Design and implementation of non-photorealistic rendering techniques for 3D geospatial data

Design und Implementierung von nichtfotorealistischen Rendering-Techniken für 3D-Geodaten

  • Geospatial data has become a natural part of a growing number of information systems and services in the economy, society, and people's personal lives. In particular, virtual 3D city and landscape models constitute valuable information sources within a wide variety of applications such as urban planning, navigation, tourist information, and disaster management. Today, these models are often visualized in detail to provide realistic imagery. However, a photorealistic rendering does not automatically lead to high image quality, with respect to an effective information transfer, which requires important or prioritized information to be interactively highlighted in a context-dependent manner. Approaches in non-photorealistic renderings particularly consider a user's task and camera perspective when attempting optimal expression, recognition, and communication of important or prioritized information. However, the design and implementation of non-photorealistic rendering techniques for 3D geospatial data pose a number of challenges, espeGeospatial data has become a natural part of a growing number of information systems and services in the economy, society, and people's personal lives. In particular, virtual 3D city and landscape models constitute valuable information sources within a wide variety of applications such as urban planning, navigation, tourist information, and disaster management. Today, these models are often visualized in detail to provide realistic imagery. However, a photorealistic rendering does not automatically lead to high image quality, with respect to an effective information transfer, which requires important or prioritized information to be interactively highlighted in a context-dependent manner. Approaches in non-photorealistic renderings particularly consider a user's task and camera perspective when attempting optimal expression, recognition, and communication of important or prioritized information. However, the design and implementation of non-photorealistic rendering techniques for 3D geospatial data pose a number of challenges, especially when inherently complex geometry, appearance, and thematic data must be processed interactively. Hence, a promising technical foundation is established by the programmable and parallel computing architecture of graphics processing units. This thesis proposes non-photorealistic rendering techniques that enable both the computation and selection of the abstraction level of 3D geospatial model contents according to user interaction and dynamically changing thematic information. To achieve this goal, the techniques integrate with hardware-accelerated rendering pipelines using shader technologies of graphics processing units for real-time image synthesis. The techniques employ principles of artistic rendering, cartographic generalization, and 3D semiotics—unlike photorealistic rendering—to synthesize illustrative renditions of geospatial feature type entities such as water surfaces, buildings, and infrastructure networks. In addition, this thesis contributes a generic system that enables to integrate different graphic styles—photorealistic and non-photorealistic—and provide their seamless transition according to user tasks, camera view, and image resolution. Evaluations of the proposed techniques have demonstrated their significance to the field of geospatial information visualization including topics such as spatial perception, cognition, and mapping. In addition, the applications in illustrative and focus+context visualization have reflected their potential impact on optimizing the information transfer regarding factors such as cognitive load, integration of non-realistic information, visualization of uncertainty, and visualization on small displays.show moreshow less
  • Geodaten haben sich zu einem natürlichen Bestandteil in einer steigenden Zahl von Informationssystemen und -diensten in der Wirtschaft, Gesellschaft und im Privatleben entwickelt. Virtuelle 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle stellen hierbei insbesondere wertvolle Informationsquellen in einer Vielzahl von Anwendungen dar, wie z. B. in der Stadtplanung, Navigation, Touristeninformation und im Katastrophenschutz. Heutzutage werden diese Modelle oftmals detailliert dargestellt, um ein möglichst realistisches Bild zu vermitteln. Jedoch führt eine fotorealistische Darstellung, hinsichtlich einem effektiven Informationstransfer zum Betrachter, nicht zwangsläufig zu einer hohen Bildqualität, welche eine interaktive und kontextsensitive Hervorhebung von wichtigen oder priorisierten Informationen erfordert. Ansätze in der nichtfotorealistischen Bildsynthese berücksichtigen insbesondere die Aufgabe eines Nutzers und Kameraperspektive, um Aspekte der Expressivität, Wahrnehmung und Kommunikation von wichtigen oder priorisierten Informationen zu oGeodaten haben sich zu einem natürlichen Bestandteil in einer steigenden Zahl von Informationssystemen und -diensten in der Wirtschaft, Gesellschaft und im Privatleben entwickelt. Virtuelle 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle stellen hierbei insbesondere wertvolle Informationsquellen in einer Vielzahl von Anwendungen dar, wie z. B. in der Stadtplanung, Navigation, Touristeninformation und im Katastrophenschutz. Heutzutage werden diese Modelle oftmals detailliert dargestellt, um ein möglichst realistisches Bild zu vermitteln. Jedoch führt eine fotorealistische Darstellung, hinsichtlich einem effektiven Informationstransfer zum Betrachter, nicht zwangsläufig zu einer hohen Bildqualität, welche eine interaktive und kontextsensitive Hervorhebung von wichtigen oder priorisierten Informationen erfordert. Ansätze in der nichtfotorealistischen Bildsynthese berücksichtigen insbesondere die Aufgabe eines Nutzers und Kameraperspektive, um Aspekte der Expressivität, Wahrnehmung und Kommunikation von wichtigen oder priorisierten Informationen zu optimieren. Das Design und die Umsetzung von Techniken der nichtfotorealistischen Bildsynthese für 3D-Geodaten sind jedoch mit einer Vielzahl von Herausforderungen konfrontiert, besonders dann, wenn die Geometrie, das Erscheinungsbild und thematische Daten interaktiv verarbeitet werden müssen. Infolgedessen stellt die programmierbare Architektur und parallelisierte Datenverarbeitung von Grafik-prozessoren eine vielversprechende technische Grundlage zur Verfügung. Diese Arbeit präsentiert Techniken der nichtfotorealistischen Bildsynthese, die den Abstraktionsgrad von Inhalten raumbezogener 3D-Modelle, entsprechend der Nutzerinteraktion und dynamisch-veränderbaren thematischen Informationen, berechnet und auswählt. Hierzu sind die vorgestellten Techniken in die hardwarebeschleunigte Rendering-Pipeline integriert, unter Verwendung der Shader-Technologie von Grafikprozessoren, um eine Echtzeit-Bildsynthese zu gewährleisten. Dabei werden Prinzipien der künstlerischen Darstellung, Aspekte der kartographischen Generalisierung sowie 3D Semiotik verwendet—im Gegensatz zur fotorealistischen Bildsynthese—um illustrative Darstellungen von raumbezogenen Feature-Typ-Entitäten zu synthetisieren, z. B. von Wasserflächen, Gebäuden und Infrastrukturnetzen. Darüber hinaus stellt diese Arbeit ein generisches System vor, welches die Integration verschiedener Grafikstile—fotorealistisch und nichtfotorealistisch—und ihren nahtlosen Übergang, entsprechend von Nutzeraufgaben, Kameraansichten und Bildauflösungen, ermöglicht. Evaluierungen der in dieser Arbeit vorgestellten Techniken haben ihre Bedeutung im Bereich der Informationsvisualisierung von raumbezogenen Daten aufgezeigt, einschließlich Themengebiete der räumlichen Wahrnehmung, Kognition und Kartierung. Darüber hinaus haben Anwendungen im Bereich der illustrativen Visualisierung und Fokus-&-Kontext Visualisierung den potentiellen Einfluss dieser Techniken, in Bezug auf die Optimierung des Informationstransfers zum Nutzer, demonstriert, z. B. hinsichtlich der kognitiven Last, der Integration nichtrealistischer Informationen, der Visualisierung von Unsicherheiten und der Visualisierung auf kleinen Bildschirmen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Amir Semmo
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-99525
Advisor:Jürgen Döllner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/11/14
Release Date:2016/11/29
Tag:3D Semiotik; 3D Visualisierung; Bildverarbeitung; GPU; Geodaten; Kartografisches Design; Nichtfotorealistische Bildsynthese; Stilisierung
3D semiotics; 3D visualization; GPU; cartographic design; geospatial data; image processing; non-photorealistic rendering; stylization
Pagenumber:XVI, 155
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Informatik und Computational Science
An-Institute / Hasso-Plattner-Institut für Softwaresystemtechnik GmbH
CCS Classification:I. Computing Methodologies
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
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