäftigte sich Monssef Alsweis [42] unter anderem mit verfeinerten Parametermo- dellen zur Nachbildung der Konkurrenzsituationen zwischen Populationen verschiedener Pflanzenarten.
Jeder Spezies werden beispielsweise Faktoren wie maximale Ausbreitungs- und Wachstums- rate zugewiesen. Die einzelnen Pflanzen einer Art erhalten dann noch weitere Parameter wie beispielsweise Angaben zur aktuellen Größe und Vitalität, wobei sich die Vitalität aus der zufallsgesteuerten Wasserkonzentration am Pflanzenstandort und der Vorliebe der Pflanze für feuchtes oder trockenes Gelände ableitet. Die Konkurrenzfähigkeit jeder Pflanze ergibt sich dann aus dem Produkt der Vitalität und der relativen Pflanzengröße. (aktuelle Größe im Verhältnis zur maximalen Größe). Bei sich überlagernden Pflanzenpositionen wird nun die Konkurrenzfähigkeit beider Objekte miteinander verglichen. Das schwächere Pflanzenmo- dell, das von dem stärkeren dominiert wird, stirbt mit einer artspezifischen Wahrscheinlich- keit ab.
Innerhalb des Lenné3D-Projektes befasste sich W. Röhricht in [43] und [44] mit alternativen Ansätzen zur Generierung von Pflanzenverteilungen anhand von Beispielgebieten. Dabei erarbeitete er eine interpretative phytosoziologisch korrektere Methode zur Verteilungsbe- rechnung. In der Arbeit von ihm und M.Clasen [45] stellte er zusammenfassend fest: „To know the plant distribution, one do not need to know the site-related factors, but the vegeta- tion.“
Die Vegetationsmodellierung findet bei ihm in zwei Schritten statt. Zuerst werden boden- kundliche Karten mit vorberechneten Reliefdaten und regionalen Erhebungsdaten der Veg e- tation (Biotoptypkartierungen) kombiniert. Die Reliefdaten können dabei beispielsweise In-
Kapitel: Vorangegangene Arbeiten
24 2.4 Natürliche Beleuchtungsphänomene
formationen über das Höhenprofil, Lichtverhältnisse und Hangneigungscharakteristika enthalten. Daraus resultieren sogenannte geoCells, Ausschnitte, die im nächsten Schritt nochmals mit regional geprägten Aufstellungsdaten kombiniert werden.
Anhand eines sogenannten Geselligkeitswertes (der sich aus mehreren Faktoren zusammen- setzt) wird die Ausbreitung jedes einzelnen Pflanzenmodells innerhalb der geoCells berech- net. Unabhängig davon können jederzeit noch spezielle Verteilungspfade spezifiziert wer- den, an denen sich die Modellausbreitung orientiert. Als Ergebnis der Berechnungen erhält man eine Menge diskreter Einzelpositionsdaten. Jede Position verfügt neben den 2D- Koordinaten über weitere Attribute wie Angabe zum verwendeten Pflanzenmodell, Wach- stumshöhe usw.
An dieser Stelle möchte ich darauf hinweisen, dass bereits bei der Berechnung dieser Pflan- zenpositionsdaten eine gewisse Quantisierung auf der Ebene der Individuenvarianz stattfi n- det. In der Natur unterscheiden sich selbst gleichgroße Pflanzen ein und derselben Art oft erheblich, sogar wenn sie in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander stehen. Technologisch besteht natürlich nicht die Möglichkeit, für jede Einzelpflanze ein eigenes Pflanzenmodell zu generieren. Meist existieren einige dutzend bis einige hundert Objektmodelle. Mit Hilfe von affinen Abbildungen (Skalierung, Rotation) kann jedoch der Eindruck einer wesentlich größe- ren Pflanzenvariabilität erzeugt werden.
Für mich bestand die Aufgabe nun darin, für diese Menge an Einzelpositionsdaten eine ef- fektive Methode zu entwickeln, um das enorme Datenaufkommen von bis zu mehreren hundert Millionen Positionen verwalten zu können und in den Darstellungsprozess einzubin- den. In Abschnitt 3.2 erläutere ich, weshalb es zu der vorberechneten Menge an Einzelposi- tionen aus Sicht des Verarbeitungsaufwandes keine Alternative gibt und in 4.3 zeige ich die einzelnen Schritte und Methoden zur Konvertierung der diskreten Positionsdaten in eine effiziente interne Repräsentation auf.
2.4 Natürliche Beleuchtungsphänomene
Bei der Nachbildung realer Beleuchtungssituationen mit den Mitteln der Computergrafik ergeben sich bei der interaktiven Darstellung von virtuellem Blattwerk vielfältige Probleme.
Die Blätter der meisten Pflanzen weisen eine komplexe Charakteristik in Bezug auf Reflexi- ons-, Absorptions- und Transmissionsverhalten gegenüber dem einfallenden Licht auf. Mit Methoden der globalen Beleuchtungsberechnung wird versucht, diese Effekte zu simulieren.
Eine Methode, die Eigenschaften der Blätter zu simulieren, besteht darin, die biologischen Charakteristika des Pflanzengewebes nachzubilden. Dabei werden Vorhersagen darüber ge- troffen, wie das Licht die einzelnen Blattschichten durchquert (Epidermis, Stützzellen, Vakuo-
Kapitel: Vorangegangene Arbeiten 25 2.4 Natürliche Beleuchtungsphänomene
len etc.). Die Arbeiten von T. C. Vogelmann [46], S. Jacquemoud und S. Ustin [47] sowie von G. V. G. Baranoski und J. G. Rokne [48] beschäftigten sich mit dieser Art der Berechnung.
Eine andere Herangehensweise besteht darin, das Volumen von Blättern durch einzelne Schichten zu approximieren. Die Berechnung des Streuungsverhaltens des Lichts beim Durchlaufen dieser Volumenschichten wird Subsurface Scattering genannt. Dabei wird häufig auf einen Monte-Carlo-Raytracing-Ansatz zurückgegriffen, um die BRDF (bidirektionale Ref- lexionsverteilungsfunktion) und die BTDF (bidirektionale Transferverteilungsfunktion) zu bestimmen (siehe Begriffserklärung 3.6.3). P. Hanrahan und W. Krueger [49] stellten 1993 eine entsprechende Arbeit vor.
1997 bezogen G. V. G. Baranoski und J. G. Rokne [50] in ihr sogenanntes Algorithmic BDF Model (ABM) biologische Faktoren, welche die Transmissions - und Absorptionseigenschaf- ten von Blättern beeinflussen in ihre Betrachtung mit ein. Im Jahr 2001 [51] stellten sie mit dem sogenannten Foliar Scattering Model (FSM) einen optimierten Ansatz vor. Die Reflex- ions- und Transmissionswerte sind hier bereits vorberechnet und werden von einem simple- ren Streuungsmodell benutzt. Ein vereinfachtes Subsurface Scattering kam auch bei O.
Franzke und O. Deussen [52] zum Einsatz.
Auf Grund der verwendeten Raytracer sind diese Ansätze jedoch nur bedingt für die interak- tive Darstellung von Pflanzenobjekten geeignet, bieten dafür aber eine ausgezeichnete vi- suelle Qualität. Ein Ansatz, der sowohl hervorragende grafische Ergebnisse liefert und gleic h- zeitig in Echtzeit auf moderner Grafikhardware ausgeführt werden kann, wurde 2005 von L.
Wang et al. [53] vorgestellt.
Ihre Herangehensweise unterscheidet sich vor allem in einem Punkt fundamental von ande- ren Methoden: Informationen über die interne Struktur von Pflanzenblättern sind nicht not- wendig. Mit Hilfe einer sogenannten Laser-Light-Scattering-Apparatur (LLS) werden die er- forderlichen Daten zur Bestimmung der Reflexions- und Transmissionseigenschaften einfach anhand realer Blätter ausgemessen. Somit entfällt die zeitintensive Simulation des Licht- durchlaufs.
In Abschnitt 5.3.3 werde ich diesen Ansatz noch etwas genauer erläutern und aufzeigen, weshalb auf Grund des beachtlichen Speicherplatzbedarfs pro Pflanze ein Einsatz bei der Darstellung komplexer Vegetationsszenarien heute noch nicht möglich ist. Dafür stelle ich eine stark vereinfachte Methode mit minimalem Ressourcenverbrauch vor, die den Effekt der Transluzenz nachbilden kann. Außerdem werde ich noch einige weitere Detailverbesse- rungen vorstellen, die dazu beitragen, dass auch mit lokalen Beleuchtungsmethoden a n- nehmbare und effiziente Ergebnisse bei der Beleuchtung von virtuellen Pflanzenpopulatio- nen möglich sind.
Kapitel: Vorangegangene Arbeiten
26 2.5 Samplingstrategien komplexer geometrischer Szenarien
2.5 Samplingstrategien komplexer geometrischer Szenarien
In diesem Abschnitt werden vorangegangene Arbeiten besprochen, die sich mit Methoden zur Vermeidung von Aliasingartefakten bei der Darstellung von 3D-Computergrafiken be- schäftigen. Die hier aufgezeigten Ansätze gehen dabei über die standardmäßig in Grafi k- hardware implementieren Antialiasingmechanismen hinaus. Um dem interessierten Leser einen Überblick über die grundsätzlichen Aliasingprobleme bei der Ausgabe von 3D-Grafiken auf 2D-Rastermonitoren zu geben, behandelt der Abschnitt 3.5 die Thematik ausführlicher.
Dabei werden die verschiedenen Aspekte des Antialiasings unter dem Gesichtspunkt der Verarbeitung von Pflanzenmodelldaten betrachtet.
Es stellt sich die Frage, weshalb sich der wirksame Einsatz von einfachen Antialiasingmetho- den im Bereich der Pixelfragmente als schwierig erweist. Innerhalb der Fragmentprogramme können Berechnungen für das jeweils aktuelle Pixelfragment vorgenommen werden. Es ste- hen jedoch keine direkten Informationen über die unmittelbar benachbarten Fragmente zur Verfügung. Während beispielsweise beim Multisampling von Geometriekanten die Informa- tionen benachbarter Subpixels dafür verwendet wurden, um die Treppenstufenbildung zu vermeiden, besteht diese Möglichkeit auf der Ebene der Pixelfragmente nicht.
Ziel ist es somit, Methoden und Ansätze zu finden, die indirekt Auskunft darüber geben, wel- che Informationen das benachbarte Umfeld des aktuellen Pixelfragments enthält. Denn nur damit lassen sich Aliasingartefakte wirkungsvoll vermeiden.
Bereits 1987 stellten W. T. Reevers et al. [54] einen Ansatz vor, der dann beispielsweise 2001 von S. Brabec und H.P. Seidel [55] für die Nutzung auf aktueller Grafikhardware umgesetzt wurde. Es handelt sich um das sogenannte Percentage Closer Filtering. Dabei wird nicht nur der zum aktuellen Pixelfragment korrespondierende Tiefenwe rt der Schattentextur betrach- tet. Es werden auch die benachbarten Tiefenwerte der Textur ausgewertet. Sollten bei- spielsweise drei der acht benachbarten Tiefenwerte beim Vergleich das Ergebnis liefern, dass das aktuelle Pixelfragment im Schatten liegt, so entspräche dies einer Schattenabde- ckung von 37,5 Prozent. Dieser Prozentwert wird nun als Helligkeitsabstufung im Randbe- reich des beschatteten Areals interpretiert.
Diese Methode liefert bereits gute Ergebnisse, obwohl nur Nachbarschaftsinformationen aus dem Texturraum verwendet werden. Informationen der tatsächlich benachbarten Pixelfra g- mente im Bildraum liegen nicht vor. Um weiche Übergänge mit entsprechend feinen Helli g- keitsabstufungen zu erreichen, müssen sehr viele Tiefenwertvergleiche durchgeführt wer- den. Somit wären beispielsweise 64 Zugriffe auf die Schattentextur notwendig, um bis zu 64 Helligkeitsstufen darstellen zu können.
Während die arithmetische Leistung heutiger Grafikhardware sehr hoch ist, wirken sich dut- zende von Texturzugriffen pro Pixelfragment extrem nachteilig auf die Gesamtleistung der
Kapitel: Vorangegangene Arbeiten 27 2.5 Samplingstrategien komplexer geometrischer Szenarien
Darstellung aus. Deshalb wird versucht, die Anzahl der benötigten Texturaufrufe zu verri n- gern. Einen Optimierungsansatz veröffentlichten z.B. Y. Uralsky und A. Ahma [56]. Sie ver- wenden einen adaptiven Samplingansatz, der nur dann die entsprechende Anzahl an Textur- zugriffen notwendig macht, wenn das aktuelle Pixelfragment im Randbereich des beschatte- ten Areals liegt.
Einen anderen Ansatz zur Vermeidung der groben Treppenstufen wählten P. Sen et al. [57] in ihrer Arbeit. Bei den sogenannten Shadow Silhouette Maps wird das herkömmliche Verfah- ren des Shadowmappings mit dem Ansatz der Schattenvolumen kombiniert. In ei nem Zwi- schenschritt wird die Silhouette der beschatteten Geometrie in einer zusätzlichen Textur abgespeichert. Dabei wird die Repräsentation der diskreten Einzelwerte der Schattentextur um eine lineare Repräsentation der Silhouette mit Hilfe einer weiteren Textur ergänzt. Durch diese zusätzlichen Informationen pro Sample können die Abstufungen während der Darstel- lung wesentlich verfeinert werden und wirken weniger störend. Alle auftretenden Aliasinga r- tefakte können jedoch nicht behoben werden. Außerdem können breitere weichere Über- gänge wie bei den vorher beschriebenen Softshadow-Ansätzen nicht erzeugt werden.
Bei meinem Ansatz habe ich mich von Arbeiten auf einem verwandten Gebiet derTexturver- arbeitung inspirieren lassen. P. Sen [58] und S. Gustavson [59] beschreiben Methoden, um beliebige Silhouettenkanten z.B. mit Hilfe parametrisierter impliziter Kurven zu beschreiben.
Um für aufwendige Kantenzüge keine komplizierten Polynome höherer Ordnung verwenden zu müssen, werden die Kanten in kleinere Segmente unterteilt und diese durch Polynome niedrigerer Ordnung dargestellt. Eine generelle implizite Form für solch ein Liniensegment könnte beispielsweise folgendermaßen aussehen:
(2.1) Die einzelnen Koeffizienten werden in einer Textur abgespeichert. Somit kann pro Sample der Textur ein eigenständiges Teilstück der Gesamtsilhouette verwaltet werden.
Obwohl die Texturauflösung auch hier begrenzt ist, bietet dieser Ansatz nun zwei grundle- gende Vorteile. Zum einen wird das Ergebnis des aktuellen Pixelfragments nicht mehr mit Hilfe diskreter Werte ermittelt, sondern durch kontinuierliche Funktionen. Dadurch werden bereits jegliche Treppeneffekte vermieden, die auf Grund der begrenzten Auflösung von Texturen entstehen. Es verbleiben also nur die Treppeneffekte, die in Beziehung zur Bild- schirmauflösung stehen. Hierbei bietet uns eine implizite Funktion die einfache Möglichkeit, für jedes Pixelfragment ein Maß für den Abstand zur Segmentkurve zu bestimmen. Dabei muss beachtet werden, dass die Berechnung des tatsächlichen Abstandes eines Punktes zur Kurve aufwendiger ist. Wie bereits erwähnt, liefert uns die Funktion mit Werten für , oder nur ein Maß für den Abstand, jedoch nicht den Abstand selbst. Dieses Maß reicht jedoch schon vollkommen aus, um einen weichen Helli g- keitsverlauf zu erzeugen.
Kapitel: Vorangegangene Arbeiten
28 2.5 Samplingstrategien komplexer geometrischer Szenarien
Für das Shadowmapping suchte ich nach einem vergleichbaren Ansatz, der dieselben Vortei- le bietet. Die diskreten Werte der Schattentextur sollen durch möglichst einfache kontinuier- liche Funktionen ersetzt werden. Dabei soll der Werteraum so gut wie möglich approximiert werden. Für jedes Pixelfragment wird dann das Maß für den Abstand zur Funktion der Schnittkurve bestimmt und daraus ein Wert für den weichen Helligkeitsverlauf abgeleitet.
Wenn man sich die Menge der diskreten Werte einer Schattentextur dreidimensional vor- stellt, so ergeben sich unterschiedlich hohe quaderförmige Säulen mit quadratischer Grund- fläche. Ich habe mich dazu entschlossen, diese mathematisch schwer beschreibbaren Säulen durch verformte Ellipsoiden zu approximieren, um damit die Schnittkurven analytisch aus- werten zu können. In Abschnitt 5.4.2 werde ich meinen Verfahrensansatz genauer erläutern.
Kapitel: Grundlagen 29
Kapitel 3
Grundlagen
Bei der Synthese virtueller Landschaften anhand des realen Vorbildes werden die unter- schiedlichsten Eingangsdaten benötigt. Auf Grund der Komplexität und des Umfangs der benötigten Daten besteht die Notwendigkeit, auf etablierte und standardisierte Datenforma- te zurückzugreifen. Nur so besteht die Möglichkeit, auf umfangreiches Datenmaterial zugre i- fen zu können und es für die eigene Arbeit zu nutzen. Ein Eckpunkt meiner Arbeit war es deshalb immer, an allen Stellen der Verarbeitungskette, an denen es sinnvoll ist, auf vorha n- dene Datenformate zurückzugreifen. Ein wichtiger Aspekt war dabei die Suche nach den für mein Anwendungsgebiet geeignetsten Formaten.
Es bleibt nicht aus, dass im Rahmen der Anforderungen neue eigene Datenformate entwi- ckelt und genutzt werden müssen. Auf der einen Seite liegt die Notwendigkeit dafür in der Umsetzung neuer Erkenntnisse und der Anwendung neuer Methoden begründet. Im Zuge dessen werden aus bestehenden Daten neue Daten generiert. Diese Daten müssen in einem adäquaten Format abgespeichert werden, um fortführend mit ihnen arbeiten zu können.
Bestehende Datenformate kommen dafür in bestimmten Fällen nicht in Frage, da sie in ih- rem Aufbau der neuen gewünschten Funktionalität nicht Rechnung tragen können. Auf der anderen Seite haben bereits existierende Datenformate hin und wieder den Nachteil, dass sie bei der Verwendung im Kontext eines neuen Anwendungsgebietes den geforderten An- sprüchen nicht gerecht werden können. Der Neuerungsaspekt der Anwendung kann dabei beispielsweise quantitativer oder qualitativer Natur sein.
Aus diesen zwei Grundgedanken leitet sich direkt die Notwendigkeit ab, bes tehende Daten- formate und die neuen eigenen Datenformate effektiv miteinander zu nutzen, zu kombini e- ren und aufeinander abzustimmen. Dabei ist es nicht selten erforderlich nach Kompromissen zu suchen, um Aspekte wie Handhabbarkeit, Benutzerfreundlichkeit un d Effizienz miteinan- der zu verbinden.
In diesem Kapitel beschäftige ich mich mit den Klassifikationen der benötigten standardisier- ten Eingangsdaten und der eigenen Datenformate. Außerdem gehe ich der Frage nach, an welcher Stelle der Bearbeitungspipeline die Erzeugung neuer umfangreicher Daten notwen- dig wird und begründe diese Entscheidung anhand eines Fallbeispiels. Abschließend werde ich mit Hilfe einer Komplexitätsbetrachtung einen Überblick darüber geben, welches Daten- aufkommen die Grundlage für die Verarbeitungsansätze in den folgenden Kapiteln bildet.
Am Ende des Kapitels folgt eine kurze Einführung zum Einsatz von Antialiasing in der 3D - Computergrafik und ein Abschnitt zur näheren Erläuterung einiger Fachbegriffe.
