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IBR

Autor: Martin Puaschitz (onestone)
Datum: 01-01-2002, 21:56:41
Referenzen: http://www.glossar.de/
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Computergenerierte Bilder und Szenen fotorealistisch darzustellen, gilt als der heilige Gral der Computergrafiker und 3D-Modellierer. Aus Körpern oder Flächen wie Kugeln, Quadern und Dreiecken sollen realistische Darstellungen erzeugt werden, die sich am Vorbild der Natur orientieren. Aber mit den dazu benötigten Anwendungen wie AutoCAD oder 3D Studio MAX / 3ds max erschaffen nur Spezialisten realistische Szenen (Stand: Mitte 1999). Zudem sind die Hardwareanforderungen enorm, selbst die schnellsten Prozessoren und Systeme geraten hier schnell an ihr Limit: Der Grafiker hat nicht selten mehrere Stunden Pause, während sein Computer vor sich hinrentiert (siehe Rendering).

Statt nun 3D-Modelle mühsam am Rechner zu erstellen, geht man mit Image-based Rendering (IBR) einen anderen Weg: Aus Kamera-Aufnahmen realer Objekte erzeugt IBR Szenen und Ansichten, die von vornherein auf fotorealistischen Abbildern aufbauen. Im Idealfall würde eine Software aus diesem Ausgangsmaterial automatisch eine Szene aufbauen können - also automatisch aus 2D-Bildern ein 3D-Objekt rekonstruieren, indem es auf den Bildern oder Filmen Objekte erkennt und rekonstruiert. Leider überfordert die komplexe reale Welt (noch) die Computer, wenn dieser etwa Millionen dünner Haare eines Menschen oder die Blätter eines Baumes nachbilden sollte. Die Ergebnisse sind zu ungenau und entsprechen nicht den heutigen Qualitätsanforderungen. Zudem reicht die Ermittlung der Form allein nicht aus, um ein Objekt wirklich realistisch auf dem Bildschirm anzuzeigen. Zu einem vollständigen Abbild der Natur gehören auch Farbe, Glanz, Reflexion und Transparenz, die die Oberfläche des Objekts zusätzlich beschreiben. Gerade das Fehlern dieser Phänomene machen sich störend bei der Rekonstruktion bemerkbar. Die geometrische Form aus Fotos zu extrahieren, scheidet deshalb als Alternative zum rein virtuellen Modellieren am Rechner aus.

1980 hatte A. Lippman die Idee, auf einer Video-Disk eine Vielzahl von Ansichten einer Szene zu speichern. Das "Movie-Map" genannte Verfahren wählt je nach Position eines Betrachters die geeignete Ansicht aus und zeigt sie auf dem Bildschirm an. Leider scheitert damals dieses Verfahren am benötigten Speicheraufwand. Das Konzept zeigt allerdings einen interessanten Ansatz, denn es verzichtet auf geometrische Informationen und verwendet lediglich eine Reihe von Kamera-Aufnahmen. Und hier setzt Image-based Rendering an: Statt aber die Festplatte mit Bildern eines Objektes aus möglichst vielen Ansichten voll zu packen, versucht man aus wenigen Aufnahmen zusätzliche Ansichten zu berechnen - und zwar ohne die Objekterkennung im Bild.

IBR kann als junges, aber dynamisches Forschungsgebiet erstaunliche Erfolge vorweisen. Aus nur wenigen Ansichten erzeugen IBR-Techniken auch auf durchschnittlichen Rechnern schnell weitere Bilder. Je nach Vorlage und gewünschter Anwendung kommen unterschiedliche Verfahren und Algorithmen zum Einsatz, darunter Panoramatechnik, Light Field und View Morphing. Apple QuickTime VR gilt als eines der ersten und bekanntesten Ergebnisse der IBR-Forschung.

Die Bilderzeugung mit Image-based Rendering besteht häufig aus drei Schritten:

ERSTENS: Zuerst müssen die Daten, auf deren Basis neue Bilder berechnet werden sollen, erstellt werden. Für ein Panorama werden eine Kamera mit Normal- oder Weitwinkeloptik benötigt und ein präziser drehbarer Stativkopf. In Abhängigkeit von der Brennweite des eingesetzten Objektivs sind dann zwischen 12 und 18 Aufnahmen pro 360°-Panorama nötig. Bei der Aufnahme ist darauf zu achten,

daß sich benachbarte Bilder mit 30 bis 50 Prozent überlappen und daß die Belichtung einigermaßen gleichmäßig ist - also mit gleicher Blende und Zeit vorgenommen wird. Die Einzelbilder werden anschließend digitalisiert, eine Photo CD ist da genauso geeignet wie etwa das Scannen mit einem Kleinbilddiascanner oder einem Desktop-Flachbettscanner.

ZWEITENS: Die erfaßten Einzel-Bilder werden anschließend mit spezieller Software so ineinander gerechnet, daß ein Panoramabild entsteht. Das so entstandene Bild besitzt schon für sich genommen durch die interessanten Verzeichnungen und die ungewohnten räumlichen Zusammenhänge genügend Reiz für Printmedien:

DRITTENS: Für einzelne Bilder kann der IBR-Algorithmus den gewählten Ausschnitt wieder entzerren. Bei interaktiven Präsentation sieht der Betrachter am Computermonitor einen rechteckigen Ausschnitt aus dem Gesamtpanorama und kann sich durch Mausbewegungen darin "bewegen". (Das folgende Beispiel stammt vom Architektur-Büro Pleiß und Dienberg und wurde mit PhotoVista von MGI Software erstellt):

Hinweis zum Panorama: Bewegen Sie den Mauszeiger in das Bild. Wenn Sie dann die linke Maustaste drücken und die Maus bewegen, reagiert die Darstellung auf Ihre Steuerung. (weitere Beispiele befinden sich auf der Referenzseite vom ARCHmatic-WEBservice)

Aufwendiger ist übrigens das Image-based Rendering, wenn ein Objekt in die Mitte gestellt wird und sich die Kamera bzw. der Betrachter um das Objekt bewegt. In diesem Fall muß das Objekt in präzisen Drehstufen rundum fotografiert werden, wenn die Rotation des Objektes flüssig ausschauen soll. Beim Erfassen in 10 Grad-Schritten muß die Kamera 684 Mal auslösen.




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