Seminar "Wissenschaftliche Visualisierung und Virtuelle Realität", SS 2009

1) Räumliche Wahrnehmung - Aktive und passive Stereosysteme

Unter räumlicher Wahrnehmung wird die Fähigkeit des Menschen, Entfernungen von Objekten in einem dreidimensionalen Raum einschätzen zu können, verstanden. Es soll geklärt werden, auf welche Weise diese räumliche Wahrnehmung im dreidimensionalen Raum vonstatten geht und wie aktive und passive Stereosysteme Dreidimensionalität vortäuschen. Des Weiteren sollen die verschiedenen Aktiv- und Passivstereotechniken sowie deren Vor- und Nachteile gegenübergestellt werden.

2) 3D-Eingabegeräte und Tracking-Systeme sowie deren Programmierung

Da zur Navigation in einem dreidimensionalen Raum einfache Eingabegeräte wie zum Beispiel die Computermaus nur bedingt geeignet sind, wurden in den vergangenen Jahren ein Vielzahl von Eingabegeräten und Navigationshilfen für Virtuelle Realitäten entwickelt. Die wichtigsten Gruppen sollen hier vorgestellt werden. Dabei sind auch die verwendeten gängigen Protokolle zu beschreiben.

3) Dual Contouring und Sweeping Simplices

Dual Conturing und Sweeping Simplices sind Algorithmen zur Extraktion von Isoflächen aus 3D-Skalarfeldern und stellen Alternativen zu Marching Cubes dar. Die Verfahren sollen detailliert erläutert und untereinander verglichen werden.

4) Polygonsimplifizierung

Zur effizienten Speicherung, Übertragung und zeitnahen Darstellung von 3D-Szenen mittels polygonaler Modelle existieren eine Zahl von Polygonsimplifizierungsverfahren, mit denen sich die Komplexität hochaufgelöster polygonaler Netze unter möglichst geringen Qualitätsverlust reduzieren lässt. Einige der wichtigsten Ansätze, -- Vertex-Clustering, Vertex Decimation, Quadric Error Metrics und R-Simp sollen hier vorgestellt und verglichen werden.

5) Multiresolutionsverfahren

Zur effizienten Speicherung, Übertragung und zeitnahen Darstellung von 3D-Szenen mittels polygonaler Modelle existieren eine Zahl von Multiresolutionsverfahren, wie z.B. Progressive Meshes, mit denen sich Komplexität und Detailgrad von 3D-Szenen flexibel einstellen lassen. Es soll eine Überblick über die wichtigsten Techniken erstellt werden.

6) Kompression von 3D-Modellen

Der triviale Ansatz aus Dreiecksnetzen bestehende 3D-Modellen als Listen von Dreiecken zu speichern ist vom Speicherbedarf her keineswegs optimal. Sowohl einfache in OpenGL und Direct 3D nativ unterstützte Datenformate als auch komplexere Algorithmen wie Edgebreaker und Spirale Reversi machen zwecks verlustfreier Komprimierung (lossless compression) zunutze, dass Punkte in solchen Netzen in mehreren Dreiecken vorhanden sind. Des Weiterenexisieren auch verlustbehaftete Kompressionstechniken (lossy compression), die nicht auf Polygonsimplifizierung beruhen, wie z.B. die Einführung baryzentrische Koordinaten zur Speicherung von Punkten und den zugehörigen Normalenvektoren. Aufgabe ist die genannten Methoden kurz vorzustellen und zu vergleichen.

7) Beleuchtung von 3D-Szenen

Um 3D-Szenen realistisch darzustellen, müssen diese auch ins rechte Licht gerückt werden. Dabei können verschiedene Shading-Techniken und globale und lokale Beleuchtungsmodelle zum Einsatz kommen. Beispiele für "Global Illumination"-Algorithmen sind Raytracing und Radiosity. Es soll ein Überblick gegeben werden.

8) Farben und Texturen

Nur nur Beleuchtung sondern natürlich auch Farben und Texturen sind zur realistischen Darstellung von 3D-Szenen von Bedeutung. Hier sollen die verschiedenen Farbmodelle, inklusive Transparenz, und die verschiedenen Formen des Texture-Mappings (1D-, 2D-, 3D-Texturen, Environment- und Bump-Mapping) sowie das Zusammenspiel von Textur und Farbe erläutert werden.

9) Illuminated Streamlines

Um Strom- und Bahnlinien (Streamlines , Pathlines) in 3D-Szenen plastisch darzustellen, müssen diese auch ins rechte Licht gerückt werden. Eine Möglichkeit ist hier der Einsatz von "Illuminated Streamlines". Nach einem kurzen, allgemeinen Einstieg in Strom- und Bahnlinien sollen  "Illuminated Streamlines" sollen inklusive der zugrundeliegenden Theorie, wie etwa dem verwendeten Beleuchtungsmodell, dargestellt und erläutert werden.

10) Feature-Extraction und texturbasierte Techniken zur Strömungsvisualisierung

Neben geometrischen Verfahren wie z.B. Strom- und Bahnlinien werden auch eine Reihe von feature- und texturbasierte Techniken zur Strömungsvisualisierung eingesetzt. Zu den texturbasierten Verfahren zählt z.B. die Line-Integral-Convolution (LIC). Bei feature-basierte Techniken (Feature Extraction) werden Strömungen auf interessanten Merkmalen (Critical Points) wie z.B. Wirbel hin analysiert und diese gezielt visualisiert. Die verschiedenen Methoden sollen hier beschrieben und gegenübergestellt werden.