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03. Der Visualisierungsprozess
Visualisierung Der Visualisierungsprozess Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Goethe-Universität, Frankfurt Graphische Datenverarbeitung Rückblick K K Visualisierung dient der Erzeugung geeigneter visueller Repräsentationen von Daten und Informationen Visualisierung dient damit der: n n n K explorativen Analyse oder konfirmativen Analyse oder Präsentation + Kommunikation Eine Visualisierung soll n expressiv, n möglichst effektiv und dabei n angemessen sein. © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 2 WS 2000/2001 Übersicht 1. Die Visualisierungspipeline n n 2. 3. 4. 5. Transformationen (Funktionen) Datenarten und Datenfluss Klassifikation der Visualisierungen Rollen im Visualisierungsprozess Referenzmodell für die Visualisierung Visualisierungsszenarien © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 3 WS 2000/2001 Übersicht (Fortsetzung) 6. Zusammenfassung 7. Glossar 8. Ausblick – Nächste Schritte © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 4 WS 2000/2001 Die Visualisierungspipeline Daten Filtering Mapping Rendering Bild © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 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) Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 5 WS 2000/2001 Die Visualisierungspipeline Daten Datenerfassung liefert Rohdaten n n n Filtering n Messung Berechnung, Simulation Manuelle Eingabe Datenbanken, Tabellen Mapping Rendering Bild © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 6 WS 2000/2001 Die Visualisierungspipeline Daten Vervollständigung n Interpolation (Vorsicht!) Reduzierung Filtering n n Selektion Projektion Glättung Mapping Rendering n Fehlerkorrektur Bestimmung charakteristischer Eigenschaften n n Extrema, Gradienten Statistik, Informationsgehalt Ergebnis: aufbereitete Daten Bild © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 7 WS 2000/2001 Die Visualisierungspipeline Daten Filtering Mapping Rendering Bild © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Abbildung der aufbereiteten Daten in ein Bild (2D) oder eine Szene (3D) (Geometrie und Merkmalsebene) durch n Ensemble von geometrischen Objekten (Punkte, Linien, Flächen, Körper) n Erscheinungsattribute (Farbe, Struktur, Textur, Parametern von Beleuchtungsmodellen, ... ) n Betrachtungsbedingungen als 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) Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 8 WS 2000/2001 Rückblick (GDV) Geometrie und Merkmalsebene Beschreibt ein Bild (2D) oder eine Szene (3D) durch n n n Ensemble von geometrischen Objekten (Punkte, Linien, Flächen, Körper) Erscheinungsattribute (Farbe, Struktur, Textur, Parametern von Beleuchtungsmodellen, ... ) Betrachtungsbedingungen © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 9 WS 2000/2001 Rückblick Geometrie und Merkmalsebene Wichtige Unterscheidung Definitionsbereich: 2D oder 3D y 2D: ggf Ausschnitt aus Definitionsbereich darstellen: Window-Viewport Transformation x 3D: Szene wird durch virtuelle Kameray (Viewing Transformationen, perspektivische Transformation) auf 2D abgebildet z x Graphisches Modellieren Das Prinzip(2D und 3D) Instanzieren und Attributieren von Primitiven u Gruppieren (Mengen, Hierarchien) u (Geometrie) transformieren u n n Skalieren Translieren Rotieren (Scheren) Interpolieren zum verändern, positionieren und orientieren im Modell- oder Weltkoordinatensystem u © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 11 WS 2000/2001 Graphische Primitive 2D u Grundlage: 2D Koordinatensystem kontinuierlich è REAL u Graphische Objekte (Beispiele GKS) n Punkte è (Poly) Marker Linien(zug) è Polygon n Fläche è Füllgebiet n Text (Dig. Bild) è (Fill Array) n n © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker + − ∗ o • ⊗ ⊕Qà Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 12 WS 2000/2001 Weitere (höhere) 2D-Primitive Kreise, Ellipsen – Kreisbögen, Ellipsenbögen u Rechtecke, Parallelogramme, ... u Pfeile, Spiralen, ... u Kurven: Bezier, Splines, algebraische Kurven wichtige Primitive für Zeichenprogramme (= Anwendungen) aber lassen sich auf: u Punkte, Linien, Vektoren (Richtung, Größe) und Polygone (Flächen, u.U. Dreiecke) zurückführen: Basisprimitive © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 13 WS 2000/2001 3D-Systeme Szene: n Ensemble der im Weltkoordinatensystem positionierten und orientierten Objekte Ensemble der positionierten und orientierten Lichtquellen Virtuelle Kamera (s) Hintergrund n Umgebungseffekte (Nebel, Dunst) n n n © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 14 WS 2000/2001 3D-Objekte Punkte (im Raum) und Vektoren (Orientierungen) u Linien u Flächen u n n u ebene: Dreiecke, Vierecke, Polygone, ... Sonderformen: triangle strips, triangle meshes, ... gekrümmte: Bezier, Spline, ... Körper n n n n analytisch: Kugel, Zylinder, Torus, Quader, ... , Quadriken polygonal: „Boundary Representation“ CSG Objekt: Construcive Solid Geometry ... © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 15 WS 2000/2001 3D (Rendering-) Basisprimitive Punkte (im Raum) u Vektoren (Orientierungen) u Linien u Dreiecke (Vierecke) u 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. © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 16 WS 2000/2001 Die Visualisierungspipeline Daten Rendering Transformation einer Geometrie- und Merkmalsbeschreibung in ein Digitales Bild Filtering Mapping Rendering Bild © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess (Modelling-Transformation) u Transformieren und Klippen (Screen Mapping) u 17 WS 2000/2001 Rückblick 2D Rendering Weltkoordinaten è Gerätekoordinaten Auschnitt der „Welt“ è „Fenster“ der Zeichenfläche y Zeichenfläche x © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 18 WS 2000/2001 2D Rendering (Fortsetzung) K Rastern (Scan Konvertieren, Rasterisieren) Geometrische Primitive è Menge von Pixeln © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 19 WS 2000/2001 Fachhistorisch taucht der Begriff schon 1968 z.B. bei Appel auf. 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 and colors into displayable colors and pixel locations.“ © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 20 WS 2000/2001 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 © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess Geometrieproblem Beleuchtungsrechnung Je nach Ursache A oder B 21 WS 2000/2001 3D-Rendering Grundstrukturen Geometriekonvertierung Geometriekonvertierung globale Beleuchtungsrechnung lokale Beleuchtungsrechnung (globale) Beleuchtungsrechnung Geometriekonvertierung i<n Projektive Ausgabe Strahlverfolgung Raycasting: n =1 Raytracing: n >1 © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess Radiosity 22 WS 2000/2001 Die Visualisierungspipeline Daten Filtering Mapping Anzeige: Digitale Bild è Videosignal Elektrooptische Wandler (Display): Monitor, ..., Drucker Rendering Bild © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 23 WS 2000/2001 Rückblick: Anzeigesysteme (Displays) elektrooptische Wandler Elektrooptische Wandler Refresh-Typen Drucker sequentiell simultan pixelsequentiell Rasterscan: Fernsehprinzip andere Sequentialisierungen Kathodenstrahlröhre (CRT) kaligraphische CRTs einzelne Farbauszüge in Filmbelichtern © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Speichertypen Plotter Plasmadisplays Flüssigkristall- AC-Dünnfilmanzeigen Elektroluminiszenz Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess Speicherröhre 24 WS 2000/2001 Themen der Vorlesung Daten Applikationsdomäne Filtering Visualisierung Mapping . . . Volumenrendering Rendering Graphische Datenverarbeitung GDV und GDV-E Bild © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 25 WS 2000/2001 Datenfluß in der Visualisierungspipeline Rohdaten aufbereitete Daten Geometrie + Merkmalsdaten Bilder © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 26 WS 2000/2001 Bildrepräsentationen (Speicher) zeitunabhängige Rohdaten aufbereitete Daten zeitabhängige Daten K Symbolisch Graphik Animation K Geometrie & Merkmal Digitales Bild Digitalvideo K Diskret, Quantisiert K Elektrisch (optisch) K Optisch (unmittelbar wahrnehmbar) Video Reiz © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 27 WS 2000/2001 Methoden der GDV Einordnung der Visualisierung Filtering zeitabhängige Daten zeitunabhängig Rohdaten aufbereitete Daten Mapping Bildverstehen Animation Graphik Rendering Merkmalsextraktion Digitales Bild Digital-Video Abtastung Rekonstrukion Video Aufnahme Anzeige Reiz © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 28 WS 2000/2001 Beispiel [nach Haber] Erfassung der Rohdaten an den roten Punkten Abbildung auf ein reguläres Gitter © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Projektion des Gitters und Mapping der Werte Druck è Höhe Temperatur è Farbe Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 29 WS 2000/2001 Klassifikation der Visualisierungen K VDI- Infos © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 30 WS 2000/2001 © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 31 WS 2000/2001 Rollen im Visualisierungsprozess Messfachmann u Simulationsfachmann u Berechnungsfachmann u u Autor („Publisher“) u Betrachter, Leser („Viewer“) Visualisierungsfachmann u (Illustratoren) u (Fach-) Analytiker u Zuschauer u © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 32 WS 2000/2001 Variante 1: Der Autor erzeugt ein Bild / eine Bildsequenz Betrachter Autor Daten F M R Bild Der Betrachter hat keine Möglichkeiten auf den Visualisierungsprozess Einfluss zu nehmen u Ggf. hohe Datenraten nötig (Bild, Video) u Der Autor kann die Qualität garantieren u © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 33 WS 2000/2001 Variante 2: Der Autor erzeugt ein Geometrie- und Merkmalsmodell / eine Animation Betrachter Autor Daten K K K K F M R Bild 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 © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 34 WS 2000/2001 Variante 3: Betrachter erzeugt die Visualisierung Betrachter Autor Daten F M R Bild Der „Autor“ liefert Rohdaten oder aufbereitete Daten u Daten werden z.B. als netCDF ausgetauscht u Betrachter hat alle Freiheiten – hat mehr Arbeit und Verantwortung (für Qualität) u Betrachter braucht Visualisierungssystem u © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 35 WS 2000/2001 Variante 4: Der Autor erzeugt ein Geometrie-und Merkmalsmodell unter Kontrolle / Einfluß des Betrachters Betrachter Autor Daten K K K F M R Bild 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 © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 36 WS 2000/2001 Referenzmodell für die Visualisierung Datenfluß im erweiterten Modell Beobachtung Messung Datenanalyse Visualisierungssystem Modellierung Rohdaten Simulation Berechnung Spezifikation der Visualisierung F M Nutzer R Bild Analyse © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 37 WS 2000/2001 Referenzmodell für die Visualisierung Kontrollfluß (rot) im erweiterten Modell Beobachtung Messung Datenanalyse Visualisierungssystem Modellierung Rohdaten Simulation Berechnung Spezifikation der Visualisierung F M Nutzer R Bild Analyse © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 38 WS 2000/2001 Interaktionszyklen haben unterschiedliche Zykluszeiten Beobachtung Messung Verschiedene Nutzungsszenarien Datenanalyse Visualisierungssystem Modellierung Rohdaten Simulation Berechnung Spezifikation der Visualisierung F M Nutzer R Bild Analyse © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 39 WS 2000/2001 Szenario: Tracking Beobachtung Messung Datenanalyse So wie die Daten gemessen oder erechnet werden, so werden sie visualiisert realtime = schritthaltend keine Interaktion Visualisierungssystem Modellierung Rohdaten Simulation Berechnung Spezifikation der Visualisierung F M Nutzer R Bild Analyse © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 40 WS 2000/2001 Vollständige interaktive Steuerung (Computational Steering, Steering) „optimal“ für den Erkenntnisprozess (wenn der Nutzer genügende Kentnisse hat) Datenanalyse Beobachtung Messung aber oft aufgrund der benötigten Rechenleistung nicht praktikabel Visualisierungssystem Modellierung 1 Rohdaten Simulation Berechnung F Spezifikation der Visualisierung © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker M 3 Nutzer 2 R Bild Analyse Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 41 WS 2000/2001 „Bewegungsmodus“ Schritt 1 Datenerzeugung Schritt 3 Analyse Bild Rohdaten Beobachtung Messung Modellierung Schritt 2 Datenerzeugung Rohdaten Simulation Berechnung © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung Nutzer Bild Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess Analyse 42 WS 2000/2001 Interaktives Postprocessing ist heute das Standardszenarion Schritt 2 Interaktive Visualiiserung Schritt 1 Datenerzeugung Beobachtung Messung Bild Modellierung Rohdaten Rohdaten Visualisierung Simulation Berechnung Nutzer Analyse © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 43 WS 2000/2001 Zusammenfassung u Visualisierungs(kern-)prozesse sind: n n n u = „Datenaufbereitung“ = Abbildung der Daten auf Geometrie- und Merkmalsdaten ( = visuelle Variablen) Rendering = Abbildung auf ein Digitales Bild Rollen im Visualisierungsprozeß: n u Filtering Mapping Autor – Betrachter Nutzungsszenarien: n n Tracking „Bewegungsmodus“ © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker n n Interaktives Postprozessing Interaktive Steuerung Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 44 WS 2000/2001 Ausblick – Nächste Schritte K Beschreibung der Daten n n n Datenquellen Beobachtungsraum Datenmerkmale K Datenspezifikation K Datenformate K Reduktion n n einer Datenmenge Projektion Selektion Beschreibung der Daten © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker Visualisierung 3. Der Visualisierungsprozess 45 WS 2000/2001
