Ein Anforderungskatalog für die Gestaltung von Laubbäumen in 3D

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1 Ein Anforderungskatalog für die Gestaltung von Laubbäumen in 3D Abschlussvortrag Projektarbeit Jörg Moldenhauer LFE Medieninformatik LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 1 / 33

2 Gliederung 1. Das Projekt Virtueller Förster 2. Grundlagen des biologischen Baumaufbaus 3. Modellierung Allgemein 3.1 Erstellen der Geometrien 3.2 Erstellen der Texturen 4. Die Bäume 4.1 Birke 4.2 Eiche 4.3 Buche 5. Vergleich mit generischer Baumerzeugung 5.1 Das Prinzip von L-Grammatiken 5.2 Tools 5.3 Vorteile der jeweiligen Herangehensweise LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 2 / 33

3 Das Projekt Virtueller Förster Zielgruppe: Förster, Studenten der Forstwirtschaft, private Waldbesitzer Ziel: Erlernung gezielter und effektiver Durchforstung von Wäldern Synthetisch erzeugter Wald Möglichkeit, die Durchforstung in einer virtuellen Umgebung durchzuführen und die Ergebnisse unmittelbar nach dem Handeln zu betrachten Zusammenarbeit von LMU und MDH Meine Rolle im Projekt: polygonbasiertes modellieren von Laubbäumen LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 3 / 33

4 Bäume in Computerspielen Gothic 3 (2006) Oblivion (2006) (Quelle: LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit moldenhauer@cip.ifi.lmu.de Folie 4 / 33

5 Gliederung 1. Das Projekt Virtueller Förster 2. Grundlagen des biologischen Baumaufbaus 3. Modellierung Allgemein 3.1 Erstellen der Geometrien 3.2 Erstellen der Texturen 4. Die Bäume 4.1 Birke 4.2 Eiche 4.3 Buche 5. Vergleich mit generischer Baumerzeugung 5.1 Das Prinzip von L-Grammatiken 5.2 Tools 5.3 Vorteile der jeweiligen Herangehensweise LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 5 / 33

6 Grundlagen des biologischen Baumaufbaus Wurzel: a) Pfahlwurzelsystem b) Herzwurzelsystem c) Senkerwurzelsystem (Quelle: Braun, 1998) Stamm: für die Gestaltung nur die äußerste Schicht (Borke) wichtig Äste und Zweige bilden die Krone verschiedene Architektur-Modelle (Quelle: Braun, 1998) Blätter (Quelle: Roloff, 1998) LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 6 / 33

7 Gliederung 1. Das Projekt Virtueller Förster 2. Grundlagen des biologischen Baumaufbaus 3. Modellierung Allgemein 3.1 Erstellen der Geometrien 3.2 Erstellen der Texturen 4. Die Bäume 4.1 Birke 4.2 Eiche 4.3 Buche 5. Vergleich mit generischer Baumerzeugung 5.1 Das Prinzip von L-Grammatiken 5.2 Tools 5.3 Vorteile der jeweiligen Herangehensweise LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 7 / 33

8 Modellierung Allgemein Unterteilung in drei Arten von Bauteilen : Stamm (inkl. Hauptäste und Wurzeln) Äste Zweige und Blätter Varianz durch unterschiedliche Kombinationen Arbeitsschritte: Modellieren der Teile Erstellen von Texturen Zusammensetzen LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit moldenhauer@cip.ifi.lmu.de Folie 8 / 33

9 Modellierung des Stamms Ausgangsobjekt: Zylinder Krümmung durch Modifikator Wird nach oben hin dünner, gabelt sich eventuell Gegebenenfalls Wurzeln Eventuell Hauptäste LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 9 / 33

10 Modellierung der Äste 2-Dimensionale Form erstellen Flächen kopieren, nach unten verschieben Untere und obere Flächen verbinden Mit Modifikator verziehen LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 10 / 33

11 Polygone sparen Runde Flächen/Kurven werden durch eckige Polygone angenährt Je mehr Polygone, desto glatter, aber auch desto mehr Rechenaufwand Lösung: Smoothing Groups Legen fest, wie Oberflächen zu rendern sind, ohne die Anzahl Polygone zu erhöhen Gerendert: 38 Polygone 76 Dreiecke 152 Polygone 304 Dreiecke 38 Polygone 76 Dreiecke LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 11 / 33

12 Zweige und Blätter Nicht einzeln modelliert Ebenen mit Textur Zwei Teile: Das eigentliche Bild Opacity Map LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 12 / 33

13 Bauteile Beispiel LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 13 / 33

14 Erstellen der Texturen Aus Fotos Stamm/Äste: aneinander gelegt Nahtstellen an den Rändern ausgleichen Zweige/Blätter: Bild ausschneiden Für Opacity-Map Kontrast erhöhen, Farben umkehren LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 14 / 33

15 Gliederung 1. Das Projekt Virtueller Förster 2. Grundlagen des biologischen Baumaufbaus 3. Modellierung Allgemein 3.1 Erstellen der Geometrien 3.2 Erstellen der Texturen 4. Die Bäume 4.1 Birke 4.2 Eiche 4.3 Buche 5. Vergleich mit generischer Baumerzeugung 5.1 Das Prinzip von L-Grammatiken 5.2 Tools 5.3 Vorteile der jeweiligen Herangehensweise LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 15 / 33

16 Die Birke Höhe: 30m Stammdurchmesser: 60cm Krone licht und schlank Dünne Äste Modellierung: Stamm ohne Wurzeln und Hauptäste Eventuell Gabelung im oberen Bereich Äste: große u. kleine, jeweils 4 verschiedene (Quelle: Mitchell & Wilkinson, 2004) LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit moldenhauer@cip.ifi.lmu.de Folie 16 / 33

17 Fertige Birken 673 Polygone Dreiecke 749 Polygone Dreiecke LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 17 / 33

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19 LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 19 / 33

20 Die Eiche Höhe: 40m Stammdurchmesser: 2,6m Krone weit ausladend Stark ästig Modellierung: Stamm mit Gabelung und dicken Hauptästen Äste: große u. kleine, jeweils 3 verschiedene (Quelle: Mitchell & Wilkinson, 2004) LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit moldenhauer@cip.ifi.lmu.de Folie 20 / 33

21 Fertige Eiche Polygone Dreiecke LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 21 / 33

22 LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 22 / 33

23 Die Buche Höhe: 45m Stammdurchmesser: 2,9m Tiefe Beastung Dünne Äste Hauptwurzeln auch über der Oberfläche zu erkennen Modellierung Stamm mit Gabelung und Hauptästen Wurzeln Äste: große u. kleine, jeweils 3 verschiedene (Quelle: Mitchell & Wilkinson, 2004) LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit moldenhauer@cip.ifi.lmu.de Folie 23 / 33

24 Fertige Buche Polygone Dreiecke LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 24 / 33

25 LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 25 / 33

26 Gliederung 1. Das Projekt Virtueller Förster 2. Grundlagen des biologischen Baumaufbaus 3. Modellierung Allgemein 3.1 Erstellen der Geometrien 3.2 Erstellen der Texturen 4. Die Bäume 4.1 Birke 4.2 Eiche 4.3 Buche 5. Vergleich mit generischer Baumerzeugung 5.1 Das Prinzip von L-Grammatiken 5.2 Tools 5.3 Vorteile der jeweiligen Herangehensweise LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 26 / 33

27 Das Prinzip von L-Grammatiken Mathematische Theorie über Pflanzenwachstum Parallele Ersetzungen ausgehend von einem simplen Initial-Objekt Bestandteile eines L-Systems: Ein Alphabet Ein nicht leeres Anfangswort (Axiom) Eine Menge von Ersetzungsregeln (Produktionen) Beispiel: Axiom: b Produktionen: a -> ab b -> a (Quelle: Prusinkiewicz & Lindenmayer, 1990) LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit moldenhauer@cip.ifi.lmu.de Folie 27 / 33

28 Das Prinzip von L-Grammatiken Durch L-Systeme erzeugte Befehle werden von einem Turtle interpretiert Befehle: F Mache einen Schritt der Länge d und zeichne eine Linie f Mache einen Schritt der Länge d ohne eine Linie zu zeichnen + Drehe dich um einen vorgegebenen Winkel gegen den Uhrzeigersinn - Drehe dich um einen vorgegebenen Winkel im Uhrzeigersinn Beispiel: Koch-Schneeflocke Axiom: F-F-F-F Produktion: F -> F-F+F+FF-F-F+F (Quelle: Prusinkiewicz & Lindenmayer, 1990) LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit moldenhauer@cip.ifi.lmu.de Folie 28 / 33

29 Das Prinzip von L-Grammatiken Speichern des gegenwärtigen Status des Turtle auf einem Stack [ speichere Status auf Stack ] hohle Status vom Stack Varianz durch Produktionswahrscheinlichkeiten Kontextsensitivität Parameter (Quelle: Prusinkiewicz & Lindenmayer, 1990) LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit moldenhauer@cip.ifi.lmu.de Folie 29 / 33

30 Tools GroIMP Java-ähnliche Syntax Nicht nur für Bäume Open Source Software (Quelle: SpeedTree Sehr ausgereift Im kommerziellen Bereich häufig verwendet Lizenzpflichtig (Quelle: LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 30 / 33

31 Vorteile der Herangehensweisen Vorteil des Modellierens Exakte Kontrolle Vorteile generischer Erzeugung Natürlichkeit Geschwindigkeit Varianz Fazit: Sofern möglich sollte heutzutage zur Erstellung von Bäumen ein generisches Tool verwendet werden LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 31 / 33

32 Fragen? LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit Folie 32 / 33

33 Bibliographie Braun, H. (1998): Bau und Leben der Bäume. Freiburg im Breisgau: Rombach Mitchell, A. & Wilkinson, John (2004): Pareys Buch der Bäume. Stuttgart: Franckh-Kosmos Verlags-GmbH & Co. KG Prusinkiewicz, P. & Lindenmayer, A. (1990): The Algorithmic Beauty of Plants. New York: Springer-Verlag Rodd, T. & Stackhouse, J. (2008): Wissen neu erleben Bäume. München: BLV Buchverlag GmbH & Co. KG Roloff, A. (1989): Kronenentwicklung und Vitalitätsbeurteilung ausgewählter Baumarten der gemäßigten Breiten. Frankfurt am Main: J.D. Sauerländer's Verlag Roloff, A (2004): Bäume Phänomene der Anpassung und Optimierung. Landsberg am Lech: Ecomed Verlagsgesellschaft AG & Co. KG Schütt/Weisgerber/Schuc/Lang/Stimm/Roloff (Hrsg.) (2006): Enzyklopädie der Laubbäume. Hamburg: Nikol Verlagsgesellschaft mbh & Co. KG LMU Lehr- und Forschungseinheit Medieninformatik Abschlussvortrag Projektarbeit moldenhauer@cip.ifi.lmu.de Folie 33 / 33