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Fakultät für Informatik

 

Adaptives Graphisches Zoom

Liniengraphik-Rendering

Ein Schwerpunkt dieses Projektes lag auf der Erzeugung ansprechender und zweckdienlicher graphischer Darstellungen aus gegebenen 3D-Modellen. Im Bereich der wissenschaftlichen Illustrationen, der hier im Mittelpunkt stand, werden sehr häufig Liniengraphiken zur Visualisierung geometrischer Zusammenhänge eingesetzt.

Auf dem Gebiet der Erzeugung von Liniengraphiken aus dreidimensionalen Modellen sind am Institut für Simulation und Graphik bereits einige Erfahrungen vorhanden. Aufbauend auf diesen früheren Ergebnissen wird dieses Projekt weitere Visualisierungsmöglichkeiten schaffen, die besonders auf den Anwendungsbereich zugeschnitten sind. Dazu sind zwei Punkte von besonderem Interesse:

  1. Die Darstellung der einzelnen Linien soll sich an bekannte Illustrationstechniken anlehnen, d.h. eine Linie wird nicht mehr als ein Kurvenzug einer bestimmten, gleichbleibenden Breite und Helligkeit aufgefaßt.
  2. Die Erzeugung von Liniengraphiken aus dem Modell, wobei hier die Art der Darstellung weit über die allgemein bekannte Drahtgitterdarstellung hinausgehen soll.
Aus diesen Zielen entwickelten sich zwei Schwerpunkte für die Arbeit auf graphischem Gebiet, die im folgenden kurz vorgestellt werden.


Liniendarstellung mittels parametrisierbarer Stile

Um die Darstellung der Linien zu beeinflussen, wurde ein Modell geschaffen, das aus den beiden Teilen Pfad und Stil besteht. Der Pfad beschreibt dabei die Geometrie der Originallinie (der Linie, die durch den Renderer erzeugt wurde) als Parameterkurve durch eine Menge von Kontrollpunkten. Weiterhin können Attribute angegeben werden, wie beispielsweise Druck oder Sättigung eines Zeichenwerkzeuges. Diese Attribute werden auf visuelle Parameter der Linie umgesetzt und beeinflussen so das Aussehen der Linien.

Der Stil beschreibt eine Störung des Pfades hinsichtlich Geometrie und nicht-geometrischer Eigenschaften. Er ist ebenfalls als attributierte Parameterkurve gegeben. Die Berechnung der letztendlich zu zeichnenden Line erfolgt durch eine Überlagerung von Pfad und Stil. Der Stil kann sehr vielfältig attributiert werden, um dadurch unterschiedliche Linien zu erzeugen. Im folgenden sollen einige einfache Beispiele die Anwendung der Stile zeigen.

Der Pfad, der in den folgenden Bildern mit verschiedenen Stilen gezeichnet wurde.

Einfacher Stil, der die Breite verändert. Der pen-angle wurde dabei der Tangentenrichtung angepaßt. Einfacher Stil, der die Breite verändert. Der pen-angle bleibt konstant auf 30 Grad.
Wie im Bild rechts oben, jedoch zusätzlich Veränderung der Linienhelligkeit. Veränderung der Geometrie durch den Stil. Hier wird eine geringfügige Ungenauigkeit eingebracht (an den unteren Enden gut zu sehen).
Anwendung von Strokes. Hier beeinflußt die Attributierung jeden Stroke einzeln. Anwendung von Strokes, wobei die Attributierung für die Gesamtlinie gilt.

Bereits im Pfad kodierte Breiten- und Helligkeitsinformationen fließen in den Überlagerungsprozeß mit ein. Dadurch ist es möglich, Informationen aus dem 3D-Modell, wie beispielsweise Beleuchtungsinformationen mit in die Darstellung einfließen zu lassen. Im folgenden Bild wird die Stärke der Linien durch die Beleuchtung mit einer Lichtquelle links oben bestimmt. Linien in dunkleren Gebieten sind breiter. Dieser Effekt wird sehr häufig in wissenschaftlichen Illustrationen eingesetzt.

Fuß ohne Veränderungen Fuß mit beleuchtungsabhängigen Linien
Ohne Veränderung der Linienstärken
Abbildung groß (534x398, 23 kBytes)
Breitere Linien in dunkleren Gebieten
Abbildung groß (534x398, 22 kBytes)
 

Beispiel für die Anwendung beleuchtungsabhängig definierter Linienstärken

Die Anwendung dieses Linienmodells eröffnet flexible Möglichkeiten der Darstellung in Liniengraphiken. Das Modell aus Pfad und Stil ist nicht nur im Zusammenhang mit liniengraphischem Rendering einsetzbar, sondern abenfalls in strikt zweidimensionalen Anwendungen, wie beispielsweise Zeichenprogrammen.

Für weitere Informationen siehe [Sch97a], [Sch97c] und [SW98].


Erzeugung von Liniengraphiken aus 3D-Modellen - Flexibles Rendering

Neben der Darstellung von Beleuchtungsinformationen über die Variation der Lininbreite oder -helligkeit, können noch weitere Attribute des gegebenen 3D-Modells bzw. durch Benutzerinteraktion festgelegte Attribute in der Visualisierung umgesetzt werden. Ein Beispiel hierfür wäre die Kodierung von Materialinformatione in verschiedenen Schraffuren. Für jede Darstellung müßte ein entsprechender Renderer entworfen werden. Die Verbindung unterschiedlicher Darstellungen in einem Bild gelingt durch die »Montage« der so erzeugten Einzelbilder.

Eine neue Möglichkeit der Integration verschiedener Rendering-Stiile in computergenerierten Liniengraphiken eröffnet sich durch eine fleiblere Behandlung des Renderingprozesses an sich. Dazu wird der Renderingvorgang als Zusammensetzung mehrerer Teile betrachtet, die über wohldefinierte Schnittstellen miteinander kommunizieren. Im Rahmen des Projektes wurde eine Zweiteilung der Rendering-Pipeline betrachtet:

  1. Die Projektionsphase enthält die Projektion des gegebenen 3D-Modells anhand eines entsprechenden Kameramodells, die Bestimmung sichtbarer Kanten und Flächen sowie Beleuchtungsberechnungen.

    Als Ergebnis entsteht das sogenannte angereicherte 2D-Modell, das neben der projizierten Geonmetrie sämtliche in der Projektionsphase bestimmten Werte beinhaltet. Hierzu gehören auch Zwischenergebnisse, wie die Koordinaten aller bei der Transformation verwendeter Koordinatensysteme. Ebenfalls enthalten sind weitere Attribute, die den Flächen bzw. Kanten des Modells zugeordnet sind. Dazu gehören beispielsweise Glättungsinformationen und Informationen über den Zusammenhang der Kanten im Modell.

    Das allgemeine angereicherte 2D-Modell enthält allgemein nutzbare Daten, die in der folgenden zweitern Phase in eine Visualisierung umgesetzt werden.

  2. In der Interpretationsphase werden die im angereicherten 2D-Modell enthaltenen Daten in eine Visualisierung umgesetzt. Dabei können unterschiedliche Verfahren verwendet werden, die in verschiedenen graphischen Darstellungen resultieren.

    Eine vom Benutzer vorgegebene Abbildung »übersetzt« die im angereicherten 2D-Modell enthaltenen Attribute in Parameter für verschiedene Interpretationsmodule, die der Projektionsphase nachgelaert sind. Die dadurch entstehenden Darstellungen können mehrerer Rendering-Stile in sich vereinigen. Ein Beispiel hierfür wäre die schraffierte Darstellung wichtiger Objekte, wogegen die anderen Teile der Szene als bloße Silhouette gerendert werden.

Die Interpretation der Modelldaten kann von der einfachen Darstellung der Bounding-Boxes der Modellteile bis hin zur Kombination mehrerer Stile in einer Abbildung reichen. Die folgenden zwei Beispiele zeigen etwas ausgereiftere Anwendungen. Die Darstellungen wurden nicht durch Überlagerung mehrerer Bider erzeugt, sondern nur durch die Anwendung unterschiedlicher Interpretationsmodule auf ein angereichertes 2D-Modell.

Stippling Darstellung der Oberflächenstruktur und der Lichtverhältnisse durch Stippling. Die Umrisse der Objekte wurden entsprechend der Beleuchtung mit unterschiedlich starken Linien angedeutet.
Abbildung groß (534x398, 8 kBytes)
Überlagerungsdarstellung Überlagerungsdarstellung; Die Umrisse der Objekte wurden entsprechend der Beleuchtung mit unterschiedlich starken Linien angedeutet, die Oberfläche durch flat shading.
Abbildung groß (534x398, 40 kBytes)
Abbildung von Objektkategorien Darstellung unterschiedlicher Objektkategorien durch verschiedene Linien. Dies entspricht einer Abbildung der Materialattribute auf die Linienstile. Im Beispiel sind Muskeln mit dünnn durchgezogenen Linien, Knochen gepunktet und Bänder mit breiten, hellen Linien gezeichnet.
Abbildung groß (481x409, 10 kBytes)

Die Auswahl der zu verwendenden Techniken kann sowohl durch direkte interaktive Zuweisungen von Interpretationsmodulen erfolgen, als auch über vorkonfigurierte Einstellungen. Die Parametrisierung der Rendering-Verfahren kann interaktiv über Zoom-Algorithmen vorgenommen werden.

Für weitere Informationen siehe [Sch97a], [Sch97b], [SSSS98], und [SW98].


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