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Jens Schneider Jens Schneider computer graphics & computer graphics & visualization visualization Technische Universität München Technische Universität München Earth-View Earth-View Virtuelle Exploration Virtuelle Exploration hochaufgelöster hochaufgelöster Landschaftsdaten Landschaftsdaten

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• Jens SchneiderJens Schneider

computer graphics & computer graphics & visualizationvisualization

• Technische Universität MünchenTechnische Universität München

Earth-ViewEarth-ViewVirtuelle Exploration hochaufgelöster Virtuelle Exploration hochaufgelöster

LandschaftsdatenLandschaftsdaten

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J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUMJ. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUMColloquium „Recent topics in Computer Graphics“ 10.5.2005Colloquium „Recent topics in Computer Graphics“ 10.5.2005

MotivationMotivation

FlugsimulatorenFlugsimulatoren

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MotivationMotivation

Geographic Information Systems (GIS)Geographic Information Systems (GIS)

Maunaloa Volcano, Hawaii Crater Lake, Oregon, USMaunaloa Volcano, Hawaii Crater Lake, Oregon, US

(Video)(Video)

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MotivationMotivation

Digital Relief Maps – Mt. Rainier, Washington, USDigital Relief Maps – Mt. Rainier, Washington, US

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J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUMJ. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUMColloquium „Recent topics in Computer Graphics“ 10.5.2005Colloquium „Recent topics in Computer Graphics“ 10.5.2005

MotivationMotivation

SpieleSpiele

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Earth-View MobileEarth-View Mobile

• Mobile GPUsMobile GPUs• 250M Pixel / Sekunde250M Pixel / Sekunde• 5M Dreiecke / Sekunde5M Dreiecke / Sekunde• 6 Texturen6 Texturen• OpenGL ES / Direct3DmOpenGL ES / Direct3Dm

• HerausforderungenHerausforderungen• 1,25 MB Video-Speicher…1,25 MB Video-Speicher…• Fixpoint-FormateFixpoint-Formate• BandbreitenBandbreiten• Kompression, Streaming etcKompression, Streaming etc

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J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUMJ. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUMColloquium „Recent topics in Computer Graphics“ 10.5.2005Colloquium „Recent topics in Computer Graphics“ 10.5.2005

AnforderungenAnforderungen

• Spiele Spiele • Hohe, konstante BildwiederholratenHohe, konstante Bildwiederholraten• Qualität vorteilhaft, aber eher zweitrangigQualität vorteilhaft, aber eher zweitrangig

• SimulatorenSimulatoren• Mittlere Bildwiederholraten (~30fps)Mittlere Bildwiederholraten (~30fps)• Hoher Realismusgrad, hoher Detailgrad, u.U. StereoHoher Realismusgrad, hoher Detailgrad, u.U. Stereo

• GISGIS• Interaktive Bildwiederholraten vorteilhaft (15+ fps)Interaktive Bildwiederholraten vorteilhaft (15+ fps)• Hohe Auflösung, hohe GenauigkeitHohe Auflösung, hohe Genauigkeit

• Unser FokusUnser Fokus• Hohe Qualität Hohe Qualität undund hohe Wiederholraten für hohe Wiederholraten für

hochaufgelöste Höhenfelder hochaufgelöste Höhenfelder mitmit Textur(en) Textur(en)

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Datenakquisition: Satelliten & LuftaufnahmenDatenakquisition: Satelliten & Luftaufnahmen

• Erd- (Planeten-) OberflächeErd- (Planeten-) Oberfläche

• AuflösungAuflösung• Horizontal bis 1 Punkt / 1m x 1mHorizontal bis 1 Punkt / 1m x 1m• Vertikal bis 10cmVertikal bis 10cm

• Photo-TexturPhoto-Textur• Üblicherweise Falschfarben, 4-5 BänderÜblicherweise Falschfarben, 4-5 Bänder• Konvertierung in RGB „Echtfarben“Konvertierung in RGB „Echtfarben“• Auflösung bis 1 Punkt / 25cm x 25cmAuflösung bis 1 Punkt / 25cm x 25cm

• Zusätzliche DatenZusätzliche Daten• AlbedoAlbedo• Reflexion, Absorption (mehrere Wellenlängen)Reflexion, Absorption (mehrere Wellenlängen)• ……

BayernViewer

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Datenakquisition: State-Of-The-ArtDatenakquisition: State-Of-The-Art

• HRSC-Kamera (DLR & ISTAR)HRSC-Kamera (DLR & ISTAR)• 9 Kanäle nehmen im Überflug Oberfläche auf9 Kanäle nehmen im Überflug Oberfläche auf• Pro Kanal Linie mit 5184 PixelnPro Kanal Linie mit 5184 Pixeln• 4 Farbkanäle, 5 Panchromatische Kanäle4 Farbkanäle, 5 Panchromatische Kanäle• z.B. Mars-Ausstellung im z.B. Mars-Ausstellung im

Deutschen MuseumDeutschen Museum

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Datenakquisition: SonarDatenakquisition: Sonar

• Wassertiefe und BodenbeschaffenheitWassertiefe und Bodenbeschaffenheit

• „„Multibeam“ Ansatz (Crater Lake, 28. Juli 2000)Multibeam“ Ansatz (Crater Lake, 28. Juli 2000)• Ca. 100 Ultraschallwellen, unterschiedliche WinkelCa. 100 Ultraschallwellen, unterschiedliche Winkel• Misst Tiefe Misst Tiefe undund Bodenmaterial Bodenmaterial

• GenauigkeitGenauigkeit• Horizontal ca. 1 Sample / 2m x 2mHorizontal ca. 1 Sample / 2m x 2m• Vertikal ca. 50 cmVertikal ca. 50 cm• Löst Objekte grösser 90cm aufLöst Objekte grösser 90cm auf

• AnwendungAnwendung• Tidenvorhersage, geologische AnalysenTidenvorhersage, geologische Analysen• Suche nach versunkenen SchiffenSuche nach versunkenen Schiffen

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Datenakquisition: SonarDatenakquisition: Sonar

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Datenakquisition: SonarDatenakquisition: Sonar

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Kreuzer Cöln IIKreuzer Cöln IIAufgegeben 21. Juni 1919, Scapa Flow, Schottland

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Probleme aus Sicht der InformatikProbleme aus Sicht der Informatik

Crater Lake, Oregon, US

Höhen- und Bathymetriedaten, Textur

~ 500 MB

Oberbayern und Alpen

Höhendaten und Textur

~ 350 MB

Puget Sound, Washington, US

Höhendaten und Textur

~ 1.25 GB

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Probleme aus Sicht der InformatikProbleme aus Sicht der Informatik

Mars, MOLA Mission

Höhendaten und Textur

~ 4.5 GB

USA gesamt, USGS Daten

Höhendaten

~ 40 GB

Mars, MarsExpress Mission

Höhendaten und Textur(Video)

~ 175 GB

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Probleme aus Sicht der InformatikProbleme aus Sicht der Informatik

Daten sind:Daten sind:• gross bis gigantischgross bis gigantisch

• Datenvolumen zunehmend steigendDatenvolumen zunehmend steigend

• u.U. multi-modalu.U. multi-modal• Farbe, Albedo, Wolkenbedeckung, BodenbeschaffenheitFarbe, Albedo, Wolkenbedeckung, Bodenbeschaffenheit

• u.U. annotiert und kommentiertu.U. annotiert und kommentiert• Zusätzliche Layer mit MetadatenZusätzliche Layer mit Metadaten

Effiziente Darstellung ?Effiziente Darstellung ?

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MethodenMethoden

• Statische ApproximationStatische Approximation• Gelände-adaptivGelände-adaptiv• Aber nicht Betrachter-adaptivAber nicht Betrachter-adaptiv• Berechnung teuerBerechnung teuer

• Naive TriangulierungNaive Triangulierung• Viel zu viele DreieckeViel zu viele Dreiecke

• BustransferBustransfer• SpeicherverbrauchSpeicherverbrauch• Rendering-GeschwindigkeitRendering-Geschwindigkeit

• Nicht adaptiv Nicht adaptiv Aliasing Aliasing

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MethodenMethoden

• Dynamische ApproximationDynamische Approximation• Gelände- Gelände- undund Betrachter-adaptiv Betrachter-adaptiv• Re-Triangulierung pro FrameRe-Triangulierung pro Frame

• Minimale Anzahl von DreieckenMinimale Anzahl von Dreiecken• Hohe CPU-Last und BustransferHohe CPU-Last und Bustransfer

• Geometry ClipmapsGeometry Clipmaps• Kein Remeshing pro FrameKein Remeshing pro Frame• Uniforme Dreiecks-Bildgrösse Uniforme Dreiecks-Bildgrösse • Schlechte FehlerkontrolleSchlechte Fehlerkontrolle

Idee: Nicht lange re-meshen, rendern!Idee: Nicht lange re-meshen, rendern!

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Unser AnsatzUnser Ansatz

Hohe Qualität Hohe Qualität undund hohe Wiederholraten für hohe Wiederholraten für

hochaufgelöste Höhenfelder hochaufgelöste Höhenfelder mitmit Textur(en) Textur(en)

• Progressive HierarchieProgressive Hierarchie• TexturkompressionTexturkompression• Programmierbare GrafikhardwareProgrammierbare Grafikhardware

Demo

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Probleme: DatengrößeProbleme: Datengröße

• Partitioniere Daten in quadratische Partitioniere Daten in quadratische TilesTiles• Verarbeite und rendere Tiles unabhängig voneinanderVerarbeite und rendere Tiles unabhängig voneinander• Frustum Culling pro TileFrustum Culling pro Tile• Datentransfer pro Tile Datentransfer pro Tile weniger Bustransfer weniger Bustransfer

• T-Vertices: Repariere Tile-GrenzenT-Vertices: Repariere Tile-Grenzen

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Probleme: DatengrößeProbleme: Datengröße

• Textur üblicherweise Textur üblicherweise vielviel grösser als Höhenfeld grösser als Höhenfeld• Texturkompression!Texturkompression!

• S3 Texture CompressionS3 Texture Compression• Designed für SpielemarktDesigned für Spielemarkt• Wird von gängiger Grafikhardware unterstütztWird von gängiger Grafikhardware unterstützt• Schnelle Kodierung im Grafikkarten-TreiberSchnelle Kodierung im Grafikkarten-Treiber• Dekodierung fast kostenlos !Dekodierung fast kostenlos !• Block Truncation Code, 4x4 Pixels per BlockBlock Truncation Code, 4x4 Pixels per Block• Kompression: 6:1Kompression: 6:1• Lossy Compression Lossy Compression Qualität ? Qualität ?

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S3TC QualitätS3TC Qualität

ProsPros

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S3TC QualitätS3TC Qualität

And Cons…And Cons…

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Noch mehr ProblemeNoch mehr Probleme

• Aliasing:Aliasing:• Unterabtastung des HöhenfeldesUnterabtastung des Höhenfeldes• Textur / Höhenfeld flimmert (Popping-Artefakte)Textur / Höhenfeld flimmert (Popping-Artefakte)

• Lösungen:Lösungen:• Nyquist-Sampling – aber wie ?Nyquist-Sampling – aber wie ?• Fullscreen-Antialiasing / SupersamplingFullscreen-Antialiasing / Supersampling• TexturfilteringTexturfiltering

• Mipmapping, Anisotropes Filtering Mipmapping, Anisotropes Filtering GPU-featuresGPU-features

• Level-Of-Detail (LOD)Level-Of-Detail (LOD)• Diskrete Meshes in verschiedenen AuflösungenDiskrete Meshes in verschiedenen Auflösungen• Optional: Interpolation, kontinuierliches LODOptional: Interpolation, kontinuierliches LOD

Demo I Demo II

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Texturfilterung - bilinearTexturfilterung - bilinear

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Texturfilterung - MipMapTexturfilterung - MipMap

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Texturfilterung - AnisotropTexturfilterung - Anisotrop

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Level-Of-DetailLevel-Of-Detail

• Diskrete „Nested Mesh“ HierarchieDiskrete „Nested Mesh“ Hierarchie

• Feinere Level enthalten alle gröberen LevelFeinere Level enthalten alle gröberen Level

• Ermöglicht progressiven Ermöglicht progressiven

TransferTransfer

• Einfache Interpolation Einfache Interpolation

zwischen Levelszwischen Levels

(„Geomorphing“) („Geomorphing“)

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Level-Of-DetailLevel-Of-Detail

• VorteileVorteile• Generierung als VorverarbeitungGenerierung als Vorverarbeitung• GPU-freundlich („Triangle Fans“)GPU-freundlich („Triangle Fans“)

• Kompakte Repräsentation, schnellKompakte Repräsentation, schnell

• Genaue (!) FehlerkontrolleGenaue (!) Fehlerkontrolle• Beliebiges FehlermaßBeliebiges Fehlermaß

• Level-Wahl basierend auf DistanzkriteriumLevel-Wahl basierend auf Distanzkriterium• Benutzer gibt akzeptablen Fehler Benutzer gibt akzeptablen Fehler im Bildbereich vor im Bildbereich vor• Für jede Datenpartition, pro Frame:Für jede Datenpartition, pro Frame:

• Projiziere Projiziere in das Höhenfeld in das Höhenfeld Höhenfehler Höhenfehler • Wähle die beiden Levels die am besten zu Wähle die beiden Levels die am besten zu passen passen• Interpoliere zwischen LevelsInterpoliere zwischen Levels• Analog zu MipmapsAnalog zu Mipmaps

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Mehr DemosMehr Demos

Grand CanyonGrand Canyon

ParisParis

PugetPuget Sound Sound

Oberbayern und AlpenOberbayern und Alpen

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Weiteres Interesse ?Weiteres Interesse ?

• Diplomarbeiten / System-Entwicklungs-PraktikaDiplomarbeiten / System-Entwicklungs-Praktika• Fraktale Analyse / Synthese von HöhenfeldernFraktale Analyse / Synthese von Höhenfeldern• Bessere GPU-basierte TexturkompressionBessere GPU-basierte Texturkompression• Mesh-KompressionMesh-Kompression• Einbettung von 3D-Objekten (Häusern, Bäume etc.)Einbettung von 3D-Objekten (Häusern, Bäume etc.)• Tools zur Verarbeitung von Texturen / Elevation MapsTools zur Verarbeitung von Texturen / Elevation Maps

• Seminar „Terrain Rendering“Seminar „Terrain Rendering“• Vorträge immer Donnerstags, 14:00 in diesem RaumVorträge immer Donnerstags, 14:00 in diesem Raum• Nächster Vortrag: 12.5.2005 „QAEB-Tracing“Nächster Vortrag: 12.5.2005 „QAEB-Tracing“

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