Konzepte und 3D-Visualisierung interaktiver, perspektivischer Karten

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1 Konzepte und 3D-Visualisierung interaktiver, perspektivischer Karten Zusammenfassung In diesem Beitrag werden Konzepte für interaktive, dreidimensionale Karten vorgestellt, die die integrierte Präsentation und Exploration kartographischer Daten ermöglichen. Interaktive, perspektivische Karten werden auf der Basis hybrider, digitaler Geländedaten erstellt und können zusammen mit thematischen Daten in einem generischen 3D-Modell in unterschiedlichen Auflösungsstufen dargestellt werden. Ein neues Konzept zur Darstellung von kartographisch-topographischen und thematischen Daten wird diskutiert, das extensiv Texture-Mapping nutzt und somit auf moderner Graphik-Hardware ein effizientes Arbeiten und eine hohe Bildqualität gewährleistet. Die Konzepte zur Interaktion mit kartographischen Daten basieren auf Navigationsstrategien, die auf die Bedürfnisse georreferenzierter Daten zugeschnitten sind, und auf Explorationsstrategien, die die visuell unterstützte Analyse kartographischer Daten ermöglichen. Die Konzepte wurden in einem prototypischen interaktiven, kartographischen 3D-Visualisierungssystem implementiert, dessen Architektur beschrieben wird. Eine Fallstudie zur Visualisierung eines kartographischen Datensatzes illustriert dieses System. 1 Einführung Ein kartographisches 3D-Visualisierungssystem bildet den Ausgangspunkt für die Realisierung von interaktiven, perspektivischen Karten. Eine solche Karte hat die Aufgabe, kartographische Daten zu visualisieren und deren interaktive Exploration durch den Benutzer zu ermöglichen. Interaktive, perspektivische Karten sind im Sinne von MacEachrens und Taylors (Cartography) 3 universell mit hoher und niedriger Interaktivität verwendbar. Sie beinhalten die technischen Voraussetzungen für die Präsentation von Bekanntem und die Exploration von Unbekanntem. Interaktive, perspectivische Karten lassen sich sowohl als Planungswerkzeug für den Spezialisten wie auch als Präsentationswerkzeug für ein breites Publikum einsetzen (MACEACHREN et al., 1994). Die in diesem Beitrag vorgestellten Konzepte für die Modellierung und Gestaltung solcher Karten orientieren sich an den Anforderungen der kartographischen Praxis. Die Konzepte lassen sich zudem auf andere Anwendungsfelder übertragen, die georeferenzierte Daten verwalten, visualisieren und analysieren. Abschnitt 2 befaßt sich im Folgendem mit der Modellierung und Visualisierung kartographischer Daten. Insbesondere werden das hybride, digitale Geländemodell und das 3D- Rendering kartographischer Daten diskutiert. Abschnitt 3 stellt eine Reihe von Strategien für die Interaktion mit kartographischen Daten, insbesondere für die Navigation und Explo-

2 2 ration, vor. Abschnitt 4 beschreibt die Systemarchitektur und die Implementierung eines prototypischen, interaktiven, kartographischen 3D-Visualisierungssystems. Abschnitt 5 beinhaltet eine Fallstudie und eine konkrete Anwendung der Konzepte auf einen ausgewählten kartographischen Datensatz. Für grundlegende Begriffe der Computergraphik, z.b. Text ure-mapping und Gouraud-Schattierung, sei auf (FOLEY et al., 1994) verwiesen. 2 Konzepte für die Visualisierung kartographischer Daten Dieser Abschnitt diskutiert Konzepte für die Modellierung und das 3D-Rendering kartographischer Daten. Die Modellierung befaßt sich mit einem neu entwickelten hybriden Geländemodell sowie mit der Darstellung von kartographischen Fachdaten. Die Konzepte für das Rendering fokussieren sich auf die Gestaltung kartographischer Darstellungen und deren effiziente Umsetzung mit Mitteln der 3D-Computergraphik. 2.1 Modellierung kartographischer Daten Die Modellierung kartographischer Daten muß den Einsatz eines Multiresolutions-Modells für die Geländemodellierung, die Kombination von unterschiedlich strukturierten, sogenannten hybriden Datensätzen, und die Integration von Fachdaten und Geländedaten unterstützen. Eine Datenstruktur, die ein Gelände modelliert, muß so konzipiert sein, daß für die in der geographischen und kartographischen Praxis üblichen großen Datensätze die Echtzeit- Visualisierung gewährleistet wird. Um dieses Ziel zu erreichen, werden folgende, bekannte Techniken angewandt: Level-Of-Detail (LOD): Verschiedene Auflösungsstufen eines Geländemodells werden erzeugt. Beim Rendering wird je nach Entfernung eines Geländebereiches von der Kamera der passende Detailierungsgrad (LOD) ausgewählt. View-Volume-Culling: Nicht im Sichtvolumen liegende Geländebereiche werden bei der Bildgenerierung vorab entdeckt und nicht an die Rendering-Pipeline weitergeleitet. Caching: Die geometrischen Daten von Geländebereichen werden nach dem ersten Zeichnen von der Graphik-Hardware zwischengespeichert Multiresolutions -Modellierung von Geländedaten Bei der Multiresolutions-Modellierung werden verschiedene LOD eines Modells erzeugt und in einer Datenstruktur verwaltet. Das Multiresolutions-Modell legt die Kriterien fest, ob und wann ein bestimmter LOD des Modells verwendet wird. Allgemeine Ansätze zur Multiresolutions-Modellierung finden sich u.a. bei (HECKBERT et al., 1994) und (HOPPE, 1997). Ansätze, die sich speziell mit Multiresolutions-Modellierung für Geländemodelle befassen, finden sich bei (CIGNONO et al., 1995), (VOIGT MANN et al., 1997) und (DEFLORI- ANI et al., 1989). In dem hier vorgestellten Ansatz, wurde ein generisches Multiresolutions- Modell (BAUMANN et al., 1999) entwickelt, welches verschiedene Multiresolutions- Modellierungstechniken für ein Geländemodell kombiniert. Dadurch kann das Multiresolutions-Modell in dem vorgestellten Visualisierungssystem durch neue Verfahren erweitert und an die jeweiligen Datensätze leicht angepaßt werden.

3 Konzepte und 3D-Visualisierung interaktiver, perspektivischer Karten Abb. 1: Geländemodell bestehend aus Gitterdaten kombiniert mit triangulierten Feinstrukturen (links). Leine-Tal Datensatz ohne (mitte) und mit (rechts) Feinstrukturen Modellierung hybrider Geländedaten Eine Struktur, die alle oben beschriebenen Techniken unterstützt, ist der in (BAUMANN et al., 1999) beschriebene ApproximationTree. Dabei handelt es sich um eine hybride Datenstruktur, welche sowohl Geometrie- als auch Textur-Daten eines Geländes in einem Multiresolutions-Modell vereint. Die Kombination von Geometrie- und Textur-Daten kann bei geschicktem Rendering zu erheblichen Performance-Gewinnen führen (Abschnitt 2.2). Der ApproximationTree ist generisch, so daß innerhalb eines Geländemodells Daten unterschiedlichen Formats, z.b. irreguläre Dreiecksnetze oder reguläre Gitter, verwaltet werden können (Abb. 1 links). In Abbildung 1 (mitte und rechts) ist ein hybrider Datensatz ohne und mit Feinstrukturen visualisiert. Auf dem mittleren Bild werden ohne Feinstrukturen Dreiecke, auf der rechten Seite mit Feinstrukturen Dreiecke dargestellt. Die visuelle Qualität steigt drastisch durch Hinzufügen von nur Dreiecken. Feinstrukturen finden sich in kartographischen Datensätzen dort, wo eine höhere Genauigkeit im Geländemodell notwendig ist. So können z.b. Bruchkanten geometrisch exakt modelliert und ohne Interpolation visualisiert werden. Genau erfaßte kartographische Daten werden nicht für die Visualisierung konvertiert oder topologisch transformiert, so daß diese auch im visuellen Modell beibehalten und identifiziert werden können. Ein Hauptunterschied zu anderen auf Geodaten ausgerichteten Visualisierungsumgebungen (z.b. KOLLER et al., 1995) liegt in diesem generischen Multiresolutions-Modell Modellierung kartographischer Fachdaten Kartographische Daten umfassen neben den geometrischen Daten des Geländemodells weitere Fachdaten, z.b. thematische Daten. Diese Daten liegen im allgemeinen in unterschiedlicher Struktur vor, z.b. als rasterisierte 2D-Karte, als vektorieller Datensatz oder in Form einer thematischen Datenbank. Das Objektmodell, auf dem die Visualisierungsumg e- bung basiert, modelliert die kartographischen Daten als Fachobjekte. Fachobjekte abstrahieren und kapseln kartographische und aus der Exploration gewonnene Daten, wie z.b. interaktiv erstellte Landmarkierungen. Zu einem Fachobjekt-Typ ist im allgemeinen zugleich ein visueller Fachobjekt-Typ definiert. Ein visuelles Fachobjekt ist für die Visualisierung der Fachdaten zuständig. Die Se-

4 4 mantik der Fachdaten bleibt bei der Visualisierung erhalten, weil die visuellen Fachobjekte mit den zugehörigen Fachobjekten in Beziehung stehen. Kartographische Daten erhalten innerhalb der Visualisierungsumgebung durch die objektorientierte Modellierung eine Identität, die nicht in traditionellen Ansätzen durch Konvertierung der Datensätze verloren geht. Alle Fachobjekte, die ein Benutzer zu einem Geländemodell assoziiert oder erstellt, werden in einem speziellen Fachobjekt, dem Projekt, gesammelt. Eine grundlegende Fähigkeit aller Fachobjekte ist die Persistenz, d.h. Fachobjekte können ihren Zustand und ihre Beziehungen zu anderen Fachobjekten auf einem externen Medium speichern und wiederherstellen. Die Persistenz ermöglicht eine effiziente, binäre Speicherung von Projektdaten. Die Modellierung kartographischer Daten in Form von Objekten ermö glicht die Integration dieser Daten in ein komplexes, objektorientiertes System. Aufgrund des objektorientierten Datenmodells kann eine so aufgebaute Visualisierungsumgebung leichter an Objektverteilungs- und Objektintegrationsmechanismen wie z.b. CORBA oder ActiveX teilhaben. 2.2 Rendering kartographischer Daten Die Visualisierung der kartographischen Daten erfolgt technisch durch das 3D-Rendering. Drei Aufgabenbereiche lassen sich innerhalb der Visualisierungsumgebung unterscheiden: Rendering des Geländemodells: Ein spezielles Schattierungsverfahren ermöglicht die effiziente Ausgabe des Multiresolutions-Modells für hybride Geländedaten. Rendering der thematischen Daten: Die Visualisierung dieser Daten ist gekoppelt an die Darstellung des Geländemodells und nutzt zweidimensionale Texturen. Rendering der weiteren Fachdaten durch Glyphen: Eine Reihe von thematischen Daten, die nicht in der Geländetextur enthalten sind, werden durch 3D-Symbole, die sogenannten Glyphen, in der Geländedarstellung visualisiert Rende ring der Geländegeometrie mit topographischer Texturierung Durch Multiresolutions-Modellierung wird die Zahl der Dreiecke zur Darstellung des Geländes signifikant reduziert. Die Schattierung des Geländemodells erfolgt im allgemeinen durch Interpolation der Farben an den Ecken jedes Dreiecks (Gouraud-Schattierung). Damit hängt die Qualität der Schattierung von der Auflösung des Geländemodells ab und führt insbesondere bei großen Dreiecken zu einer visuellen Verfälschung der Geländetopographie. Setzt man voraus, daß die zugrundeliegende Hardware die Darstellung von Texturen beschleunigt, kann das Rendern eines komplexen Geländemodells durch den Einsatz von topographischen Texturen qualitativ verbessert und erheblich beschleunigt werden. Dabei wird das Geländemodell in einem Preprocessing-Schritt in einer Aufsicht mit der höchsten Auflösung schattiert gezeichnet und das resultierende Bild in einer Textur abgelegt. Bei der Bildgenerierung wird für das Multiresolutions-Modell diese Textur zur Schattierung des Geländemodells verwendet, d.h. die Textur wird auf das unbeleuchtete geometrische Modell projiziert, wobei das Gouraud-Schattieren des Modells entfällt. Die Textur beinhaltet die Beleuchtungsinformation und wird mit Hilfe des Texture-Mappings auf jedes zu zeichnende Pixel angewandt. Dadurch erhalten selbst grob aufgelöste geometrische Modelle ein hohes Maß an topograpischen Details, weil die topographische Information primär über die Schattierungsinformation wahrgenommen wird (Abb. 2).

5 Konzepte und 3D-Visualisierung interaktiver, perspektivischer Karten Abb. 2: Gegenüberstellung der visuellen Qualität: links Gouraud-schattiertes Modell mit hoher Auflösung, rechts gering aufgelöstes Modell topographisch schattiert. Die topographische Schattierung muß für jedes Geländemodell bei einer Änderung der Lichtverhältnisse neu berechnet werden. Enthält ein Geländemodell Feinstrukturen mit scharfen Bruchkanten, können durch die Verwendung einer topographischen Textur diese Kanten aufgrund der beschränkten Texturgröße verschwimmen. Damit dieser Effekt nicht auftritt, müssen die Feinstrukturteile, die eine pixelbasierte Fehlerschranke unterschreiten, mit der Gouraud-Schattierung gezeichnet werden Rendering von thematischen Daten mittels Geländetexturen Die Methode der topographischen Texturierung kann dahingehend erweitert werden, daß nicht nur topographische Elemente des Geländemodells, sondern auch thematische Elemente mit in die entstehende Textur einbezogen werden. Zum Beispiel können Landnutzungsinformationen und hypsometrische Geländefärbungen in eine solche Geländetextur integriert werden. Um die Komposition der Geländetextur technisch effizient zu realisieren, wird folgendes Verfahren benutzt: Zunächst wird das Geländemodell Gouraud-schattiert in ein Offscreen- Window gezeichnet. Anschließend werden die einzelnen thematischen Texturen mit dem Offscreen-Bild vermischt. Das resultierende Offscreen-Bild wird im letzten Schritt als neue Geländetextur abgelegt, die nun neben der topographischen Information auch die thematische Informationen beinhaltet. Die Qualität dieser Geländetextur kann beliebig über die Texturgröße skaliert werden. Ändert sich die ausgewählte Thematik, muß die Komposition wiederholt werden. Jedoch kann davon ausgegangen werden, daß während des interaktiven Arbeitens mit dem Geländemodell die Thematik konstant gewählt bleibt. Würden die thematischen Daten durch einzelne Texturen abgebildet (und nicht in einem Preprocessing Schritt kombiniert), wäre die Anwendung technisch i.a. auf eine einzige aktive Textur beschränkt, d.h. die einzelnen thematischen Texturen könnten nicht zeitgleich durch die Hardware verwendet werden. Die Komposition der Texturen ist daher Laufzeiteffizient und erweitert die Darstellungsmöglichkeiten. Die Kompositionsmöglichkeiten werden in Zukunft durch das sog. Multitexturing erweitert, das die zeitgleiche Anwendung mehrerer, unabhängiger Texturen erlaubt.

6 Rendering thematischer Daten mittels Glyphen Thematische Daten können in der Geländedarstellung alternativ durch graphische Symb ole, die sogenannten Glyphen, repräsentiert werden. Glyphen sollen leicht wahrnehmbar diskrete, thematische Daten georeferenziert visualisieren, ihre flächenhafte Ausdehnung oder ihr vereinzeltes Auftreten leicht erfaßbar werden lassen. Zum Beispiel kann die Landnutzungsinformation "Wald" durch Baum-Glyphen dargestellt werden (Abb. 3 links). Glyphen sind technisch durch teiltransparente, zweidimensionale Texturen implementiert. Der Aufbau eines anwendungsspezifischen Glyphalphabets ist daher leicht zu realisieren. Die Verwendung von Glyphen selbst in großer Zahl ist möglich, da ein einzelner Glyph durch ein einziges Rechteck dargestellt wird und somit keine große geometrische Komplexität besitzt. Die Glyphen lassen sich ggf. automatisch immer zum Betrachter orientieren (Billboarding), um perspektivisch verzerrte Darstellungen zu vermeiden. 3 Konzepte für die Interaktion mit kartographischen Daten Ein statisches, perspektivisches Bild vermittelt nur schwer die räumliche Struktur eines Geländemodells. Die Navigation durch die dreidimensionale Szene verhilft dem Benutzer das Geländemodell räumlich zu erfassen. Die direkte Interaktion mit dem Geländemodell erlaubt es dem Benutzer seine für ihn wichtigen Informationen aus den visualisierten Daten zu entnehmen. Der interaktive Umgang mit kartographischen Daten ist die Voraussetzung, um mit Hilfe der kartographischen Visualisierung nicht nur ein Präsentationswerkzeug, sondern auch ein Explorationswerkzeug bauen zu können, welches z.b. Funktionalität für Kartometrik und Analyse bereitstellt. 3.1 Navigationsstrategien Bei der Entwicklung von Navigationsstrategien für Kartographen sind einige grundlegende Restriktionen zu beachten: Die Kamera muß relativ zum fest in der Szene verankerten Geländemodell bewegt werden. Dabei sollte die Kamera so ausgerichtet sein, daß der Horizont stets waagerecht ist. Das Geländemodell sollte immer unterhalb vom Betrachter liegen. Die Kamera sollte nicht die Geländeobefläche durchdringen können. Diese Einschränkungen erlauben es dem Benutzer, seine räumliche Position und Lage besser einzuordnen und den räumlichen Bezug zum Geländemodell nicht zu verlieren. Welche Navigationsstrategien für einen Kartographen hilfreich sind, verdeutlicht sich bei der Betrachtung eines Negativbeispiels: Bei der Freiflug-Metapher bewegt sich die Kamera wie ein Flugzeug mit konstanter Geschwindigkeit in Blickrichtung, d.h. die Kamera wird über die Veränderung der Blickrichtung während des Flugs gesteuert; eine Möglichkeit zurückzufliegen besteht nicht. Obwohl mit dieser Steuerung einfache Überfliegungen generiert werden können, ist sie aufgrund der unpräzisen Kamerapositionierung für viele Aufgaben der kartographischen Visualisierung nicht geeignet. Für viele Arbeitsvorgänge, z.b. der interaktiven Manipulation von Fachobjekten, ist vielmehr eine genaue Übersicht über einen lokalen Bereich des Geländemodells und eine restringierte Navigation innerhalb dieses Bereichs von Bedeutung.

7 Konzepte und 3D-Visualisierung interaktiver, perspektivischer Karten Navigation im Geländemodell In diesem Abschnitt stellen wir drei Strategien vor, die eine präzise, auf einen lokalen Bereich des Geländemodells beschränkte Navigation erlauben. Die eine Strategie basiert auf der Umsicht-Metapher. Diese Strategie verankert die Kameraposition fest in der Szene und läßt den Betrachter die Blickrichtung frei wählen. Der Betrachter sieht das Geländemodell von einem Fixpunkt aus. Abb. 3: Modell mit Baum-Glyphen (links) und Metakarte mit Sichvolumen (rechts). Die Kugel- und Kegel-Metapher implementieren Navigationsstrategien, bei der ein bestimmter Punkt p im Geländemodell genauer inspiziert werden soll. Bei der Kugel- Metapher bildet p den Mittelpunkt einer Kugel mit festem Radius. Die Kameraposition kann dabei auf der Kugel bewegt werden. Die Blickrichtung bleibt immer auf den Fixpunkt p gerichtet und der Abstand zu p bleibt konstant. Bei der Kegel-Metapher wird die Kameraposition um p mit variablem Abstand r rotiert. Die Blickrichtung bleibt ebenfalls auf den Fixpunkt gerichtet. Der Betrachter bewegt sich auf einem Kegel, dessen Spitze in p liegt. Die vorgestellten Metaphern benötigen zwei unabhängige Eingabe-Achsen, d.h. sie können über einfache 2D-Eingabemedien direkt gesteuert werden. Erweiterungen in Hinblick auf 3D-Eingabemedien sind durch die Kombination der einzelnen Metaphern möglich Navigation unter Verwendung von Metakarten Die Metakarte zeigt eine Aufsicht des Geländemodells. Das aktuelle Sichtvolumen wird als transparentes Dreieck eingezeichnet. Dadurch erhält der Benutzer einen Eindruck über den momentan sichtbaren Bereich des Geländemodells und seine räumliche Position (Abb. 3 rechts). Zudem läßt sich mit Hilfe der Metakarte die Position der Kamera interaktiv verändern. Dazu muß der Benutzer die gewünschte Position in der Metakarte markieren. Die Kamera bewegt sich dann an diese Stelle im Geländemodell. 3.2 Explorationsstrategien Um kartographische Daten zu untersuchen, müssen Hilfsmittel zur Analyse und Markierung der zugrundeliegenden Daten bereitgestellt werden. Das visualisierte Geländemodell bildet die interaktive Schnittstelle zwischen den kartographis chen Daten und dem Benutzer. Werkzeuge zur Wegmessung, zur Geländemarkierung und zum Geländekoordinaten- Abgriff werden in diesem Abschnitt vorgestellt.

8 Landmarkierungen im Geländemodell Landmarkierungen repräsentieren eine wichtige Gruppe von Fachobjekten insbesondere bei kartenbasierten Planungsaufgaben. Ein oder mehrere Benutzer können zu einem Geländemodell und seiner Thematik individuelle, räumlich referenzierte, logisch gruppierte und logisch kategorisierte Landmarkierungen interakiv erstellen und modifizieren. Eine Landmarkierung besitzt einen eindeutigen Namen, eine räumliche Position, eine Beschreibung und eine Kategorie. Landmarkierungen können hierarchisch gruppiert werden, da jede Landmarkierung eine Elternlandmarkierung und mehrere Kinderlandmarkierungen besitzen kann. Eine Landmarkierungskategorie besitzt einen Namen, eine Beschreibung und graphische Attribute (z.b. Farbe oder Glyph). Landmarkierungskategorien können wie Landmarkierungen hierarchisch angeordnet werden. Eine Landmarkierung, die einer Landmarkierungskategorie angehört, gehört auch automatisch zur Elternkategorie. Landmarkierungen lassen sich dadurch zweifach hierarchisch anordnen: einerseits werden sie projekt- oder themenspezifisch gruppiert, andererseits mit Hilfe der Kategorien kategorisiert. Die Darstellung der Landmarkierungen läßt sich durch die Gruppierung und die Kategorisierung steuern. Die Position einer Landmarkierung kann interaktiv im Geländemodell gesetzt werden. Die Landmarkierung erscheint als Glyph und in der Farbe ihrer Kategorie (Abb. 6). Das Abfragen der Parameter einer Landmarkierung geschieht ebenfalls interaktiv über direktes Selektieren eines Glyphen im Geländemodell Gelände -Browser Ein Gelände-Browser ermöglicht dem Anwender, verschiedene Analysefunktionen auf die zugrundeliegenden kartographischen Daten anzuwenden, z.b. Ermittlung der minimalen, maximalen oder durchschnittlichen Höhe. Der Browser definiert ein Volumen, innerhalb dessen die kartographischen Daten ermittelt und an eine Analysefunktion weitergegeben werden. Das Volumen, z.b. ein Zylinder (Abb. 4 links), kann interaktiv im Geländemodell geführt werden. Die Ergebnisse der Analyse können direkt visuell in die Szene eingeblendet werden. Abb. 4: Höhen-Browsing mit Datenbereichs-Zylinder (links) und Streckenzug-Längenmessung (rechts).

9 Konzepte und 3D-Visualisierung interaktiver, perspektivischer Karten Geländevermessung Das interaktive Messen von Streckenzügen erlaubt dem Benutzer, einen Eindruck von Ausdehnungen und Entfernungen im Geländemodell zu erhalten. Ein Weg besteht aus mehreren Stützpunkten im Geländemodell, die interaktiv editiert werden können (Abb. 4 rechts). Ein Weg wird durch einen Polygonzug visualisiert, an dem die Weglänge aufgetragen wird. Wege lassen sich als Fachobjekte in einem Projekt ablegen. 4 Implementierung und Systemarchitektur Die beschriebenen Konzepte wurden in einem prototypischen, kartographischen 3D- Visualisierungssystem implementiert, dessen Architektur in Abbildung 5 illustriert wird. Um bestmögliche Hardwarebeschleunigung zu erhalten, wird OpenGL (WOO et al., 1997) als 3D-Renderingsystem verwendet, das mit Hilfe des objektorientierten Frameworks VRS, dem Virtual Rendering System angesprochen wird. Der Szenenaufbau und die Verhaltenssteuerung wird mit der Modeling & Animation Machine MAM (DÖLLNER et al., 1997) implementiert. Die kartographischen Fachklassen sind direkt an MAM- oder VRS- Komponenten gekoppelt. Die interpretative Scriptingsprache Tcl/Tk (OUSTERHOUT, 1997) dient zur Erstellung der graphischen Benutzeroberfläche. Graphical User Interface Tcl/Tk Kartographische Fachklassen Terrain Modeling, Landmarks Navigation + Exploration Tools Modeling & Animation Machine 3D Scene and Behavior Modeling Virtual Rendering System OpenGL Objected-Oriented 3D Rendering POVRay Abb. 5: Architektur des interaktiven, kartographischen 3D-Visualisierungssystems. Die Algorithmen und Datenstrukturen der kartographischen Fachklassen sowie MAM/VRS sind aus Effizienzgründen in C++ implementiert. Mit Hilfe von Tcl/Tk steht ein leistungsfähiges und zugleich portables GUI-Toolkit zur Verfügung. Die resultierende Visualisierungsumgebung ist daher leicht erweiterbar und auf verschiedenen Plattformen (Sun, Irix, NT, Windows 9x) verfügbar. 5 Fallstudie: Interaktive, Perspektivische Karte des Leine-Tals Die in dieser Fallstudie beschriebene Karte visualisiert das Leine-Tal bei Hannover. Bei dem verwendeten hybriden Datensatz (BUZIEK et al., 1992) handelt es sich um Geländedaten, die aus regulären Gittern und triangulierten Feinstrukturen bestehen (Abb. 1 links). Die regulären Gitter umfassen 641x321 Meßpunkte, wobei die Zellengröße 25 Meter beträgt. Für Zellen aus dem regulären Gitter liegen Feinstrukturen vor. Die Gesamtzahl der

10 10 Feinstruktur-Dreiecke beträgt Daraus ergeben sich zusammen mit den Dreiecken aus dem regulären Gitter maximal darzustellende Dreiecke. In Abbildung 6 befindet sich ein Screenshot der interaktiven, perspektivischen Karte des Leine-Tals. Abb. 6: Graphische Benutzer-Schnittstelle des interaktiven 3D-Visualisierungssystems mit einer Karte des Leine-Tals. 5.1 Prototypische Visualisierungsumgebung Die prototypische Visualisierungsumgebung implementiert die in Abschnitt 2 vorgestellten Konzepte zur Modellierung und Visualisierung kartographischer Daten, sowie die in Abschnitt 3 beschriebenen Navigations- und Explorations-Strategien. Das User-Interface hat folgenden Aufbau: In der Tool-Leiste können die verschiedenen Interaktionsstrategien aktiviert werden. Die hierarchisch geordneten Fachobjekte werden in der linken Hälfte des Arbeitsbereiches dargestellt. Die Fachobjekte werden graphisch durch Knoten einer Baumstruktur repräsentiert. In der rechten Hälfte befindet sich der 3D-Viewer für das Geländemodell. Die verschiedenen Fachobjekte besitzen ein unterschiedliches interaktives Verhalten. Landmarkierungen und ihre Kategorien, zum Beispiel, können direkt in den Fachobjektbaum eingefügt oder aus dem Fachobjektbaum gelöscht werden. Wird eine Landmarkierung im Fachobjektbaum durch Mausklick aktiviert, dreht sich die Kamera automatisch in Richtung des zugehörigen Glyphen. Landmarkierungen können im 3D-Viewer nach Kategorien angezeigt bzw. ausgeblendet werden.

11 Konzepte und 3D-Visualisierung interaktiver, perspektivischer Karten 5.2 Performance der Geländevisualisierung Der vorliegende Leine-Datensatz wird im folgenden Vergleich mit unterschiedlichen Pixel- Fehler-Einstellungen und Rendering-Techniken dargestellt. Die gemessene Bildwiederholfrequenz gibt Auskunft darüber, wie schnell der Benutzer mit dem Geländemodell in Echtzeit agieren kann. Wiederholfrequenzen von weniger als fünf Bilder pro Sekunde lassen kein interaktives Arbeiten mehr zu. Die Messungen wurden auf einem System mit 200MHz Intel PentiumPro Prozessor, 128MB Hauptspeicher, Diamond Fire GL 1000 Graphikkarte mit 4MB, Windows NT 4.0 bei einer Fenstergröße von 640x480 Pixel durchgeführt. Tab. 1: Geschwindigkeitsmessung mit Gouraud-Schattierung und topographischer Texturierung. Pixel-Fehler % sichtbares Geländemodell und Gouraud-Schattierung. Gerenderte Dreiecke: Bilder pro Sekunde: % sichtbares Geländemodell und topographischer Textur. Gerenderte Dreiecke: Bilder pro Sekunde: % sichtbares Geländemodell und Gouraud-Schattierung. Gerenderte Dreiecke: Bilder pro Sekunde: % sichtbares Geländemodell und topographischer Textur. Gerenderte Dreiecke: Bilder pro Sekunde: Die Werte aus Tabelle 1 zeigen, daß die Wiederholfrequenz beim topographischen Text u- rieren teilweise erheblich über der beim Gouraud-Schattieren liegt. Dies läßt sich durch die geringere Dreiecksanzahl beim topographischen Texturieren erklären, denn mit zunehmendem Pixel-Fehler nimmt die Anzahl der zu zeichnenden Dreiecke beim topographischen Texturieren wesentlicher schneller ab als beim Gouraud-Schattieren. Bei gleicher Dreieckszahl ist das topographische Texturieren in etwa gleich schnell im Vergleich zum Gouraud- Schattieren. Das läßt sich mit der relativ schwachen Textur-Beschleunigung der hier verwendeten Graphik-Hardware erklären. Bei leistungsfähigerer Graphik-Hardware fällt der Unterschied stärker zugunsten des topographischen Texturierens aus. 6 Schlußfolgerungen Für den Einsatz als Planungswerkzeug hat sich die Eigenschaft des Geländemodells, unterschiedlich strukturierte Datensätze ohne Konvertierung oder topologische Transformation verarbeiten zu können, als wesentlich herausgestellt, weil nur so die unterschiedliche Semantik der Geländedaten (z.b. bei der direkten Manipulation) erhalten bleibt. Das topographische Texturieren erlaubt es kartographischen Anwendungen, andere als die Standardschattierungsverfahren zu benutzen. Kartographische Gestaltungsgrundsätze können so

12 12 verwirklicht und effizient in 3D-Graphik umgesetzt werden. Durch die effektive Nutzung des Texture-Mappings wird der Einsatz von interaktiven, perspektivischen Karten vor allem auf low-cost Hardware realisierbar. Bei der Gestaltung der Interaktion stellen sich die verwendeten Metaphern als kritische Elemente heraus, da deren Verständnis beim Benutzer über die Akzeptanz und den Wirkungsgrad entscheiden. Insbesondere sind visuell unterstützte Analysefunktionen sowie die interaktive Landmarkierung wesentliche Elemente für eine praktische Nutzung interaktiver, perspektivischer Karten (BUZIEK UND DÖLLNER, 1999). Derzeit werden die genannten Konzepte in Richtung kartographischer Animation und kartographischer Gestaltung erweitert. Technische Details zum Visualisierungssystem finden sich auf folgendem WWW-Site: Danksagung: Wir danken Dr. Gerd Buziek vom Institut für Kartographie der Universität Hannover für die Zusammenarbeit. 7 Literatur Baumann K., Döllner J. & K. Hinrichs: A Hybrid, Hierarchial Data Structure for Real- Time Terrain Visualization, Proc. Computer Graphics International '99, 1999, to appear. Buziek G. & J. Döllner: Concept and Implementation of an Interactive, Cartographic Virtual Reality System. Internation Cartographic Conferencen, Ottawa, 1999, to appear. Buziek, G. & Grünreich, D.; Kruse, I.: Stand und Entwicklung der digitalen Landschaftsmodellierung mit dem Topographischen Auswertesystem der Univ. Hannover (TASH). VPK - Vermessung, Photogrammetrie, Kulturtechnik, Heft 2/92, Sigwerb AG, Cignono P., Puppo E., & R. Scopigno: Representation and Visualization of Terrain Surfaces at Variable Resolution. Proceedings International Symposium on Scientific Visualisation '95, World Science, S , DeFloriani L.: A pyramidal Data Structure for triangle-based surface description. IEEE Computer Graphics and Applications, S , Döllner J., & K. Hinrichs: The Design of a 3D Rendering Meta System. In: Eurographics Workshop on Programming Paradigms for Graphics '97, Budapest, Döllner J., & K. Hinrichs: Object-oriented 3D Modeling, Animation and Interaction. The Journal of Visualisation and Computer Animation, Vol. 8, S , Foley J., van Dam A., Feiner S., Hughes J. F. & R. L. Phillips: Introduction to Computer Graphics, Addison-Wesley, Heckbert P. S. & M. Garland: Multiresolution Modeling for fast Rendering. Proceedings of Graphics Interface '94, S , Hoppe H.: View-Dependent Refinement of Progressive Meshes. Proceedings of SIG- GRAPH '97, S , Koller D., Lindstrom P., Ribarsky W., Hodges L. F., Faust N. & G. Turner: Virtual GIS: A Realt-Time 3D Geographic Information System, Visualization 1995, S , McEachren A.M. & D.R.F. Taylor: Visualization in Modern Cartography, Pergamon, Ousterhout J. K.: Tcl and Tk Toolkit. Addison-Wesley, Voigtmann A., Becker L. & K. Hinrichs: A Hierarchical Model for Multiresolution Surface Reconstruction, Graphical Models and Image Processing, Vol. 59(5), S , Woo M., Neider J. & T. Davis: OpenGL Programming Guide, 2nd. Edition, Addison- Wesley, 1997.