New acquisition techniques for real objects and light sources in computer graphics

Accurate representations of objects and light sources in a scene model are a crucial prerequisite for realistic image synthesis using computer graphics techniques. This thesis presents techniques for the effcient acquisition of real world objects and real world light sources, as well as an assessment of the quality of the acquired models. Making use of color management techniques, we setup an appearance reproduction pipeline that ensures best-possible reproduction of local light reflection with the available input and output devices. We introduce a hierarchical model for the subsurface light transport in translucent objects, derive an acquisition methodology, and acquire models of several translucent objects that can be rendered interactively. Since geometry models of real world objects are often acquired using 3D range scanners, we also present a method based on the concept of modulation transfer functions to evaluate their accuracy. In order to illuminate a scene with realistic light sources, we propose a method to acquire a model of the near-field emission pattern of a light source with optical prefiltering. We apply this method to several light sources with different emission characteristics and demonstrate the integration of the acquired models into both, global illumination as well as hardware-accelerated rendering systems.Exakte Repräsentationen der Objekte und Lichtquellen in einem Modell einer Szene sind eine unerlässliche Voraussetzung für die realistische Bilderzeugung mit Techniken der Computergraphik. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der effizienten Digitalisierung von realen Objekten und realen Lichtquellen. Dabei werden sowohl neue Digitalisierungstechniken als auch Methoden zur Bestimmung der Qualität der erzeugten Modelle vorgestellt. Wir schlagen eine Verarbeitungskette zur Digitalisierung und Wiedergabe der Farbe und Spekularität von Objekten vor, die durch Ausnutzung von Farbmanagementtechniken eine bestmögliche Wiedergabe des Objekts unter Verwendung der gegebenen Ein- und Ausgabegeräte ermöglicht. Wir führen weiterhin ein hierarchisches Modell für den Lichttransport im Inneren von Objekten aus durchscheinenden Materialien sowie eine zugehörige Akquisitionsmethode ein und digitalisieren mehrere reale Objekte. Die dabei erzeugten Modelle können in Echtzeit angezeigt werden. Die Geometrie realer Objekte spielt eine entscheidende Rolle in vielen Anwendungen und wird oftmals unter Verwendung von 3D Scannern digitalisiert. Wir entwickeln daher eine Methode zur Bestimmung der Genauigkeit eines 3D Scanners, die auf dem Konzept der Modulationstransferfunktion basiert. Um eine Szene mit realen Lichtquellen beleuchten zu können, schlagen wir ferner eine Methode zur Erfassung der Nahfeldabstrahlung eine Lichtquelle vor, bei der vor der Digitalisierung ein optischer Filterungsschritt durchgeführt wird. Wir wenden diese Methode zur Digitalisierung mehrerer Lichtquellen mit unterschiedlichen Abstrahlcharakteristika an und zeigen auf, wie die dabei erzeugten Modelle in globalen Beleuchtungsberechnungen sowie bei der Bildsynthese mittels moderner Graphikkarten verwendet werden können

GPU data structures for graphics and vision

Graphics hardware has in recent years become increasingly programmable, and its programming APIs use the stream processor model to expose massive parallelization to the programmer. Unfortunately, the inherent restrictions of the stream processor model, used by the GPU in order to maintain high performance, often pose a problem in porting CPU algorithms for both video and volume processing to graphics hardware. Serial data dependencies which accelerate CPU processing are counterproductive for the data-parallel GPU. This thesis demonstrates new ways for tackling well-known problems of large scale video/volume analysis. In some instances, we enable processing on the restricted hardware model by re-introducing algorithms from early computer graphics research. On other occasions, we use newly discovered, hierarchical data structures to circumvent the random-access read/fixed write restriction that had previously kept sophisticated analysis algorithms from running solely on graphics hardware. For 3D processing, we apply known game graphics concepts such as mip-maps, projective texturing, and dependent texture lookups to show how video/volume processing can benefit algorithmically from being implemented in a graphics API. The novel GPU data structures provide drastically increased processing speed, and lift processing heavy operations to real-time performance levels, paving the way for new and interactive vision/graphics applications.Graphikhardware wurde in den letzen Jahren immer weiter programmierbar. Ihre APIs verwenden das Streamprozessor-Modell, um die massive Parallelisierung auch für den Programmierer verfügbar zu machen. Leider folgen aus dem strikten Streamprozessor-Modell, welches die GPU für ihre hohe Rechenleistung benötigt, auch Hindernisse in der Portierung von CPU-Algorithmen zur Video- und Volumenverarbeitung auf die GPU. Serielle Datenabhängigkeiten beschleunigen zwar CPU-Verarbeitung, sind aber für die daten-parallele GPU kontraproduktiv . Diese Arbeit präsentiert neue Herangehensweisen für bekannte Probleme der Video- und Volumensverarbeitung. Teilweise wird die Verarbeitung mit Hilfe von modifizierten Algorithmen aus der frühen Computergraphik-Forschung an das beschränkte Hardwaremodell angepasst. Anderswo helfen neu entdeckte, hierarchische Datenstrukturen beim Umgang mit den Schreibzugriff-Restriktionen die lange die Portierung von komplexeren Bildanalyseverfahren verhindert hatten. In der 3D-Verarbeitung nutzen wir bekannte Konzepte aus der Computerspielegraphik wie Mipmaps, projektive Texturierung, oder verkettete Texturzugriffe, und zeigen auf welche Vorteile die Video- und Volumenverarbeitung aus hardwarebeschleunigter Graphik-API-Implementation ziehen kann. Die präsentierten GPU-Datenstrukturen bieten drastisch schnellere Verarbeitung und heben rechenintensive Operationen auf Echtzeit-Niveau. Damit werden neue, interaktive Bildverarbeitungs- und Graphik-Anwendungen möglich

Digital 3D Technologies for Humanities Research and Education: An Overview

Digital 3D modelling and visualization technologies have been widely applied to support research in the humanities since the 1980s. Since technological backgrounds, project opportunities, and methodological considerations for application are widely discussed in the literature, one of the next tasks is to validate these techniques within a wider scientific community and establish them in the culture of academic disciplines. This article resulted from a postdoctoral thesis and is intended to provide a comprehensive overview on the use of digital 3D technologies in the humanities with regards to (1) scenarios, user communities, and epistemic challenges; (2) technologies, UX design, and workflows; and (3) framework conditions as legislation, infrastructures, and teaching programs. Although the results are of relevance for 3D modelling in all humanities disciplines, the focus of our studies is on modelling of past architectural and cultural landscape objects via interpretative 3D reconstruction methods

Forschungsbericht Universität Mannheim, 2004 / 2005

Die Universität Mannheim gibt in dem vorliegenden Forschungsbericht 2004/2005 Rechenschaft über ihre Leistungen auf dem Gebiet der Forschung. Erstmals folgt diese Dokumentation einer neuen Gliederung, die auf einen Beschluss des Forschungsrates der Universität Mannheim zurückgeht. Wie gewohnt erhalten Sie einen Überblick über die Publikationen und Forschungsprojekte der Lehrstühle, Professuren und zentralen Forschungseinrichtungen. Diese werden ergänzt um Angaben zur Organisation von Forschungsveranstaltungen, der Mitwirkung in Forschungsausschüssen, einer Übersicht zu den für Forschungszwecke eingeworbenen Drittmitteln, zu den Promotionen und Habilitationen, zu Preisen und Ehrungen und zu Förderern der Universität Mannheim. Abgerundet werden diese Daten durch zusammenfassende Darstellungen der Forschungsschwerpunkte und des Forschungsprofils der Fakultäten