Jens SchneiderJens Schneider computer graphics & visualization Technische Universität MünchenTechnische Universität München Earth-View Virtuelle Exploration.

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

2 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Motivation Flugsimulatoren

3 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Motivation Geographic Information Systems (GIS) Maunaloa Volcano, Hawaii Crater Lake, Oregon, US Maunaloa Volcano, Hawaii Crater Lake, Oregon, US (Video) (Video)

4 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Motivation Digital Relief Maps – Mt. Rainier, Washington, US

5 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Motivation Spiele

6 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Earth-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

7 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Anforderungen SpieleSpiele 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 und hohe Wiederholraten für hochaufgelöste Höhenfelder mit Textur(en)Hohe Qualität und hohe Wiederholraten für hochaufgelöste Höhenfelder mit Textur(en)

8 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Datenakquisition: 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 EchtfarbenKonvertierung 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

9 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Datenakquisition: 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 imz.B. Mars-Ausstellung im Deutschen Museum

10 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Datenakquisition: 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 und BodenmaterialMisst Tiefe und 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

11 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Datenakquisition: Sonar

12 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Datenakquisition: Sonar

13 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Kreuzer Cöln II Aufgegeben 21. Juni 1919, Scapa Flow, Schottland

14 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Probleme 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

15 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Probleme 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

16 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Probleme aus Sicht der Informatik 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 ?

17 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Methoden 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 AliasingNicht adaptiv Aliasing

18 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Methoden Dynamische ApproximationDynamische Approximation Gelände- und Betrachter-adaptivGelände- und 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-BildgrösseUniforme Dreiecks-Bildgrösse Schlechte FehlerkontrolleSchlechte Fehlerkontrolle Idee: Nicht lange re-meshen, rendern!

19 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Unser Ansatz Hohe Qualität und hohe Wiederholraten für hochaufgelöste Höhenfelder mit Textur(en) Progressive HierarchieProgressive Hierarchie TexturkompressionTexturkompression Programmierbare GrafikhardwareProgrammierbare Grafikhardware Demo

20 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Probleme: Datengröße Partitioniere Daten in quadratische TilesPartitioniere Daten in quadratische Tiles Verarbeite und rendere Tiles unabhängig voneinanderVerarbeite und rendere Tiles unabhängig voneinander Frustum Culling pro TileFrustum Culling pro Tile Datentransfer pro Tile weniger BustransferDatentransfer pro Tile weniger Bustransfer T-Vertices: Repariere Tile-GrenzenT-Vertices: Repariere Tile-Grenzen

21 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Probleme: Datengröße Textur üblicherweise viel grösser als HöhenfeldTextur üblicherweise viel 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 Qualität ?Lossy Compression Qualität ?

22 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 S3TC Qualität Pros

23 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 S3TC Qualität And Cons…

24 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Noch 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 GPU-featuresMipmapping, Anisotropes Filtering GPU-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 I Demo II Demo II

25 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Texturfilterung - bilinear

26 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Texturfilterung - MipMap

27 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Texturfilterung - Anisotrop

28 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Level-Of-Detail Diskrete Nested Mesh HierarchieDiskrete Nested Mesh Hierarchie Feinere Level enthalten alle gröberen LevelFeinere Level enthalten alle gröberen Level Ermöglicht progressivenErmöglicht progressivenTransfer Einfache InterpolationEinfache Interpolation zwischen Levels (Geomorphing)

29 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Level-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 im Bildbereich vorBenutzer gibt akzeptablen Fehler im Bildbereich vor Für jede Datenpartition, pro Frame:Für jede Datenpartition, pro Frame: Projiziere in das Höhenfeld HöhenfehlerProjiziere in das Höhenfeld Höhenfehler Wähle die beiden Levels die am besten zu passenWähle die beiden Levels die am besten zu passen Interpoliere zwischen LevelsInterpoliere zwischen Levels Analog zu MipmapsAnalog zu Mipmaps

30 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Mehr Demos Grand Canyon Grand Canyon Paris Puget Sound Puget Sound Oberbayern und Alpen Oberbayern und Alpen

31 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 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 RenderingSeminar Terrain Rendering Vorträge immer Donnerstags, 14:00 in diesem RaumVorträge immer Donnerstags, 14:00 in diesem Raum Nächster Vortrag: 12.5.2005 QAEB-TracingNächster Vortrag: 12.5.2005 QAEB-Tracing

32 computer graphics & visualization J. Schneider – Computer Grafik & Visualisierung, TUM Colloquium Recent topics in Computer Graphics 10.5.2005 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Fragen / Anmerkungen ? jens.schneider@in.tum.de