Photorealistische Echtzeit-Visualisierung geovirtueller Umgebungen

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1 Photorealistische Echtzeit-Visualisierung geovirtueller Umgebungen Anselm Kegel Hasso-Plattner-Institut Fachgebiet Computergrafische Systeme Prof. Dr. Jürgen Döllner Universität Potsdam Gliederung Motivation Herausforderungen der photorealistischen Echtzeit-Visualisierung Photorealistische Renderingtechniken Rendering digitaler Geländemodelle Rendering von Vegetation Rendering von dynamischen Wasserflächen Rendering von Atmosphäre, Sonne und Wolken Rendering komplexer 3D-Stadtmodelle Globale Beleuchtung in 3D-Stadtmodellen LandXplorer CityGML Viewer 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 2

2 Motivation 1 / 2 Anforderungen an komplexe 3D Stadt- und Landschaftsmodelle Verwaltung und Darstellung großer Datenmengen Uneingeschränkte Interaktion mit dem Modell Integration thematischer, fachspezifischer Daten Qualitativ hochwertige Grafik 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 3 Motivation 2 / 2 Ziel photorealistischer Darstellungen Möglichst detaillierte Abbildung der Realität Authentische Simulation imaginärer Objekte und Räume Beispielanwendungen Film-/Fernsehproduktionen Bürgerbeteiligungen in der Stadtentwicklung Standortbezogene Informationssysteme Tourismus Immobilien Werbung 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 4

3 Herausforderungen der photorealistischen Echtzeit-Visualisierung Verschiedene Typen von Umgebungsobjekten Gelände Gebäude Vegetation Wasser Himmel Typspezifische 3D-Rendering-Techniken, die zudem echtzeitfähig arbeiten Integration dieser Rendering-Techniken in einen Rendering- Gesamtprozess 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 5 Rendering digitaler Geländemodelle Probleme: Hohe geometrische Komplexität der Modelle Komplexität der Geländetexturen (z.b. Luft-/Satellitenbilder) Lösungen: Aufbau und Verwendung hierarchischer Datenstrukturen zur effizienten Bereitstellung von Geometrie- und Texturdaten Gitterbasierte Level-of-Detail-Algorithmen Out-of-Core-Visualisierung Inkrementelle Transmission/Streaming Texturierte Geländemodelle 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 6

4 Rendering komplexer 3D-Stadtmodelle Problem: Enorme Texturdatenmengen in 3D-Stadtmodellen Mehrere 1000 Einzeltexturen Mehrere GB Texturdatenvolumen Lösung: Multiresolution Texture Atlases ermöglichen effizientes Rendering von 3D-Stadtmodellen mit beliebiger Textur-Komplexität Beispiel: 3D-Stadtmodell Berlin (Quelle: 3D-Stadtplan-DVD Berlin3D ) Einzelne Fassadentextur (Quelle: 3D-Stadtmodell Berlin, 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 7 Rendering von Vegetation 1 / 3 Rendering von Einzelpflanzen Repräsentation von Blattwerk durch teiltransparente Polygone (Billboards) Probleme: Hohe geometrische Komplexität pro Objekt Hohe Anzahl von Instanzen Lösung: Effiziente Algorithmen zur Reduktion der geometrischen Komplexität 3D-Baum-Modell (~ Dreiecke) Baum-Platzierung nach Kataster-Datensatz (ca Bäume) 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 8

5 Rendering von Vegetation 2 / 3 Rendering von Pflanzengruppen Problem: Bei großen Wäldern ist Geometriereduktion wie bei Einzelobjekten oft nicht ausreichend Lösung: Ausnutzen der hohen Dichte an Bäumen und Zusammenfassen der einzelnen Bäume zu einem großen Waldobjekt Quelle: Decaudin & Neyret Rendering Forest Scenes in Real-Time 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 9 Rendering von Vegetation 3 / 3 Rendering von Grasflächen / Wiesen Allgegenwärtige Präsenz in Städten Häufig in Form einer Rasentextur auf die Geometrie projiziert Probleme: Bei Fußgängerperspektive fehlt der plastische Eindruck einzelner Grashalme Wegen hoher geometrischer Komplexität keine Einzelpflanzenmodellierung möglich Lösung: Repräsentation großer Gruppen von Grashalmen durch verschachtelte Billboards Gras-Textur Darstellung einer Rasenfläche 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 10

6 Rendering von dynamischen Wasserflächen Ziel: Nachbildung von visuellen Effekten Spiegelung Lichtbrechung Wellenbewegung Erzeugung und Verknüpfung unterschiedlicher Temporärbilder für gespiegelte Objekte für Objekte unter Wasser Echtzeit-Darstellung dynamischer Wasser-Oberflächen 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 11 Rendering von Atmosphäre, Sonne und Wolken 1 / 2 Ziel: Nachbildung von visuellen Effekten Dynamisch einstellbarer Sonnenstand Wolkenbewegung Unterschiedlicher Bewölkungsdichte je nach Wetterlage Probleme: Atmosphäre ist kein abgeschossener Körper mit definierter Oberfläche Berechnung korrekter Lichtstreuung sehr aufwendig Modellierung von Wolken kann geometrisch sehr komplex werden 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 12

7 Rendering von Atmosphäre, Sonne und Wolken 2 / 2 Lösungen: Stark vereinfachtes Beleuchtungsmodell durch Annahme konstanter Dichte der Atmosphäre Darstellung von Wolken durch texturierte Halbkugel 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 13 Globale Beleuchtung in 3D-Stadtmodellen Berechnung der Abschattung eines Punktes durch benachbarte Flächen Projektion von Beleuchtungsinformation in Form von Texturen Simulation unterschiedlicher Beleuchtungsszenarien Einfache Texturierung Zusätzliche Beleuchtungstexturen Abendbeleuchtung im interaktiven 3D Stadtmodell 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 14

8 LandXplorer CityGML Viewer Anwendung zur interaktiven Erkundung und Analyse von CityGML Modellen Beruht auf der LandXplorer Technologie, die gemeinsam durch das Hasso-Plattner-Institut und die 3D Geo GmbH entwickelt wird Download der freien Version unter Produkte Desktop-Produkte LandXplorer CityGML Viewer Viele der vorgestellten Techniken sind bereits integriert oder ihr Einbau ist geplant 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 15 Kontakt Anselm Kegel Fachgebiet Computergrafische Systeme Prof. Dr. Jürgen Döllner Download des CityGML Viewers: CityGML Homepage: Lenné3D: 9/12/2007 Anselm Kegel, Hasso-Plattner-Institut, Universität Potsdam 16