Landschaftsvisualisierung

Projektpartner: CG-KN, CG-TÜ, VIS-S, HCI-KN

Für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich Planung, Evaluierung und Simulation benötigt man detaillierte Landschaftsmodelle. Hier entstehen im Zusammenhang mit HR-Displays neue Möglichkeiten, extremen Detailreichtum und Realismus mit zeichnerischen Elementen zu verbinden und auf neue Weise partizipative Planungsprozesse unter Einbeziehung der meist planungsunerfahrenen Entscheider zu ermöglichen. Das Projekt untersucht den Zusammenhang zwischen planerischer Abstraktion und perzeptionsbasiertem Level-of-Detail, der es neben effizienten Darstellungsmethoden auch ermöglicht, den strukturellen Detaillierungsgrad dynamisch anzupassen. Ferner wird eine integrative Darstellung von Landschaften mit weiteren komplexen Objekten wie etwa in der Stadtplanung angestrebt.

Globale Abstraktion einer kleinen Landschaftsszene: realistische Darstellung (links) und nicht-realistische Darstellung (rechts)

Es wurden Verfahren zur hochqualitativen Modellierung der erforderlichen Modelle entwickelt, die im Gegensatz zu bisher verwendeten Methoden die Modelle anhand von vorgegebenen Bilddaten erzeugen, was sich in drastisch reduziertem Aufwand niederschlägt. Erste hybride fotorealistisch / nicht-fotorealistische Darstellungen wurden entwickelt. Zusätzlich wurden im Rahmen des Forschungsziels, aber ohne direkte finanzielle Unterstützung seitens BW-FIT, Methoden zur Aufnahme und Darstellung von Gigapixel-Bildern entwickelt. Hier war Microsoft Research (Redmond) Entwicklungspartner. Eine weitere Arbeit umfasste eine neuartige Darstellungstechnik für diese Bilder, die durch geeignete Verzerrungen Details und gleichzeitig auch Kontext darstellen können.

Langfristige Zielsetzung

Ziel des Teilprojekts „Landschaftsvisualisierung“ ist die Entwicklung und Erprobung geeigneter Visualisierungstechniken für die Darstellung komplexer Landschaftsdaten auf einem hochauflösenden Großdisplay. Hierbei sollen neben fotorealistischen Darstellungen auch deren Kombination mit nicht-fotorealistischen Verfahren untersucht werden. Die Großdisplays stellen hierbei die Anforderung, dass die hohe Pixelzahl die bisherigen pixelbasierten Verfahren als zu ineffizient erscheinen lassen. Dies soll durch neue Methoden vermieden werden.

Stand der Forschung/Stand der eigenen Arbeiten

Die Zielsetzung für dieses Teilprojekt lag zum einen in der Entwicklung von Verfahren zur Erzeugung von Inhalten für hochauflösende Displays und zum anderen die Herausforderungen bei der Darstellung dieser Inhalte zu bestimmen. Für die Darstellung wurden alternative nicht-photorealistische Darstellungsformen, als auch Möglichkeiten zur Darstellung und Exploration von Gigapixel Bildern untersucht. Ein weiteres Projekt beschäftigte sich in diesem Zusammenhang mit der Darstellung von Details-in-Kontext bei Satellitenaufnahmen. Die Ergebnisse dieses Projektes wurden in Zusammenarbeit mit Teilprojekt 9 auf dem dort entwickelten Panoramascreen dargestellt. Des Weiteren wurden die bereits von Teilprojekt 5 entwickelten Interaktionsmöglichkeiten bei dieser Darstellung integriert.

Hochauflösende Displays verlangen nach einem sehr großen Detailreichtum der dargestellten Inhalte. Dies gilt sowohl für die Darstellung von Bildern (2D) als auch für die Darstellung basierend auf dreidimensionalen Modellen. Die Anforderungen für die bei der Landschaftsplanung und Visualisierung eingesetzten Modelle ergeben sich daher zum einen an die Modelldetails als auch an die Modellvielfalt, um detailreiche Szenen überhaupt zu ermöglichen.

Das hierfür entwickelte Verfahren [Neubert-2007], welches wir auf der ACM SIGGRAPH 2007 vorge-stellt haben, ermöglicht die Modellierung von Pflanzen basierend auf wenigen Fotografien. Der Benutzer hat jederzeit die Möglichkeit die Ergebnisse durch Skizzen zu verändern und zu beeinflussen und so die Modelldetails an seine Erfordernisse anzupassen. Da bei diesem Vorgang große Teile der Pflanze regelbasiert erzeugt werden, ist eine effiziente Modellierung großer Szene gewährleistet. Das Verfahren erzeugt aus den Informationen der Fotos und Skizzen ein approximatives 3d Astmodell basierend auf einer Partikelsimulation. Dies erlaubt aus einem so gewonnenen Datensatz beliebig viele ähnliche aber dennoch leicht unterschiedliche Modelle ohne weiteren Modellierungsaufwand zu generieren. Auf diese Weise lassen sich Landschaftsszenen beliebiger Komplexität modellieren und erlauben so einen für hochauflösende Displays nötigen Detailreichtum. Bilder für diese Technik haben wir bereits im letzten Bericht gezeigt.

Die Ergebnisse diese Projekt bildeten die Basis für einen weiteren skizzenbasierten Modellierungsansatz [Chen-2008] der im Folgenden verfolgt wurde. Hierfür ist nur noch eine einzige Skizze notwendig, aus deren statistischen Eigenschaften (Verzweigungswinkel, Astlängen etc.) das System unter Zuhilfenahme von Modellwissen aus einer Datenbank 3D Modelle generiert. Diese Technik eignet sich verfahrensbedingt besonders gut für regelmäßige Bäume und schließt damit die Lücke zu einer möglichst vollständigen Modellabdeckung.

Die folgende Abbildung zeigt den Aufbau einer Markov-baumförmigen Datenstruktur zur probabilistischen Modellierung eines Baumes. Alle Parameter sind mit Wahrscheinlichkeitsfunktionen versehen, die in einem Optimierungsalgorithmus zu einer Gesamtform kombiniert werden. Eine weitere Abbildung zeigt drei Skizzen mit den jeweils daraus erzeugten Bäumen.

a) Skizze, b) – c) Aufbau eines Markov-Baumes mit Wahrscheinlichkeitsfunktionen

Handgezeichnete Skizzen und daraus resultierende Baummodelle

Für die in den Projektabschnitten Eins und Zwei anstehenden nicht-fotorealistischen Darstellungsverfahren haben wir erste Abstraktionsmethoden gefunden, die nicht mehr von einer pixelbasierten Zwischen-Datenstruktur abhängen. Dies ermöglicht die Darstellung auf Gigapixel-Displays, die bisher so noch nicht möglich gewesen wäre. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel einer Abstraktion in viel höherer Qualität als bisher möglich. Auf einer weiteren Abbildung sind Schraffurstile zu sehen sowie Darstellungen einer größeren Szene, einmal auch mit gemischtem Realismus, wie in Projektabschnitt 2 geplant.

Abstraktion eines Baummodells

NPR-Baumdarstellung sowie Darstellung einer größeren Szene mit gemischtem Realismus

Ein weiterer Aufgabenbereich eröffnete sich bei der Erzeugung und Darstellung detailreicher Bildin-halte. Aufgrund der immer noch verhältnismäßig geringen Auflösung aktueller Bildsensoren haben wir daher zusammen mit Microsoft Research eine Methode entwickelt, um Gigapixelbilder aus mehreren Einzelfotografien zusammenzusetzen. Damit die Einzelaufnahmen zu einem stimmigen Gesamtbild werden, müssen diese zunächst exakt ausgerichtet und Belichtungs- und Farbunterschiede ausgeglichen werden. Mit diesem System [Kopf-2007] lassen sich Aufnahmen erzeugen, deren Auflösung häufig deutlich höher ist als die zur Verfügung stehende Maximalauflösung des Displays. Zoomoperation oder das Betrachten solcher Bilder über Netzwerke erfordern bei solchen Datenaufkommen effiziente Cachingverfahren, die bei diesem Projekt ebenfalls beschrieben wurden. In folgender Abbildung ist ein Gigapixel-Foto von Seattle zu sehen. Uns ist klar, dass diese Methoden, die sehr gut mit den Teilprojekten 1 und 4 harmonieren, nicht im ursprünglichen Projektplan vorhanden waren. Sie zeigen jedoch die fruchtbare Zusammenarbeit in der Gruppe, die durch die BW-FIT Aktivitäten initiiert wurde. Dies gilt auch für den nun folgenden Abschnitt, in dem ebenfalls eine weitergehende Aktivität beschrieben wird.

Gigapixel-Fotografie von Seattle mit Zoom auf die Space-Needle

Eine weiter Möglichkeit, Details hochaufgelöster Bilder darzustellen ohne wie bei dem eben be-schriebenen Projekt durch Zooming Informationen über den Kontext zu verlieren, wurde in [Böttger-2008] vorgestellt. Hierbei werden die Bilddaten mit Hilfe einer komplex-logarithmischen Funktion verzerrt und ermöglichen so die zeitgleiche Darstellung verschiedener Größenordnungen innerhalb eines Bildes. Die Himmelsrichtungen sind hierbei parallele Geraden, was den Ansatz in der visuellen Interpretation gewöhnungsbedürftig macht. Allerdings kann der Benutzer nach einer Gewöhnung schnell die Vorteile der Methode wertschätzen, da er viele Größenordnungen in einem Bild überblicken kann. Bei der Darstellung von Satellitenaufnahmen wird dieser Effekt besonders deutlich. Während in einem Bild sowohl die Details einzelner Straßenkreuzungen sichtbar sind kann der Benutzer immer noch die in den verschiedenen Himmelsrichtungen liegenden Kontinente erkennen.

Ein Gigapixel-Satellitenbild in komplex-logarithmischer Verzerrung

Veröffentlichungen

[Neubert-2007] Boris Neubert, Thomas Franken, Oliver Deussen: Approximate Image-Based Tree-Modeling using Particle Flows ACM Transactions on Graphics (Proceedings of SIGGRAPH), 26(3), July 2007, pp. 88:1-88:8.

[Kopf-2007] J. Kopf, M. Uyttendaele, O. Deussen, M. Cohen: Capturing and Viewing Gigapixel Images ACM Transactions on Graphics (Proceedings of SIGGRAPH), 26(3), July 2007, pp. 93:1-93:8.

[Böttger-2008] J. Böttger, M. Preiser, M. Balzer, O. Deussen: Detail-In-Context Visualization for Satellite Imagery Eurographics 2008 Conference Proceedings, Computer Graphics Forum 27(2), 2008

[Chen-2008] X. Chen, B. Neubert, O. Deussen, S.B. Kang: Sketch-Based Tree Modeling using Markov Field submitted for Publication

Sonstige Forschungsleistungen (Patente/Vorträge/Ausstellungen etc.)

Aktivitäten für den Projektverbund

Koordination:

Prof. Dr. Oliver Deussen (CG-KN)
Arbeitsgruppe Computergrafik und Medieninformatik
Universität Konstanz
Universitätstraße 10, 78457 Konstanz
Tel: 07531/88-2778
Fax: 07531/88-3655
oliver.deussen@uni-konstanz.de
http://graphics.uni-konstanz.de