Sprachen

Modellierung, Simulation und Visualisierung der natürlichen Umgebung

Ein Bestreben der Computergraphik ist die realitätsnahe visuelle Repräsentation von Erscheinungen der natürlichen Umgebung. Grundlage hiervon sind die Physik, speziell die Optik und die Mechanik, und die Geometrie. Die Forschungsarbeiten des Lehrstuhls Informatik lassen sich in die Teilgebiete „Fotorealistische Bilderzeugung“ und "Geometrie- und Mechanik-basierte Modellierung“ gliedern, über die im Folgenden eine Übersicht gegeben wird.

Fotorealistische Bilderzeugung

Die Arbeiten im Bereich fotorealistische Bilderzeugung des Lehrstuhls Informatik VII gehen auf Aktivitäten an der Universität Karlsruhe zurück, die Mitte der Achzigerjahre begannen. Sie sind im Wesentlichen in den zwei Büchern [Müller, 1988] und [Leister et al.] dokumentiert. Gegenstand war die effiziente Bilderzeugung durch das Strahlverfolgungsverfahren.

Das Projektionsprojekt „Photo-Realistic Rendering“, das Anfang der Neunzigerjahre begann, hatte das Radiosity-Verfahren als Schwerpunkt. Ein Interesse lag dabei auf dem Einsatz von Monte-Carlo-Techniken zur Bilderzeugung, siehe auch die Dissertation [Diss. Pietrek] und die Projektgruppe [MoCaRT++] .Die Dissertation [Diss. Bohn 2000] setzt funktionsrepräsentierende neuronale Netze zur Radiosity-Berechnung ein. Ein weiteres Promotionsprojekt „Parallel Simulation of Global Illumination” widmete sich insbesondere dem Aspekt der verteilten Berechnung fotorealistischer Computergraphik auf Grundlage der allgemeinen Bilderzeugungsgleichung. Daraus ist die Dissertation [Diss. Garmann, 2000] hervorgegangen. Ferner ist die Publikation [Garmann et al., 2003] zu erwähnen, die eine genaue Effizienzanalyse des hierarchischen Radiosity-Verfahrens zum Gegenstand hat.

In dem DFG-Projekt „Efficient solution of visibility problems of realistic image synthesis and related geometric query problems” lag das Interesse auf der effizienten Berechnung der Sichtbarkeitsverhältnisse in einer Szene, die eine Kernaufgabe bei der fotorealistischen Bilderzeugung darstellt. In diesem Projekt ist die Dissertation [Diss. Hinkenjann] entstanden.

Insbesondere im Rahmen von Diplomarbeitsprojekten wurden zudem weitere Aspekte zur Generierung realistisch wirkender Bilder aus dreidimensionalen Szenen entwickelt. In jüngerer Zeit liegt der Schwerpunkt auf dem Einsatz von Graphik-Hardware zur interaktiven Berechnung verschiedener Effekte. Dies schließt die Ausnutzung von programmierbaren Shadern ein. Gegenstände waren die Approximation von Silhouetten [DA Arbatzat, DA Twelker, DA Raddatz], die Erzeugung weicher Schatten [DA Hengesbach] sowie die Simulation und Visualisierung von Wellenbewegungen in flachem Wasser [DA Becker]. Auch wurde eine Programmbibliothek zur komprimierten Ablage von Texturen auf Graphikkarten für interaktive Anwendungen entwickelt [Klandt, 2006]. Bei der nicht echtzeitfähigen fotorealistischen Bilderzeugung wurde eine Client-Server-Architektur zur realistischen Darstellung realer Umgebungen mit bildbasierten Methoden erstellt [Kuck, 2001].

Projekte:

Photo-Realistic Rendering (1992-1998) Parallel Simulation of Global Illumination (1995-2000?) Efficient Solution of Visibility Problems of Realistic Image Synthesis and Related Geometric Query Problems (1995-1999)

Publikationen (sofern nicht bei den Projektbeschreibungen aufgeführt):

W. Leister, H. Müller, A. Stößer, Fotorealistische Computeranimation, Springer-Verlag, Heidelberg, 1991,

H. Müller, Realistische Computergraphik, Springer-Verlag, Heidelberg, 1988

Robert Garmann, Heinrich Müller, On the computational complexity of hierarchical Radiosity, in: Rolf Klein, Hans-Werner Six (eds.), Computer Science in Practice, Lecture Notes in Computer Science 2598, Springer-Verlag, Berlin, 2003, 167-178

Dissertationen:

[Diss. Bohn] Christian-Arved Bohn, Radiosity on Evolving Networks, Dissertation Fachbereich Informatik, Universität Dortmund, 2000

[Diss. Garmann] Robert Garmann, New Contributions to Spatial Partitioning And Parallel Global Illumination Algorithms, Dissertation Fachbereich Informatik Universität Dortmund, 2000

[Diss. Hinkenjann] André Hinkenjann, Effiziente Lösungsverfahren für Sichtbarkeitsprobleme in der realitätsnahen Bildsynthese, Dissertation Fachbereich Informatik Universität Dortmund, 2000

[Diss. Pietrek] Georg Pietrek, Verfahren zur verbesserten Approximation von Lichtverteilungen in der fotorealistischen Bildsynthese, Dissertation Fachbereich Informatik Universität Dortmund, 2001

Diplomarbeiten (weitere bei den Projektbeschreibungen):

Martin Arbatzat, 2006, Echtzeit-Clipping an inneren und äußeren Silhouetten von 3D Objekten durch Netzkomposition

Andre Dierker, 2002, Bidirektionales Rendering: Ein kombiniertes Monte-Carlo-/Finite-Elemente-Verfahren

Olaf Hengesbach, 2006, Erzeugung physikalisch orientierter weicher Schatten in Echtzeit mittels Displacement-Mapping von Objektsilhouetten

Alexander Klandt, 2006, Wavelet-basierte Texturdekompression auf programmierbarer Grafikhardware

Roland Kuck, 2001, Realistische Darstellung realer Umgebungen auf einer Client-Server-Architektur durch bildbasierte Methoden

Dominik Raddatz, 2004, Shaderbasiertes Silhoutten Clipping, angefertigt am FhG IMK, Sankt Augustin

Reimar Twelker, 2005, Shader-basiertes Horizon-Mapping für Silhouette Clipping, angefertigt am FhG IMK, Sankt Augustin

Projektgruppen:

[MoCaRT++]
Ein objektorientiertes Programmsystem für Monte-Carlo Bildsynthese

Geometrie- und Mechanik-basierte Modellierung

In diesem Zusammenhang sind am Lehrstuhl Informatik VII diverse Problemstellungen bearbeitet worden, insbesondere in Diplomarbeiten. Diese betreffen die Generierung von Stadtlandschaften [DA Brümmer], von Baumlandschaften [DA Kerner], von Feuer [DA Sprint], von elastischen Flächen und Körpern [DA Belitz, DA Sunder] und von Bekleidung [DA Wiederkehr]. Weitere Arbeiten hatten die Simulation des Kniegelenkes [DA Wawro] und die Simulation von Tageslenksystemen [DA Eggenstein] zum Gegenstand. Eine Arbeit befasste sich mit der bildsequenzbasierten Erfassung von Gegenständen der Umgebung [DA Weitzig].

Zu erwähnen sind auch studentische Projektgruppen. Die Projektgruppe [Beyond Graphics] befasst sich mit der Simulation von Strömungen unter Einsatz von Graphik-Hardware. Gegenstand der Projektgruppe [Graphaeology.net] war die Digitalisierung von archäologischen Ausgrabungsgegenständen in geometrische Modelle zur Bereitstellung und Visualisierung im Internet.

Die Projektgruppe [D-Collide] hatte die Entwicklung einer echtzeitfähigen Kollisionsbehandlung für die physikalische Simulation in virtuellen Umgebungen zum Thema.

Diplomarbeiten (weitere bei den Projekten):

Hendrik Becker, 2006, GPU-basierte Echtzeit-Simulation und Visualisierung von Shallow Water Equations, angefertigt in Kooperation mit dem Lehrstuhl Mathematik III

Richard von Klitzing, 2002, Effiziente Simulation und Visualisierung von dynamischen Wolkeneffekten+

Projektgruppen:

[D-Collide]
Entwicklung einer echtzeitfähigen Kollisionsbehandlung für die physikalische Simulation in virtuellen Umgebungen

[Graphaeology.net]
Entwurf und Entwicklung eines Systems zur Rekonstruktion archäologischer Artefakte basierend auf multiplen dreidimensionalen Scans zum Zweck einer netzbasierten Visualisierung

[Beyond Graphics]
Strömungssimulation in der GPU