Computer Graphik I (3D) Dateneingabe

Transkript

1 Computer Graphik I (3D) Dateneingabe 1

2 3D Graphik- Pipeline Anwendung 3D Dateneingabe Repräsenta<on von 3D Daten Primi<ve Transforma<onen Räumliche Datenstrukturen Geometrieverarbeitung Rasterisierung Ausgabe 2

3 Kamera Lichtstrahlen laufen durch ein op<sches Zentrum Die Projek<on auf eine Ebene wird betrachtet In der Ebene befindet sich ein lichtempfindlicher Sensor 3

4 Kamera Sensor Lichtempfindliche Elemente 70% des Lichts werden von modernen photo- elektrischen Sensoren umgewandelt (vgl. 2% auf Film) Bayer Filter zur AuYeilung in die Primärvalenzen Effek<ve Auflösung von Farbkameras ist kleiner als Grauwertkameras 4

5 CG Interak=ve Eingabegeräte Direkt graphische Eingabegeräte Graphisches Table], Lichtgriffel, Touchpad, Touchscreen Indirekt graphische Eingabegeräte Maus (2D/3D) und Rollkugel, Polhemus, Datenhandschuh Marc Alexa, TU Berlin,

6 Interak=ve Eingabegeräte Touchpad Kapazi<ves Touchpad Horizontale und ver<kale Leiterbahnen formen eine Matrix von Kapazitäten Fingerkontakt entspricht Erdung und verändert die Kapazität Kapazität jedes Gi]erpunkts wird durch Anlegen einer Wechselspannung gemessen Wegen der sequen<ellen Betrachtung der Gi]erpunkt sind mehrfache Kontaktpunkte möglich (mul<touch) 6

7 Interak=ve Eingabegeräte Touchpad Resis<ves Touchpad Horizontale und ver<kale Leiterbahnen formen eine Matrix von Widerständen Druck verkleinert den Widerstand Widerstand jedes Gi]erpunkts wird durch Anlegen einer Gleichspannung gemessen Wegen der sequen<ellen Betrachtung der Gi]erpunkt sind mehrfache Kontaktpunkte möglich (mul<touch) 7

8 Interak=ve Eingabegeräte Touchscreen Op<scher Touchscreen Projek<onspla]e aus Acryl wird innen mit Infrarotlicht beleuchtet Wegen Totalreflexion verlässt das Licht die Pla]e nicht Bei Kontakt (mit z.b. einem Finger) tunneln Photonen nach außen und fallen auf das Objekt Dort werden sie reflek<ert und können mit einer Kamera iden<fiziert werden 8

9 Interak=ve Eingabegeräte Touchscreen Op<scher Touchscreen Projek<onspla]e aus Acryl wird innen mit Infrarotlicht beleuchtet Wegen Totalreflexion verlässt das Licht die Pla]e nicht Bei Kontakt (mit z.b. einem Finger) tunneln Photonen nach außen und fallen auf das Objekt Dort werden sie reflek<ert und können mit einer Kamera iden<fiziert werden 9

10 Interak=ve Eingabegeräte Touchscreen Op<scher Touchscreen II Projek<onspla]e wird von hinten beleuchtet Diffusor verteilt das Licht über der Pla]e Kommt ein Finger näher wird er erkennbar Kameras nehmen dann die Finger auf 10

11 Interak=ve Eingabegeräte Maus Rollmaus 1972, Xerox PARC Inverser Trackball Zwei op<sche Sensoren pro Schlitzrad zur Erkennung der Bewegungsrichtung 11

12 CG Interak=ve Eingabegeräte Maus Op<sche Maus Ab 1980: Op<sches Gi]er auf dem Mauspad Ab 1998 (2004 auf dem Massenmarkt): Verarbeitung der Reflexion von der Oberfläche, beleuchtet durch LED oder Laser Marc Alexa, TU Berlin,

13 Erfassung von Objekten Abtastung der op<schen EigenschaYen einer Szene Intensität von Lichtstrahlen Mo<viert durch das menschliche Sehen wird meist nur die Projek<on auf eine Ebene erfasst Abtastung der geometrischen EigenschaYen einer Szene Erstellung von Tiefenkarten bzgl. eines Sensors Fusion von Tiefenkarten 13

14 Abtastung realer Objekte Aufnahme eines oder mehrerer Tiefenbilder Registrierung der Tiefenbilder durch geeignete Transforma<onen 14

15 CG Marc Alexa, TU Berlin, 2012 Abtastung realer Objekte 15

16 Gewinnung von Tiefenbildern Taxonomie Tiefenbilderzeugung Kontakt Transmissiv Mechanisch (CMM) Inertial (Gyroskop, Beschl.-Aufn.) Ultraschall Tracker Magnetische Tracker Industrielle CT Ultraschall MR Reflektiv Nicht optisch Optisch Radar Sonar 16

17 CG Gewinnung von Tiefenbildern Passive op=sche Methoden - Inspira=on Marc Alexa, TU Berlin,

18 Gewinnung von Tiefenbildern Taxonomie Optische Methoden Passiv Aktiv Shape from X: Stereo Bewegung Beleuchtung Textur Fokus Defokus Aktive Varianten passiver Methoden Stereo mit projizierter Textur Aktive Tiefe aus Defokus Photometrisch Stereo Time of flight Triangulation 18

19 Gewinnung von Tiefenbildern Op=sche Verfahren Vorteile: Kontakmrei Sicher Typischerweise kostengüns<g Typischerweise schnell Nachteile: Empfindlich gegenüber Transparenz Mögliche Fehler durch Mehrfachreflexion oder Spiegelungen Textur 19

20 Gewinnung von Tiefenbildern Ak=ve Op=sche Verfahren Vorteile: Erzeugen dichte Menge von Abtastpunkten Robuster und genauer als passive Verfahren Nachteile: Zusätzliche Lichtquellen in der Szene Entspricht nicht dem menschlichen Sehen 20

21 Pulsed Time of Flight Idee: Bes<mmung der Zeit, die ein Lichtpuls von der Quelle zum Objekt und zurück benö<gt. Spiegel r 1 = cδt 2 Spiegel Sensor Halbdurchlässiger Spiegel Lichtquelle 21

22 Pulsed Time of Flight Vorteile: Grosses Arbeitsvolumen (bis 100 m.) Nachteile: Mässige Genauigkeit (~5 mm.) Erfordert Zeitmessung im 30 Picosekunden Bereich Ist unabhängig von der Objektgrösse Wird meist für Gebäude, Räume, Ruinen, etc. verwendet 22

23 Triangula=on 23

24 Triangula=on 24

25 Triangula=on 25

26 Triangula=on Bewegung von Kamera und Lichtquelle Unabhängige Bewegung führt zu Problemen mit Fokus und Auflösung Meistens sind Kamera und Lichtquelle fest miteinander verbunden 26

27 Triangula=on Bewegung von Kamera und Lichtquelle 27

28 Triangula=on Bewegung von Kamera und Lichtquelle 28

29 Triangula=on Erweiterung 3D Zusätzlicher beweglicher Spiegel (beweglicher Punkt) Besser: Projek<on einer Linie Objekt Laser Kamera 29

30 Triangula=on Diskussion Genauigkeit abhängig vom Arbeitsbereich (typisch ~1000:1) Lässt sich gut für kleine Objekte adap<eren (z.b. 5 cm Arbeitsbereich, 50 µm Genauigkeit) Lässt sich nicht für sehr grosse Objekte verwenden (Grundlinie wird zu lang) Mögliche Probleme durch Verdeckung des Kamerabildes oder der Lichtquelle Triangula<onswinkel: Schlechte Abtastung für zu kleine Winkel, mehr Verdeckungsprobleme bei grossen Winkeln (sinnvoller Bereich: ) 30

31 Triangula=on Probleme MaterialeigenschaYen (dunkel, spiegelnd) Mehrfachreflexion im Material Ausgefranste Kanten Texturrelief 31

32 Triangula=on Mehrere Streifen Kleinere Aufnahmezeite durch Projek<on mehrerer Streifen Wie iden<fiziert man die Streifen im Bild? Hoffen auf (im mathema<schen Sinn) gla]e Oberfläche 32

33 Triangula=on Mehrere Streifen Kleinere Aufnahmezeite durch Projek<on mehrerer Streifen Wie iden<fiziert man die Streifen im Bild? Farbige Streifen 33

34 Triangula=on Mehrere Streifen Kleinere Aufnahmezeite durch Projek<on mehrerer Streifen Wie iden<fiziert man die Streifen im Bild? Zeitanhängige Streifenmuster 34

35 Triangula=on Zeitabhängige Streifenmuster Jeder Streifen erhält einen eindeu<gen Code [Posdamer 82] Zeit Ort 35

36 Triangula=on Gray Code Streifenmuster Zur Minimierung von möglichen Fehlern wechselt zwischen benachbarten Punkten nur ein Bit Zeit Ort 36

37 Triangula=on Streifenmuster Kinnect ist ein Streifenlichtscanner 37