Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Goethe-Universität, FrankfurtGraphische Datenverarbeitung

Visualisierung

Der Visualisierungsprozess

WS 2000/20012Visualisierung3. Der Visualisierungsprozess© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker

Rückblick

� Visualisierung dient der Erzeugung geeigneter visueller Repräsentationen von Daten und Informationen

� Visualisierung dient damit der:� explorativen Analyse oder� konfirmativen Analyse oder� Präsentation + Kommunikation

� Eine Visualisierung soll� expressiv,� möglichst effektiv und dabei� angemessen sein.

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Übersicht

1. Die Visualisierungspipeline� Transformationen (Funktionen)� Datenarten und Datenfluss

2. Klassifikation der Visualisierungen3. Rollen im Visualisierungsprozess4. Referenzmodell für die Visualisierung5. Visualisierungsszenarien

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Übersicht (Fortsetzung)

6. Zusammenfassung 7. Glossar8. Ausblick – Nächste Schritte

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Die Visualisierungspipeline

Die drei wesentlichen Schritte :Filtering: „Datenaufbereitung“Mapping: Erzeugung eines

Graqphischen Modells (Geometrie + Merkmale): Visualisierung im engeren Sinn

Rendering: „Bildgenerierung“

(nach Haber: Visualization Idioms: A conceptual model for scientific Visualization Systems, 1990)

Filtering

Mapping

Rendering

Daten

Bild

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Die Visualisierungspipeline

Datenerfassung liefert Rohdaten� Messung� Berechnung, Simulation� Manuelle Eingabe� Datenbanken, TabellenFiltering

Mapping

Rendering

Daten

Bild

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Die Visualisierungspipeline

Vervollständigung� Interpolation (Vorsicht!)

Reduzierung� Selektion� Projektion

Glättung� Fehlerkorrektur

Bestimmung charakteristischer Eigenschaften� Extrema, Gradienten� Statistik, Informationsgehalt

Ergebnis:aufbereitete Daten

Filtering

Mapping

Rendering

Daten

Bild

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Die VisualisierungspipelineAbbildung der aufbereiteten Daten in

ein Bild (2D) oder eine Szene (3D)(Geometrie und Merkmalsebene) durch� Ensemble von geometrischen

Objekten (Punkte, Linien, Flächen, Körper)

� Erscheinungsattribute (Farbe, Struktur, Textur, Parametern von Beleuchtungsmodellen, ... )

� Betrachtungsbedingungenals Repräsentanten sogenannter

visueller Variablen: Position auf der Ebene, Größe, Helligkeit, Musterung (Textur), Farbe, Richtung / Orientierung, Form) nach Bertin

Achtung: In Sonderfällen wird direkt in ein Digitales Bild transformiert (Volume Rendering)

Filtering

Mapping

Rendering

Daten

Bild

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Beschreibt ein Bild (2D) oder eine Szene (3D) durch� Ensemble von geometrischen Objekten

(Punkte, Linien, Flächen, Körper)� Erscheinungsattribute

(Farbe, Struktur, Textur, Parametern von Beleuchtungsmodellen, ... )

� Betrachtungsbedingungen

Rückblick (GDV)Geometrie und Merkmalsebene

Wichtige UnterscheidungDefinitionsbereich: 2D oder 3D

2D: ggf Ausschnitt aus Definitionsbereich darstellen: Window-Viewport Transformation

3D: Szene wird durch virtuelle Kamera (Viewing Transformationen, perspektivische Transformation) auf 2D abgebildet

RückblickGeometrie und Merkmalsebene

y z

x

x

y

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Graphisches ModellierenDas Prinzip(2D und 3D)

� Instanzieren und Attributieren von Primitiven � Gruppieren (Mengen, Hierarchien)� (Geometrie) transformieren

� Skalieren Rotieren� Translieren (Scheren)

� Interpolierenzum verändern, positionieren und orientierenim Modell- oder Weltkoordinatensystem

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Graphische Primitive 2D

� Grundlage: 2D Koordinatensystem kontinuierlich � REAL

� Graphische Objekte (Beispiele GKS)� Punkte � (Poly) Marker� Linien(zug) � Polygon

� Fläche � Füllgebiet

� Text� (Dig. Bild) � (Fill Array)

�⊕⊗•∗−+ ��

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Weitere (höhere) 2D-Primitive

� Kreise, Ellipsen – Kreisbögen, Ellipsenbögen� Rechtecke, Parallelogramme, ...� Pfeile, Spiralen, ...� Kurven: Bezier, Splines, algebraische Kurvenwichtige Primitive für Zeichenprogramme (=

Anwendungen) aber lassen sich auf:

Punkte, Linien, Vektoren (Richtung, Größe) und Polygone (Flächen, u.U. Dreiecke) zurückführen:

Basisprimitive

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3D-Systeme

Szene:� Ensemble der im Weltkoordinatensystem

positionierten und orientierten Objekte� Ensemble der positionierten und orientierten

Lichtquellen� Virtuelle Kamera (s)� Hintergrund� Umgebungseffekte (Nebel, Dunst)

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3D-Objekte

� Punkte (im Raum) und Vektoren (Orientierungen)� Linien� Flächen

� ebene: Dreiecke, Vierecke, Polygone, ...Sonderformen: triangle strips, triangle meshes, ...

� gekrümmte: Bezier, Spline, ...� Körper

� analytisch: Kugel, Zylinder, Torus, Quader, ... , Quadriken � polygonal: „Boundary Representation“� CSG Objekt: Construcive Solid Geometry� ...

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3D (Rendering-) Basisprimitive

� Punkte (im Raum) � Vektoren (Orientierungen)� Linien� Dreiecke (Vierecke)

und deren Sonderformen (strips, meshes, ...)

Alle anderen Modellierungsprimitive lassen sich (relativ leicht) mit wählbarer Approximationsgenauigkeit auf diese Primitive abbilden (zerlegen) ... und zwar mit vergleichsweise geringem Aufwand.

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Die Visualisierungspipeline

Rendering Transformation einer Geometrie- und Merkmalsbeschreibung in ein Digitales Bild

Filtering

Mapping

Rendering

Daten

Bild

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Rückblick2D Rendering

� (Modelling-Transformation)� Transformieren und Klippen

(Screen Mapping) Weltkoordinaten � GerätekoordinatenAuschnitt der „Welt“ � „Fenster“ der Zeichenfläche

x

y

Zeichenfläche

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2D Rendering (Fortsetzung)

� Rastern (Scan Konvertieren, Rasterisieren)Geometrische Primitive � Menge von Pixeln

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Fachhistorisch taucht der Begriff schon 1968 z.B. bei Appelauf. Zuächst findet man eine starke Anlehnung an die in der Kunst gebräuchlichen Verwendung: Interpretation, Gestaltung, Ausführung. „Our pupose is to make available to everyone rendering capability previously possible only to rare and talented artitsts and draftsmen.“ [Appel 68]

PEX Glossary 88:„The process of converting output primitiv commands andcolors into displayable colors and pixel locations.“

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3D-Rendering

Drei Grundprobleme:1. Welches Objekt beeinflußt welches Pixel

und wie sind die Objekte in Blickrichtung der Kamera relativ zueiander geordnet?

2. Welcher Farbwert ist diesem Pixel aufgrund der Objekteigenschaften, der Kameraposition der Lichtquellen und der Umgebungsverhältnisse zuzuordnen?

3. Wie sind verschiedene Objekteinflüsse zu überlagern und zu mischen

Geometrie-problem

Beleuchtungs-rechnung

Je nach Ursache A oder B

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3D-Rendering Grundstrukturen

Geometrie-konvertierung

lokaleBeleuchtungs-

rechnung

Projektive Ausgabe

Geometrie-konvertierung

(globale)Beleuchtungs-

rechnung

StrahlverfolgungRaycasting: n =1 Raytracing: n >1

Geometrie-konvertierung

Radiosity

i<n

globaleBeleuchtungs-

rechnung

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Die Visualisierungspipeline

Anzeige:Digitale Bild � VideosignalElektrooptische Wandler

(Display): Monitor, ..., Drucker

Filtering

Mapping

Rendering

Daten

Bild

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Rückblick: Anzeigesysteme (Displays) elektrooptische Wandler

Elektrooptische Wandler

Refresh-Typen Speichertypen

sequentiell simultan

pixelsequentiellRasterscan: Fernsehprinzip

andere Sequentialisierungen

Kathodenstrahl-röhre (CRT)

kaligraphische CRTseinzelne Farbauszügein Filmbelichtern

Flüssig-kristall-anzeigen

DruckerPlotter PlasmadisplaysAC-Dünnfilm-Elektroluminis-zenzSpeicherröhre

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Themen der Vorlesung

Applikationsdomäne

Visualisierung...Volumenrendering

Graphische DatenverarbeitungGDV und GDV-E

Filtering

Mapping

Rendering

Daten

Bild

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Datenfluß in der Visualisierungspipeline

Rohdaten

Bilder

aufbereiteteDaten

Geometrie +Merkmalsdaten

Bilder

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Bildrepräsentationen (Speicher)

DigitalesBild

Digital-video

Graphik Animation

Reiz

Video

� Symbolisch

� Geometrie & Merkmal

� Diskret, Quantisiert

� Elektrisch (optisch)

� Optisch (unmittelbar wahrnehmbar)

zeitunabhängigeRohdatenaufbereitete Daten

zeitabhängigeDaten

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Mapping

Rendering

Rekonstrukion

Anzeige

Methoden der GDVEinordnung der Visualisierung

Bildverstehen

Merkmalsextraktion

Abtastung

Aufnahme

Digitales Bild Digital-Video

Graphik Animation

zeitunabhängigRohdatenaufbereitete Daten

Reiz

Video

zeitabhängigeDaten

Filtering

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Beispiel[nach Haber]

Erfassung der Rohdaten an den roten Punkten

Abbildung auf ein reguläres Gitter

Projektion des Gitters und Mapping der WerteDruck � HöheTemperatur � Farbe

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Klassifikation der Visualisierungen

� VDI- Infos

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Rollen im Visualisierungsprozess

� Messfachmann� Simulationsfachmann� Berechnungsfachmann

� Visualisierungsfachmann� (Illustratoren)

� (Fach-) Analytiker� Zuschauer

� Autor („Publisher“)

� Betrachter, Leser(„Viewer“)

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Variante 1:Der Autor erzeugt ein Bild /

eine Bildsequenz

� Der Betrachter hat keine Möglichkeiten auf den Visualisierungsprozess Einfluss zu nehmen

� Ggf. hohe Datenraten nötig (Bild, Video)� Der Autor kann die Qualität garantieren

F M RDaten Bild

Autor Betrachter

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Variante 2:Der Autor erzeugt ein Geometrie- und

Merkmalsmodell / eine Animation

� Übertragung zum Beispiel als VRML-Szene� Betrachter kontrolliert virtuelle Kamera und ggf. andere

Renderingparameter (walkthroughs)insbesondere bei 3D Präsentationen sinnvoll

� Betrachter gewinnt Freiheiten� Autor kann i.d.R. Qualität noch sicherstellen

F M RDaten Bild

Autor Betrachter

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Variante 3:Betrachter erzeugt die Visualisierung

� Der „Autor“ liefert Rohdaten oder aufbereitete Daten

� Daten werden z.B. als netCDF ausgetauscht� Betrachter hat alle Freiheiten – hat mehr Arbeit

und Verantwortung (für Qualität)� Betrachter braucht Visualisierungssystem

F M RDaten Bild

Autor Betrachter

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Variante 4:Der Autor erzeugt ein Geometrie-und Merkmals-modell unter Kontrolle / Einfluß des Betrachters

� Filtering und Mapping wird vom Autor vorbereitet � Über ergänzende Schnittstelle erhält der Betrachter

Möglichkeiten zur Beeinflussung des Filtering und des Mappings, aber in vom Autor kontrollierten Art und Umfang

� Kaum ein Visualisierungssystem erlaubt dieses

F M RDaten Bild

Autor Betrachter

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Referenzmodell für die Visualisierung

Datenfluß im erweiterten Modell

F M R

Bild

VisualisierungssystemRoh-

daten

Analyse

NutzerSpezifikation derVisualisierung

BeobachtungMessung

Modellierung

SimulationBerechnung

Daten-analyse

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Referenzmodell für die Visualisierung

Kontrollfluß (rot) im erweiterten Modell

Bild

VisualisierungssystemRoh-

daten

Analyse

NutzerSpezifikation derVisualisierung

BeobachtungMessung

Modellierung

SimulationBerechnung

Daten-analyse

F M R

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Interaktionszyklenhaben unterschiedliche Zykluszeiten

Bild

VisualisierungssystemRoh-

daten

Analyse

NutzerSpezifikation derVisualisierung

BeobachtungMessung

Modellierung

SimulationBerechnung

Daten-analyse

F M R

VerschiedeneVerschiedeneNutzungsszenarienNutzungsszenarien

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Szenario: Tracking

Bild

VisualisierungssystemRoh-

daten

Analyse

NutzerSpezifikation derVisualisierung

BeobachtungMessung

Modellierung

SimulationBerechnung

Daten-analyse

F M R

So wie die Daten gemessen oder erechnet werden, so werden sie visualiisertrealtime = schritthaltendkeine Interaktion

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Vollständige interaktive Steuerung(Computational Steering, Steering)

Bild

VisualisierungssystemRoh-

daten

Analyse

NutzerSpezifikation derVisualisierung

BeobachtungMessung

Modellierung

SimulationBerechnung

Daten-analyse

F M R

„optimal“ für den Erkenntnisprozess(wenn der Nutzer genügende Kentnisse hat)

aber oft aufgrund der benötigten Rechenleistung nicht praktikabel

3

21

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„Bewegungsmodus“

SchrittDatenerzeugung

Roh-daten

BeobachtungMessung

Modellierung

SimulationBerechnung

1 SchrittDatenerzeugung

Bild

2

Roh-daten

Visualisierung

SchrittAnalyse

Analyse

Nutzer

3

Bild

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Interaktives Postprocessingist heute das Standardszenarion

SchrittDatenerzeugung

Roh-daten

BeobachtungMessung

Modellierung

SimulationBerechnung

1 SchrittInteraktive Visualiiserung

Bild

2

Roh-daten

Visualisierung

Analyse

Nutzer

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Zusammenfassung

� Tracking� „Bewegungsmodus“

� Interaktives Postprozessing� Interaktive Steuerung

� Visualisierungs(kern-)prozesse sind:� Filtering = „Datenaufbereitung“� Mapping = Abbildung der Daten auf

Geometrie- und Merkmalsdaten( = visuelle Variablen)

� Rendering = Abbildung auf ein Digitales Bild� Rollen im Visualisierungsprozeß:

� Autor – Betrachter� Nutzungsszenarien:

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Ausblick – Nächste Schritte� Beschreibung der Daten

� Datenquellen� Beobachtungsraum� Datenmerkmale

� Datenspezifikation� Datenformate� Reduktion einer Datenmenge

� Projektion� SelektionBeschreibung der Daten