Automatisch-generierte Texturen aus Laserpunktwolken

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1 Automatisch-generierte Texturen aus Laserpunktwolken Sharon Friedrich, Maik Häsner Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg Interdisziplinäres Zentrum für wissenschaftliches Rechnen (IWR) Softwarepraktikum für Fortgeschrittene Betreuer: Christoph Hoppe, Dr. Susanne Krömker 11. Juni 2008

2 2 Gliederung 1. Einleitung 1. Begriffe 2. Pointmesh 3. Rekonstruktion Kloster Lorsch 3. Ausblick

3 3 1. Einleitung Motivation: Digitale Darstellung von Objekten der realen Welt z. B. zu Studienzwecken, zur Planung oder Weiterverarbeitung Anwendung: z. B. Medizin, Industrie, Archäologie, Architektur- und Kunstwissenschaften

4 4 1. Einleitung Menschliche Leber mit Gefäßbaum und Tumor [1] Strömung um das Eco Veículo Mondego XC01 [2]

5 5 1. Einleitung Laser-Scan einer Statue [1]

6 6 1.1 Begriffe Punktwolken Endliche Menge von Punkten im 3-dimensionalen Raum Keine Verbindung zwischen den Punkten 3D-Meshes Polygonnetze zur Darstellung von Oberflächenmodellen Entstehen aus Punktwolken durch Vermaschung (z. B. Triangulierung)

7 7 1.1 Begriffe Visualisierung Methode, um aus einer Menge von Daten eine bildliche Vorstellung zu schaffen 2D- und 3D-Visualisierung Beispiel: 3D-Laserscan 3D-Laserscan Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung von Objekten Punktwolken Verarbeitung der Punktwolken z. B. durch Triangulierung zu dreidimensionalen Oberflächenmodellen (Meshes) [4]

8 8 1.1 Begriffe Texturen Bilder, die auf die Oberfläche von dreidimensionalen Objekten abgebildet werden Detailreiche und realistische Darstellung mit reduziertem Rechenaufwand Normalenvektor Vektor, der senkrecht auf einer Kante oder Fläche steht Normale Gerade mit Normalenvektor als Richtungsvektor

9 9 1.2 Pointmesh Software zur Visualisierung von 3D-Laserscans Unterstützt Text- und VRML-Dateien Lädt Koordinaten, Oberflächen- und Farbinformationen aus Datei Stellt Punktwolken dar Ermöglicht Vermaschung Navigation und Bildausschnitte Abspeichern in Text- oder VRML-Dateien

10 Pointmesh

11 Rekonstruktion Kloster Lorsch Projekt am IWR Anhand vorhandener Materialien (z. B. Pläne, Aufzeichnungen) Konstruktion mehrerer 3D- Modelle Keine exakte Rekonstruktion möglich Vermessung des Geländes 3D-Visualisierung von Klosterresten mit Hilfe von 3D-Laserscannern und Software wie Pointmesh

12 12 Aufgabe: Erweiterung der Software Pointmesh Screenshotfunktion Erstellung von Texturen aus den vermaschten Datenmodellen Laden von Texturen Auswahl von Punkten und Darstellung ihrer Normalen zur Unterstützung der Vermaschung eckiger bzw. runder Objekte

13 13 Screenshotfunktion Wahlweise Speichern des gesamten Fensterinhalts (Viewport) oder nur eines markierten Ausschnitts als Bilddatei Bitmap als Dateiformat Dateikopf, Informationsblock, Bilddaten Gewählte Farbtiefe: 24 bpp jeweils ein Byte für blauen, grünen und roten Farbkanal Funktion zum Schreiben eines Bytes Farbinformationen aus Framebuffer

14 14 Screenshotfunktion Verwendung z. B. als Textur Seitenlängen von Texturen in OpenGL müssen 2er Potenz sein Erweiterung des Screenshots um pinke Pixel

15 15 Erstellung von Texturen aus den vermaschten Datenmodellen Funktion in Pointmesh: Vermaschen der Punktwolken mit Zuordnung der Farbwerte je detailreicher, desto mehr Rechenzeit Idee: Verwendung von Texturen Einmalige rechenaufwändige Vermaschung

16 16 Erstellung von Texturen aus den vermaschten Datenmodellen Aufgabe: Abspeichern des erzeugten Oberflächenmodells als Textur Bitmap als Dateiformat Informationen eines Meshes in Vector- Datenstruktur abgelegt Problem: Wie werden Daten während Vermaschung gespeichert?

17 17 Erstellung von Texturen aus den vermaschten Datenmodellen [5]

18 18 Erstellung von Texturen aus den vermaschten Datenmodellen

19 19 Erstellung von Texturen aus den vermaschten Datenmodellen

20 20 Erstellung von Texturen aus den vermaschten Datenmodellen Vermaschung links beginnend für jede Zeile von unten nach oben vs. Speicherung einer Bitmap unten beginnend von links nach rechts Speichern eines Pixels in der Bitmap Überspringen der nachfolgenden Pixel im Vektor bis rechter Nachbarpixel erreicht Erweitern mit pinken Pixeln

21 21 Laden von Texturen Erzeugte Textur in Stücke zerteilen Größe eines Quadrats im Mesh OpenGL verlangt Seitenlängen als 2er Potenzen Beim Speichern: Erweiterung um pinke Pixel Beim Laden: Überspringen der pinken Pixel

22 22 Auswahl von Punkten und Darstellung ihrer Normalen Problem bei Vermaschung: Richtungswechsel z. B. bei runden / eckigen Objekten Richtungswechsel durch Kompassfarben erkennbar Zuhilfenahme von Normalen geben Richtung an Implementierung eines Würfels Punkte innerhalb des Würfels ausgewählt Entscheidungsfunktion Punkt drin oder nicht

23 23 Auswahl von Punkten und Darstellung ihrer Normalen Problem bei der Auswahl von Punkten: Definition der Transformationsmatrix Grund: Transformationen an Punktwolken beim Laden (Translation + Rotation) Rückgängig machen der Transformationen

24 24 Auswahl von Punkten und Darstellung ihrer Normalen Ermittlung der Normalen für ausgewählte Punkte Problem: Punkte besitzen keine Normalen ABER: Kompassfarbe eines Punktes gibt Richtung an Normalenvektors eines Punktes: Rot = * x Grün = * y Blau = * z Berechnung eines zweiten Punktes auf der Normalen durch gegebene Informationen des Punktes 2 Punkte zum Zeichnen der Normalen

25 25 Auswahl von Punkten und Darstellung ihrer Normalen Implementierte Funktionen für Vermaschung verwendbar

26 26 Auswahl von Punkten und Darstellung ihrer Normalen

27 27 3. Ausblick Kenntnisse in der Visualisierung von Objekten, insbesondere in der Vermaschung hinzugewonnen Geringe bis keine Kenntnisse in der Computergraphik erschwerten anfangs das Verständnis der sehr komplexen Algorithmen im Programm

28 28 Literatur [1] [2] [4] [5] [6] SEITEL, Mathias; WOLF, Ivo; MEINZER, Hans-Peter: Medizinische Bildverarbeitung. 4. Visualisierung Vorlesungsfolien aus dem WS 07/08 CFX Berlin Software GmbH: ANSYS CFX in der Fahrzeugtechnik URL Zugriffsdatum: CALLIDUS precision systems GmbH: 3D Scanning URL Zugriffsdatum: HOPPE, Christoph; DUCATI, Dominik: Meshing Point Clouds from 3D Laser Scans URL Zugriffsdatum: IWR: Rekonstruktion und Informationssystem Kloster Lorsch URL Zugriffsdatum: