Interactive rendering techniques for focus+context visualization of 3D geovirtual environments

• Main Author: Trapp, Matthias
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universität Potsdam 2013
• Subjects: 3D Computer Grafik; Interaktives Rendering; Fokus-&-Kontext Visualisierung; 3D Computer Graphics; Interactive Rendering; Focus+Context Visualization; Data processing Computer science
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-66824; http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2013/6682/

This thesis introduces a collection of new real-time rendering techniques and applications for focus+context visualization of interactive 3D geovirtual environments such as virtual 3D city and landscape models. These environments are generally characterized by a large number of objects and are of high complexity with respect to geometry and textures. For these reasons, their interactive 3D rendering represents a major challenge. Their 3D depiction implies a number of weaknesses such as occlusions, cluttered image contents, and partial screen-space usage. To overcome these limitations and, thus, to facilitate the effective communication of geo-information, principles of focus+context visualization can be used for the design of real-time 3D rendering techniques for 3D geovirtual environments (see Figure). In general, detailed views of a 3D geovirtual environment are combined seamlessly with abstracted views of the context within a single image. To perform the real-time image synthesis required for interactive visualization, dedicated parallel processors (GPUs) for rasterization of computer graphics primitives are used. For this purpose, the design and implementation of appropriate data structures and rendering pipelines are necessary. The contribution of this work comprises the following five real-time rendering methods: • The rendering technique for 3D generalization lenses enables the combination of different 3D city geometries (e.g., generalized versions of a 3D city model) in a single image in real time. The method is based on a generalized and fragment-precise clipping approach, which uses a compressible, raster-based data structure. It enables the combination of detailed views in the focus area with the representation of abstracted variants in the context area. • The rendering technique for the interactive visualization of dynamic raster data in 3D geovirtual environments facilitates the rendering of 2D surface lenses. It enables a flexible combination of different raster layers (e.g., aerial images or videos) using projective texturing for decoupling image and geometry data. Thus, various overlapping and nested 2D surface lenses of different contents can be visualized interactively. • The interactive rendering technique for image-based deformation of 3D geovirtual environments enables the real-time image synthesis of non-planar projections, such as cylindrical and spherical projections, as well as multi-focal 3D fisheye-lenses and the combination of planar and non-planar projections. • The rendering technique for view-dependent multi-perspective views of 3D geovirtual environments, based on the application of global deformations to the 3D scene geometry, can be used for synthesizing interactive panorama maps to combine detailed views close to the camera (focus) with abstract views in the background (context). This approach reduces occlusions, increases the usage the available screen space, and reduces the overload of image contents. • The object-based and image-based rendering techniques for highlighting objects and focus areas inside and outside the view frustum facilitate preattentive perception. The concepts and implementations of interactive image synthesis for focus+context visualization and their selected applications enable a more effective communication of spatial information, and provide building blocks for design and development of new applications and systems in the field of 3D geovirtual environments. === Die Darstellung immer komplexerer raumbezogener Information durch Geovisualisierung stellt die existierenden Technologien und den Menschen ständig vor neue Herausforderungen. In dieser Arbeit werden fünf neue, echtzeitfähige Renderingverfahren und darauf basierende Anwendungen für die Fokus-&-Kontext-Visualisierung von interaktiven geovirtuellen 3D-Umgebungen – wie virtuelle 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle – vorgestellt. Die große Menge verschiedener darzustellender raumbezogener Information in 3D-Umgebungen führt oft zu einer hohen Anzahl unterschiedlicher Objekte und somit zu einer hohen Geometrie- und Texturkomplexität. In der Folge verlieren 3D-Darstellungen durch Verdeckungen, überladene Bildinhalte und eine geringe Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bildraumes an Informationswert. Um diese Beschränkungen zu kompensieren und somit die Kommunikation raumbezogener Information zu verbessern, kann das Prinzip der Fokus-&-Kontext-Visualisierung angewendet werden. Hierbei wird die für den Nutzer wesentliche Information als detaillierte Ansicht im Fokus mit abstrahierter Kontextinformation nahtlos miteinander kombiniert. Um das für die interaktive Visualisierung notwendige Echtzeit-Rendering durchzuführen, können spezialisierte Parallelprozessoren für die Rasterisierung von computergraphischen Primitiven (GPUs) verwendet werden. Dazu ist die Konzeption und Implementierung von geeigneten Datenstrukturen und Rendering-Pipelines notwendig. Der Beitrag dieser Arbeit umfasst die folgenden fünf Renderingverfahren. • Das Renderingverfahren für interaktive 3D-Generalisierungslinsen: Hierbei wird die Kombination unterschiedlicher 3D-Szenengeometrien, z. B. generalisierte Varianten eines 3DStadtmodells, in einem Bild ermöglicht. Das Verfahren basiert auf einem generalisierten Clipping-Ansatz, der es erlaubt, unter Verwendung einer komprimierbaren, rasterbasierten Datenstruktur beliebige Bereiche einer 3D-Szene freizustellen bzw. zu kappen. Somit lässt sich eine Kombination von detaillierten Ansichten im Fokusbereich mit der Darstellung einer abstrahierten Variante im Kontextbereich implementieren. • Das Renderingverfahren zur Visualisierung von dynamischen Raster-Daten in geovirtuellen 3D-Umgebungen zur Darstellung von 2D-Oberflächenlinsen: Die Verwendung von projektiven Texturen zur Entkoppelung von Bild- und Geometriedaten ermöglicht eine flexible Kombination verschiedener Rasterebenen (z.B. Luftbilder oder Videos). Somit können verschiedene überlappende sowie verschachtelte 2D-Oberflächenlinsen mit unterschiedlichen Dateninhalten interaktiv visualisiert werden. • Das Renderingverfahren zur bildbasierten Deformation von geovirtuellen 3D-Umgebungen: Neben der interaktiven Bildsynthese von nicht-planaren Projektionen, wie beispielsweise zylindrischen oder sphärischen Panoramen, lassen sich mit diesem Verfahren multifokale 3D-Fischaugen-Linsen erzeugen sowie planare und nicht-planare Projektionen miteinander kombinieren. • Das Renderingverfahren für die Generierung von sichtabhängigen multiperspektivischen Ansichten von geovirtuellen 3D-Umgebungen: Das Verfahren basiert auf globalen Deformationen der 3D-Szenengeometrie und kann zur Erstellung von interaktiven 3D-Panoramakarten verwendet werden, welche beispielsweise detaillierte Absichten nahe der virtuellen Kamera (Fokus) mit abstrakten Ansichten im Hintergrund (Kontext) kombinieren. Dieser Ansatz reduziert Verdeckungen, nutzt den zur Verfügung stehenden Bildraum in verbesserter Weise aus und reduziert das Überladen von Bildinhalten. • Objekt-und bildbasierte Renderingverfahren für die Hervorhebung von Fokus-Objekten und Fokus-Bereichen innerhalb und außerhalb des sichtbaren Bildausschnitts, um die präattentive Wahrnehmung eines Benutzers besser zu unterstützen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Konzepte, Entwürfe und Implementierungen von interaktiven Renderingverfahren zur Fokus-&-Kontext-Visualisierung sowie deren ausgewählte Anwendungen ermöglichen eine effektivere Kommunikation raumbezogener Information und repräsentieren softwaretechnische Bausteine für die Entwicklung neuer Anwendungen und Systeme im Bereich der geovirtuellen 3D-Umgebungen.