Table Of ContentInformatik-Fachberichte 182
Herausgegeben von W Brauer
im Auftrag der Gesellschaft fOr Informatik (GI)
W Barth (Hrsg.)
Visualisierungstechniken
und Algorithmen
Fachgesprach
Wien, 26,/27. September 1988
Proceedings
Spri nger- Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Herausgeber
Wilhelm Barth
Institut fOr Praktische Informatik
Resselgasse 3, A-1040 Wien
CR Subject Classifications (1987): 1.3
ISBN-13: 978-3-540-50323-1 e-ISBN-13:978-3-642-74106-7
00110.1007/978-3-642-74106-7
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek.
Visualisierungstechniken und Algorithmen: Fachgesprach, Wien,
26,/27. September 1988 ; proceedings / W. Barth (Hrsg.). - Berlin;
Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo: Springer, 1988
(Informatik-Fachberichte; 182)
ISBN-13: 978-3-540-50323-1 (Berlin ... ) brosch.
NE: Barth, Wilhelm [Hrsg.]; GT
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© by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988
2145/3140 -54321 0 - Gedruckt auf siiurefreiem Papier
VORWORT
Visualisierungstechniken sind ein zentrales Thema der Computer-Graphik
und finden Verwendung in zahlreichen Anwendungsgebieten. Neben den
Fachbeitragen bilden daher die Anwendungen einen wesentlichen Bestand
teil des Fachgesprachs "Visualisierungstechniken und Algorithmen",
gemeinsam veranstaltet von der Gesellschaft flir Informatik und der
osterreichischen Computer Gesellschaft am 26. und 27. September 1988 an
der Technischen Universitat Wien.
Die drei eingeladenen Vortrage geben Ubersichten Uber Visualisierungs
techniken in der "Photogrammetrie und Fernerkundung", in der "Molecular
Graphics", sowie bei komplexen, gro6en Datenmengen.
In drei Minisymposien werden drei ganz verschiedene Themen behandelt.
Das erste gibt eine Darsteliung Uber verschiedene Anwendungen: "Visua
lisierung natUrlicher Phanomene". 1m zweiten werden Algorithmen unter
sucht: "Geometrische Verfahren der Graphischen DV - Spezielle Visuali
sierungstechniken". Das dritte stellt das komplette Visualisierungs
System RISS vor, mit dem realistische Bilder durch Ray-Tracing erzeugt
werden konnen.
Der Programmausschu6 hat 13 eingereichte Vortrage angenommen, die in
diesem Tagungsband ebenfalls enthalten sind. Die Themen dieser Arbeiten
reichen von der Hardware fUr die Computer-Graphik, Uber spezielle Pro
bleme und Verfahren der Raster-Graphik (Anti-Aliasing, Ray-Tracing) und
Algorithmen bis zu weiteren Anwendungen (Medizin, Kartographie). Aber
auch Fragen der Bildanalyse, Bildauswertung und Animation werden behan
delt.
Wi Ihe 1m Barth
INHALTSVERZEICHNIS
Kraus. K .• Jansa. J .• Kalliany. R. (Wi en)
Visualisierungstechniken in der Photogrammetrie und Fern
erkundung (eingeladener Vortrag) 1
Weber, J., Fluekiger, P., Ricca, A. . Morgantini. P. (Genf)
Recent Developments in Molecular Graphics (einge-
ladener Vortrag) 17
Encarnacao. J. (Darmstadt)
Hochleistung und Visualisierungstechnologie - Die zwei
aktuellen Forschungs- und Entwicklungsthemen der
Graphischen Datenverarbeitung (eingeladener Vortrag) 31
Minisymposium
Visualisierung natlirlicher Phanomene
Koordinator: Hagen. H. (Kaiserslautern)
- Scattered Data Methoden (Hagen. H.) 35
- Darstellung geowissenschaftlicher (Bieber. T.) 43
Me~daten
- Ray-Tracing von Funktionen in zwei Veranderlichen
(Frohlich. B .• Fuchs, H., Johannsen. A.) 51
Minisymposium
Geometrische Verfahren der Graphischen Datenverarbeitung -
Spezielle Visualisierungstechniken
Koordinator: Stachel. H. (Wien) 59
Minisymposium
RISS - Ein Entwicklungs-System zur Generierung reali
stischer Bilder
Koordinatoren: Purgathofer. W. . Gervautz. M. (Wi en) 61
Englmeier. K.-H .• Poppl, S.J .• Pepping. T. (Neuherberg).
Milachowski. K.A., Hamburger. C .• Mittlmeier. T. (Mlinchen)
Oberflachen- und volumenorientierte Visualisierung in
der Medizin 81
Kropatsch, W.G. (Graz)
Wechselwirkungen zwischen Visualisierung und Bildanalyse 99
VIII
Romanova, C. (TUbingen)
Effektives Anti-Aliasing fUr die Bilderzeugung auf
Rastersichtgeraten 109
Posch, K.C. (Graz)
Blocktransferprozessor: Echtzeitdarstellung alpha
numerischer Bilder in CEPT-Kodierung 119
KrUger, W. (Berlin)
Nicht-Gau6'sche Intensitatsfluktuationen und natUrliche
Texturen 135
Heyers, V., Dengler, J., Meinzer, H.-P. (Heidelberg)
Bildverbesserung bei der 3D-Visualisierung von Voxelraumen 147
Englert, G., Hofmann, G.R., Sakas, G. (Darmstadt)
Ein System zur Generierung, Manipulation und Archivierung
von Texturen - Textur-Editor 155
Hagen, H. (Kaiserslautern), Hoschek, J. (Darmstadt)
Visualisierungsalgorithmen zur Qualitatsanalyse von
Flachen in der CAD/CAM-Technologie 173
Glaeser, G. (Wi en)
Ein schnelles Verfahren zur realistischen Darstellung
einfacher Szenen 187
Wolf, G.W. (Klagenfurt)
Weighted Surface Networks and their Application to
Cartographic Generalization 199
Haarslev, V., Moller, R. (Hamburg)
Visualisierung und Animation in der experimentellen
Bildauswertung 213
MUller, H., Winckler, J. (Karlsruhe)
Ein Bildinterpolationsverfahren zur Beschleunigung des
Strahlverfolgungsverfahrens in der Computeranimation 225
Joseph, H., Marhenkel, O. (Darmstadt)
Ray-Tracing von Baumen mit GRIS-RAY 233
VISUALISIERUNGSTECHNIKEN IN DER PHOTOGRAMMETRIE
UNO FERNERKUNDUNG
K. Kraus, J. Jansa, R. Kalliany
Institut fUr Photogrammetrie und Fernerkundung
TU Wien
GuBhausstraBe 27 - 29
A-1040 Wien
1. Vorbemerkungen zur Photogrammetrie
Die Photogrammetrie hat die Aufgabe, die Lage und die Form von Objekten
aus Photographien zu rekonstruieren. Im Rahmen dieses Bei trages be
schranken wir uns auf die Rekonstruktion der Gelandeoberflache aus
photographischen Bildern, die mit Flugzeugen aufgenommen werden. Die
photogrammetrischen Auswertegerate, in die jeweils zwei sich
Uberlappende Luftbilder eingelegt werden, sind dreidimensionale
Diaitizer. Das Ergebnis einer Digitalisierung sind XYZ-Koordinaten
beliebig verteilter Punkte mit besonderer Kennzeichnung der markanten
H~henpunkte und die XYZ-Koordinaten der Punkte entlang der
Gelandekanten, der Mulden- und Kuppenlinien sowie derRandlinien ( z.B.
Uferlinien der Gewasser).
Aus diesem Datenbestand wird mittels aufwendiger Berechnung und Struk
turierung ein neuer Datenbestand erzeugt, der in der Abb.1 skizziert
ist. Die neuen Punkte werden - in der am Institut fUr Photogrammetrie
und Fernerkundung der TU Wien gemeinsam mit dem Institut fUr Photo
grammetrie der Universitat Stuttgart entwickelten Datenstruktur des
Programmes SCOP - entlang der X- und Y-Koordinatenlinien angeordnet,
sodaB im wesentlichen nur die Z-Koordinaten (= H~hen) zu speichern
sind. Die Rasterweite wird so eng gewahlt, daB entlang der Rasterlinien
linear interpoliert werden kann.
Ein reines Rastermodell zur Beschreibung der Gelandeoberflache wUrde -
insbesondere wegen der groBen Kri.immung senkrecht zu den Gelandekanten -
zu einer sehr hohen Punktdichte fUhren. In das Raster 'sind deshalb
Gelandekanten, markante H~henpunkte etc. einzubinden, wobei die
betroffenen Rasterelemente in Dreiecke zerlegt werden. (In der Abb. 1
ist diese Dreiecksvermaschung fUr einen markanten Hohenpunkt (= 4
Dreiecke) und fUr einen Gelandekantenpunkt (= 6 Dreiecke) angegeben.)
2
Damit ist die Gelandeoberflache wie folgt beschrieben: Innerhalb eines
Rasterelementes mit markanten Hohenpunkten, Gelandekanten etc. sind die
Deckflachen schrag liegende Dreiecke und innerhalb der anderen Raster
elemente sind es parabolische Hyperboloide.
\
FACEm
_//
0---<:> RASTER
\
".././ ... £; GEl.ANDEKANTE
I\, "- bJ ",/ -.+II . RANDLINIE
L:~ HMOARH EKNANPUTENRK T
........
)
~K ~ HOHENLINIE
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Abb.l: Datenstruktur eines kornbinierten Raster
und Dreiecksmodelles
Urn in einem solchen, ein ganzes Land liberdeckenden Datenbestand z.B.
die Punkte entlang von Hohenlinien (= Linien gleicher Gelandehohen,
siehe Abb.l) zu finden, ist eine gute Strukturierung des Datenbestandes
erforderlich. Dazu benotigt man einerseits Zeiger zurn raschen Auffinden
des Nachbarn (siehe Abb.l unten links) und andererseits eine gute re
gionale Strukturierung. Wir fassen - wie in Abb.l angedeutet - mehrere
Rasterelemente zu sogenannten Facetten zusarnrnen, die auf Magnetplatte
gespeichert sind und im Direktzugriff individuell in den Arbeits
speicher transferiert werden konnen. Die Adressierung der Facetten ist
hierarchisch aufgebaut.
Die Leistungsfahigkeit und Effizienz dieser Datenstruktur sei an einem
Beispiel demonstriert. Fur einen Datenbestand von etwa 2 Millionen
Rasterpunkten benotigen wir etwa 4 MByte. Auf einem Personal computer
(IBM-kompatibler AT: Intel 80286, Intel 80287, 640 KByte Memory, 20
MByte Disk) ist die Antwortzeit fur die Ausgabe der Z-Koordinate (= Ge
landehohe) nach Eingabe der XY-Koordinaten eines beliebigen Gelande
punktes innerhalb des von den 2 Millionen Rasterpunkten erfaBten Ge
bietes nur etwa zwei Sekunden.
3
Diese Vorbemerkungen sollen mit einer Definition des digitalen Gelande
modelles (DGM) abgeschlossen werden. Es ist eine Vereinfachung der re
alen Welt, die durch Idealisierung und Diskretisierung entsteht und die
fUr eine systematische elektronische Datenverarbeitung zuganglich ist.
Zum digitalen Gelandemodell gehoren nicht nur die gespeicherten
Gelandepunkte sondern auch die Elemente zur Strukturierung der Daten
und die Algorithmen fUr den tibergang von den diskreten Punk ten auf
(kontinuierliche) Kurven und Flachen.
2. Die Visualisierung des digitalen Gelandemodelles.
Das DGM kann in verschiedener Weise visualisiert werden, wobei die Art
der Ausgabe (Vektor- oder Rastergraphik) und der Inhal t des visuali
sierten Bildes variiert werden.
2.1 Zentraler Datenbestand als Vektorgraphik
Die raumlichen PolygonzUge der Rasterlinien und der Gelandekanten
konnen z.B. als zentralperspektivisches Bild mit BerUcksichtigung der
verdeckten Linien auf einem Vektor-Plotter ausgegeben werden. Abb.2 ist
eine solche Zentralprojektion eines DGM von Weinbergterrassen, das in
Zusammenarbeit mit der Niederosterreichischen Agrarbezirksbehorde
hergestellt wurde.
Abb. 2: Zentraler Datenbestand eines DGM als Vektorgraphik
4
2.2 Zentraler Datenbestand als Rastergraphik
Ein digitales Gelandemodell, das nur Rasterpunkte enthalt, kann unmit
telbar auf einem Farbbildschirm ausgegeben werden. Zu diesem Zweck
werden die Gelandehohen in Intervalle unterteil t und jedem Intervall
ein (willkUrlicher) Farbwert zugeordnet. Abb.3 zeigt die farbliche
Darstellung eines (Obersichts-)Gelandemodelles von 5sterreich, das eine
Rasterweite von 250 m besitzt (insgesamt 2.1 Millionen Rasterpunkte).
Abb. 3: Zentraler Datenbstand eines DGM
als farbige Rastergraphik
Im allgemeinen konnen die Rasterpunkte des ursprUnglichen DGM nicht
direkt fUr den Bildaufbau benutzt werden, sondern es ist eine Verdich
tung des (Vektor-)DGM erforderlich. Eine solche Verdichtung ist in der
Abb.4 skizziert. Dabei ist von Wichtigkeit, daB bei der rechnerischen
Verdichtung - mittels Interpolation - die Gelandekanten und markanten
Hohenpunkte des ursprUnglichen DGM beachtet werden. Das verdichtete
(Raster-)DGM enthalt aber diese Informationen nicht mehr.
2.3 Hohenlinien als Rastergraphik.
FUr ingenieurtechnische Anwendungen werden die DGM im allgemeinen als
Hohenlinien visualisiert. Zu diesem Zweck werden im Raster - unter
Beachtung der Gelandekanten etc. - die auf einem bestimmten Hohenniveau
liegenden Schnittpunkte mit den Rasterlinien ermittelt, die alle der
entsprechenden Hohenlinie angehoren (siehe Abb.1). FUr die graphische
