Desiree - Detaillierte Oberflächen für Interaktives Rendern

Menschen nehmen ihre Umgebung hauptsächlich durch das Licht wahr, das die sie umgebenden Oberflächen reflektieren. Besonders die Oberflächeneigenschaften wie Rauheit, Textur, Temperatur etc. können wir nur durch Beobachten der Details einer Oberfläche ableiten. Deshalb ist die Komplexität von Oberflächen in synthetisierten Bildern eines der wichtigsten Merkmale bei der Beurteilung des Realismus in der Darstellung bei Computergraphik-Anwendungen. Der Kernpunkt hierbei ist, den visuellen Detailgrad einer realen Oberflaeche zu erreichen. Dies ist in einer Vielzahl interaktiver Anwendungen wichtig, einschließlich visueller Analyse, Archäologie, Designbewertung, Architektur und Stadtplanung, Verkehrssimulation, Ingeneurwesen und Computerspiele. Das Ziel des Désirée-Projektes ist die Entwicklung von Algorithmen und Datenstrukturen zur effizienten Erfassung, Speicherung und Anzeige von geometrisch komplexen Oberflächen für solche Echtzeitanwendungen. Die Repräsentation von Oberflächendetails ist ein Forschungsthema seit Beginn der Computergrafik, und umfasst Techniken wie Texture Mapping, Displacement Mapping und Slice-basierten Repräsentationen. Trotzdem kann kaum eine bekannte Technik direkt in den oben genannten Anwendungen verwendet werden, da sie entweder ungenügende Bildqualität, nicht interaktive Datstellung oder zu hohe Speicheranforderungen aufweisen. Weiterhin benötigt man Werkzeuge, die die von 3D-Designern erstellten Modelle in Repräsentationen umwandeln, die eine schnelle und hochqualitative Darstellung zulassen. Die Strategie im Desiree-Projekt ist es, die grobe Struktur und die Feinstruktur eines gegebenen komplexen Objekts separat zu betrachten. Unser Ziel ist es, effiziente Datenstrukturen und Algorithmen fuer alle Aspekte dieser Strategie zu entwickeln, einschliess-lich der Aufteilung eines komplexen Dreiecksnetzes in grobe und feine Struktur, effiziente Repräsentationen für die Feinstruktur, die Abbildung dieser Details auf die Grobstruktur, sowie Darstellungsalgorithmen für eine hohe Bildqualitaet in Echtzeit mit Antialiasing und realistischer Beleuchtung. Die Darstellung nützt aktuelle programmierbare Graphikhardware, um ausgabesensitive Algorithmen wie Ray Casting durchzuführen. Diese Strategie ist der Schlüssel zu einer Darstellung hochqualitativer Bilder in Echtzeit.

Ein Kerngebiet der Computergrafik ist das Erstellen von Bildern aus gegebenen Modellen. Dies wird generell unter dem Begriff Rendering zusammengefasst und stellt gleichzeitig die Domäne dieses Projekts dar. Da wir grundlegende Techniken für dieses Gebiet entwickelten, können viele seiner Anwendungen von unseren Resultaten profitieren; vorrangig zu nennen wären Industrie und Entwicklung (Entwurf, virtuelles Prototyping, Stadtplanung), Kulturerben, Unterhaltung (visuelle Effekte, Computerspiele) und Simulationen (militärisch, zivil). Weiterhin ungebrochen ist der Bedarf in der Computergrafik nach mehr visueller Qualität und verbessertem Realismus der erstellten Bilder. Einerseits wird dies durch die Verwendung von detaillierteren Modellen ermöglicht, andererseits erfordert diese Entwicklung eine höhere Leistung der Renderingsysteme, um eine zeitgerechte Bildgenerierung zu ermöglichen. In diesem Projekt untersuchten wir, wie komplexe Modelldaten im Rahmen von interaktivem Rendering zu handhaben sind, d.h. wenn die Laufzeit des Bilderstellungsprozesses in der Größenordnung von hunderten Millisekunden oder weniger zu sein hat. Als Resultate unserer Arbeit stellen wir Methoden zur Verfügung, um feine Details von geometrisch komplexen Oberflächen effizient in den Renderingprozess integrieren zu können. Der erste Hauptteil unserer Arbeit ist die Verwendung von Diffusionskurven um exakte geometrische Details in 2D und 3D Grafiken darzustellen, unabhängig von der Vergrößerung. Der zweite Teil behandelt die Verwendung von exakten mathematischen Methoden um das Rendering von feinen Details auf Rasterbilder zu ermöglichen, ohne unter der üblichen Qualitätsreduzierung durch Aliasingartefakte zu leiden. Beide Methodologien wurden unter Berücksichtigung aktueller Hardwareentwicklungen entworfen und machen effizienten Gebrauch von Grafikhardware um interaktive Leistung zu bieten. Da Rendering nur ein Teil der Computergrafik ist, haben wir auch andere Teilgebiete erforscht. In der Arbeit über Formenvergleich stellen wir eine Methode zu Verfügung, um die Information von einem Exemplar effizient auf ähnliche Objekte im Modellierungsprozess zu übertragen, der die Eingabedaten zu unseren Renderingmethoden zur Verfügung stellt. Für Modelle, die aus riesigen Punktwolken bestehen, was normalerweise der Fall bei Laserscannern und Tiefenbildkameras ist, stellen wir eine Methode vor, um eine hochqualitative interaktive Vorschau der Daten zu ermöglichen. Zusammenfassend beschritt dieses Projekt neue Wege in der hochperformanten Darstellung von feinen Details in 2D und 3D Szenen und bietet damit fruchtbaren Boden für weitergehende Forschung als auch neue Methoden und Anwendungen am letzten Stand der Technik.