Hasso-Plattner-Institut
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Diese Arbeit behandelt echtzeitfähige nichtphotorealistische 3D-Renderingverfahren und darauf basierende Anwendungen der interaktiven Visualisierung.

Das Echtzeit-Rendering hat sich als eine bedeutende Wissenschaftsdisziplin innerhalb der Computergraphik etabliert, die in Verbindung mit dem rasanten Fortschritt in der Computergraphikhardware vielfältige Rendering- und Optimierungsverfahren hervorgebracht hat. Während sich viele computergraphische Anwendungen auf die Erzeugung photorealistischer Bilder konzentrieren, erforscht das Gebiet der nichtphotorealistischen Computergraphik Konzepte und Prinzipien, die durch den Einsatz von expressiven und illustrativen Darstellungstechniken bewusst vom Realismus abweichen. Gegenstand des nichtphotorealistischen 3D-Renderings ist die Erzeugung von verständlichen, attraktiven und aussagekräftigen Abbildungen von 3D-Szenen. Um ausdrucksstarke Bildinhalte zu generieren beruhen nichtphotorealistische Renderingverfahren oftmals auf den Erfahrungen und Leitlinien der traditionellen Illustration, des Graphikdesigns und der Kunst.

Der Beitrag dieser Arbeit beinhaltet drei universell nutzbare echtzeitfähige Renderingverfahren:

  • Das Renderingverfahren zum Hervorheben von visuell bedeutsamen Kanten von 3DModellen ermöglicht eine effektive Darstellung der geometrischen Form dieser Modelle. Das Verfahren beruht auf einem bildbasierten Ansatz zur Kantendetektion und speichert die daraus resultierenden Intensitätswerte in einer Textur, der sogenannten Edge Map, um anschließend die Kanten pro Objekt individuell zu betonen.
  • Das Blueprint Renderingverfahren wendet das Verfahren zum Hervorheben von Kanten auf die verdeckten Bestandteile eines 3D-Modells an. Auf diese Weise können sowohl die sichtbaren als auch die verdeckten visuell bedeutsamen Kanten eines 3D-Modells graphisch hervorgehoben werden. Das Verfahren ermöglicht anschauliche und ausdrucksstarke Darstellungen von komplex aggregierten Objekten, die deren räumlichen Zusammenhänge visuell erfassen lassen und somit eine verständliche Einsicht in deren Aufbau bieten.
  • Das Renderingverfahren zur skizzenhaften Darstellung von 3D-Modellen stilisiert die visuell bedeutsamen Kanten. Skizzenhafte Darstellungen können Unklarheit und Unsicherheit visualisieren und sind daher zur Kommunikation von Ideen und zur Präsentation von vorläufigen oder unvollendeten Entwürfen besonders geeignet.

Zwei Anwendungen auf dem Gebiet der Visualisierung nutzen die vorgestellten echtzeitfähigen nichtphotorealistischen Renderingverfahren und veranschaulichen deren Leistungsfähigkeit zur Generierung überzeugender interaktiver visueller Schnittstellen:

  • Illustrative 3D-Stadtmodelle visualisieren virtuelle räumliche Umgebungen und der mit diesen verknüpften thematischen Informationen. Die abstrahierten und stilisierten Darstellungen heben die Komponenten der 3D-Stadtmodelle besonders hervor, erleichtern somit deren Identifikation und ermöglichen eine effiziente Navigation, Exploration und Analyse der räumlichen Informationen.
  • Illustrative CSG-Modelle kombinieren Nichtphotorealismus mit bildbasiertem CSGRendering. Die illustrativen Darstellungen visualisieren Aufbau und Anordnung von komplexen CSG-Modellen in einer verständlichen Art und Weise und vereinfachen somit deren interaktive Konstruktion.

Schließlich untersucht diese Arbeit einen auf dem Nichtphotorealismus basierenden Ansatz zur automatischen, bildhaften Darstellung von Dynamik, welche eine komplementäre und bedeutende Dimension von Informationsinhalten in 3D-Szenen repräsentiert:

  • Das System zur bildhaften Darstellung von Dynamik erzeugt verständliche Abbildungen der Dynamik in 3D-Szenen automatisch unter Berücksichtigung von Entwurfsrichtlinien, die traditionell zum Zeichen von Comics und Storyboards genutzt werden. Das System symbolisiert dazu die in einer 3D Szene vergangenen, andauernden und zukünftigen Abläufe und Ereignisse.

Die in dieser Arbeit vorgestellten nichtphotorealistischen Renderingverfahren und deren Anwendungen in der interaktiven Visualisierung verdeutlichen, dass nichtphotorealistisches Rendering eine grundlegende Methodik zur expressiven und effektiven visuellen Kommunikation ist und, basierend auf informativen und verständlichen Illustrationen von 3DSzenen und deren Dynamik, die Entwicklung von neuen graphischen Schnittstellen fördert.

Download der Dissertation (Englisch, pdf-Format)