Computergrafik und Bildverarbeitung: alles für Studium und Praxis - Bildverarbeitungswerkzeuge, Beispiel-Software und interaktive Vorlesungen online verfügbar
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| Previous Title: | Nischwitz, Alfred Masterkurs Computergrafik und Bildverarbeitung |
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| Format: | Book |
| Language: | German |
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Wiesbaden
Vieweg
2007
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| Edition: | 2., verb. und erw. Aufl. |
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| Online Access: | Beschreibung für Leser Inhaltsverzeichnis |
| Item Description: | Auch als Internetausgabe |
| Physical Description: | XVIII, 873 S. zahlr. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 3834801860 9783834801869 |
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Zusammenhang Computergrafik Bildverarbeitung 6
2.1 Bildverarbeitung auf programmierbarer Grafikhardware 7
2.2 Simulation von kameragesteuerten Geräten 10
2.3 Bilddatencodierung 14
2.4 Bildbasiertes Rendering 19
I Computergrafik 25
3 Interaktive 3D Computergrafik 27
3.1 Harte Echtzeit 28
3.2 Weiche Echtzeit 31
4 Anwendungen interaktiver 3D Computergrafik 32
4.1 Ausbildungs Simulation 32
4.2 Entwicklungs Simulation 34
4.3 Unterhaltung 36
4.4 Telepräsenz 36
4.5 Daten Visualisierung 37
4.6 Augmented Reality 38
4.7 Datenübertragung 39
5 Einführung in die 3D Computergrafik mit OpenGL 41
5.1 OpenGL Kurzbeschreibung 43
5.2 Die OpenGL Rendering Pipeline 45
5.2.1 Display Listen 46
5.2.2 Vertex Operationen 46
5.2.3 Pixel Operationen 46
5.2.4 Textur Speicher 47
5.2.5 Rasterisierung 47
5.2.6 Fragment Operationen 47
5.2.7 Bildspeicher 48
5.3 Die OpenGL Kommando Syntax 48
5.4 Ergänzende Literaturhinweise 49
6 Geometrische Grundobjekte 51
6.1 3D Modellierungsmethoden 51
6.1.1 Planare Polygone 51
6.1.2 Gekrümmte Polygone 52
6.1.3 Volumendarstellung 53
6.1.4 Konstruktive Körpergeometrie 54
6.2 Geometrische Grundobjekte in OpenGL 54
6.2.1 Vertex Defmition in OpenGL 56
6.2.2 Grafik Primitive in OpenGL 57
6.2.3 Programmierbeispiele 59
6.3 Tipps zur Verwendung der Grafik Primitive 74
6.3.1 Rendering Geschwindigkeit 74
6.3.2 VertexArrays 75
6.3.3 Konsistente Polygon Orientierung 76
6.3.4 Koordinaten Berechnungen offline 76
6.3.5 Oberflächen Tessellierung 77
6.3.6 Lücken 77
6.3.7 Hinweise zum glBegin/glEnd Paradigma 78
6.4 Modellierung komplexer 3D Szenarien 79
7 Koordinatensysteme und Transformationen 80
7.1 Definition des Koordinatensystems 80
7.2 Transformationen im Überblick 81
7.3 Mathematische Grundlagen 83
7.3.1 Homogene Koordinaten 83
7.3.2 Transformations Matrizen 84
7.4 Modell Transformationen 86
7.4.1 Translation 86
7.4.2 Rotation 87
7.4.3 Skalierung 89
7.4.4 Reihenfolge der Transformationen 91
7.5 Augenpunkt Transformationen 93
7.6 Projektions Transformationen 94
7.6.1 Orthografische Projektion (Parallel Projektion) 94
7.6.2 Perspektivische Projektion 95
7.6.3 Normierung 100
7.7 Viewport Transformation 101
7.8 Matrizen Stapel 103
8 Verdeckung 108
8.1 Der z Buffer Algorithmus 109
8.2 Die Implementierung des z Buffer Algorithmus 112
8.3 Einsatzmöglichkeiten des z Buffer Algorithmus 113
8.3.1 Entfernen aller Vorderteile 114
8.3.2 Höhenkarten generieren 114
8.3.3 Volumenmessung 116
8.3.4 Oberflächenmessung 117
8.3.5 Entfernungsmessung 118
9 Farbe, Transparenz und Farbmischung 119
9.1 Das Farbmodell in OpenGL 119
9.2 Modelle der Farbdarstellung 122
9.2.1 Der RGBA Modus 122
9.2.2 Der Farb Index Modus 122
9.2.3 Wahl zwischen RGBA und Farb Index Modus 123
9.2.4 Farbspezifikation im RGBA Modus 123
9.2.5 Farbspezifikation im Farb Index Modus 126
9.3 Transparenz und Farbmischung 127
9.3.1 Farbmischung in OpenGL 127
9.3.2 Beispiele für Farbmischungen 130
9.3.3 Transparente Texturen 136
9.3.4 3D Probleme bei der Farbmischung 137
10 Anti Aliasing 140
10.1 Aliasing Effekte 140
10.2 Gegenmaßnahmen Anti Aliasing 144
10.2.1 Pre Filterungs Methode: Flächenabtastung 144
10.2.2 Post Filterungs Methoden 146
11 Nebel und atmosphärische Effekte 151
11.1 Anwendungen 151
11.2 Nebel in OpenGL 153
12 Beleuchtung und Schattierung 159
12.1 Beleuchtungsmodelle 160
12.1.1 Physikalische Optik und Näherungen der Computergrafik 160
12.1.2 Lokale und globale Beleuchtungsmodelle 169
12.1.3 Das Standard Beleuchtungsmodell in OpenGL 171
12.2 Schattierungsverfahren 191
12.2.1 Flat Shading 192
12.2.2 Smooth /Gouraud Shading 193
12.2.3 Phong Shading 199
12.3 Programmierbare Shader 200
12.3.1 Shading Programmiersprachen 202
12.3.2 Realisierung eines Phong Shaders in Cg 204
13 Texturen „ic
13.1 Foto Texturen (Image Texturing) 217
13.1.1 Spezifikation der Textur 219
13.1.2 Textur Filter 228
13.1.3 Gauß Pyramiden Texturen (MipMaps) 231
13.1.4 Textur Fortsetzungsmodus (Texture Wraps) 236
13.1.5 Mischung von Textur und Beleuchtungsfarbe (Texture Environment)239
13.1.6 Zuordnung von Texturkoordinaten 242
13.1.7 Einschalten des Texture Mappings . . . 253
13.1.8 Textur Objekte 254
13.2 Mehrfach Texturierung (Multitexturing) 256
13.3 Projektive Texturen (Projective Texture) 260
13.4 Umgebungs Texturen (Environment Maps) 262
13.4.1 Sphärische Texturierung (Sphere Mapping) 263
13.4.2 Kubische Texturierung (Cube Mapping) 266
13.5 Relief Texturierung (Bump Mapping) 270
13.6 Schatten Texturierung (Shadow Mapping) 277
14 Animationen 2 g
14.1 Animation und Double Buffering 279
14.2 Animationstechniken 283
14.2.1 Bewegung eines starren Objektes Pfadanimation 284
14.2.2 Bewegung von Gelenken eines Objektes Artikulation 286
14.2.3 Verformung von Oberflächen Morphing 288
14.2.4 Bewegung von Objektgruppen:
Schwärme und Partikelsysteme 290
15 Beschleunigungsverfahren 293
15.1 Szenen Graphen 296
15.2 Cull Algorithmen ' 299
15.2.1 Viewing Frustum Culling \\ 301
15.2.2 Occlusion Culling 303
15.2.3 Backface Culling on7
15.2.4 Portal Culling
15 2.5 Detail Culling " Zn
15.3 Level Of Detail (LOD) ^n
i5.3.i Switch lod ^;!;
15.3.2 Fade LOD 6
15.3.3 Morph LOD '.'.'.'. \ . \\ l]A
OX4
15.4 Billboards 315
15.5 Multiprozessorsysteme 319
15.6 Geschwindigkeits Optimierung 324
15.6.1 Leistungsmessung 324
15.6.2 Optimierungsmaßnahmen 329
Literatur zu Teil I 334
II Bildverarbeitung 339
16 Digitale Bilddaten 341
16.1 Prinzipielle Vorgehensweise 341
16.1.1 Sensoren 341
16.1.2 Digitalisierung 342
16.1.3 Vorverarbeitung der Rohdaten 342
16.1.4 Berechnung von Merkmalen 342
16.1.5 Segmentierung des Bildes 343
16.1.6 Kompakte Speicherung der Segmente 343
16.1.7 Beschreibung der Segmente 343
16.1.8 Synthese von Objekten 343
16.1.9 Ableitung einer Reaktion 344
16.1.10 Schlussbemerkung zu Abschnitt 16.1 344
16.2 Unterabtastung und Quantisierung 344
16.3 Digitalisierung von Schwarz/Weiß Bilddaten 348
16.4 Digitalisierung von Grautonbildern 352
16.5 Farbbilder 357
16.5.1 Farbe: Physikalische Aspekte 358
16.5.2 Farbe: Physiologische Aspekte 358
16.5.3 Das CIE Farbdreieck 360
16.5.4 Das RGB Farbmodell 363
16.5.5 Das CMY Farbmodell 365
16.5.6 Das YIQ Farbmodell 366
16.5.7 Das HSI Farbmodell 366
16.5.8 Mathematisches Modell für Farbbilder 368
16.6 Multispektral und mehrkanalige Bilder 370
16.7 Bildfolgen 373
16.8 Weitere mathematische Modelle für Bilder 375
16.8.1 Bilder als relle Funktionen zweier reeller Variablen 375
16.8.2 Bilder als (diskrete) Funktionen
zweier diskreter Variablen 376
16.8.3 Bilder als Zufallsprozesse 376
16.9 Bildliche Reproduktion
von digitalisierten Bildern 380
16.9.1 Geräte zur Bilddarstellung 380
16.9.2 Ausdrucken der Grauwerte 381
16.9.3 Ausgabe von logischen Bildern 383
16.9.4 Zeilendruckerausgabe von Grauwertbildern 384
16.9.5 Halbtonverfahren 385
16.10 Datenreduktion und Datenkompression 388
16.11 Charakterisierung digitalisierter Bilder 389
16.11.1 Mittelwert und mittlere quadratische Abweichung 389
16.11.2 Histogramme 392
16.11.3 Entropie 394
16.11.4 Grauwertematrix (co occurrence Ma,tnx) 396
17 Modifikation der Grauwerte 399
17.1 Anwendungen 3gg
17.2 Grundlagen der Grauwerttransformation 400
17.3 Lineare Skalierung 401
17.4 Äquidensiten (gray level slicing) 406
17.5 Erzeugen von Binärbildern 412
17.6 Logarithmische und exponentielle Skalierung 419
17.7 Ebnen der Grauwerte 421
17.8 Grauwertskalierung mit Hochpassfilterung 426
17.9 Kalibrierung der Grauwerte 428
17.10 Berechnung einer neuen Grauwertmenge 432
17.11 Rekonstruktion des höchstwertigen Bit 434
17.12 Differenzbildung 434
18 Operationen im Ortsbereich 438
18.1 Anwendungen 449
18.2 Grundlagen: Filteroperationen im Ortsbereich 440
18.3 Glätten der Grauwerte eines Bildes 443
18.4 Differenzenoperatoren 448
18.5 Elimination isolierter Bildpunkte 453
18.6 Elimination gestörter Bildzeilen 454
18.7 Bildakkumulation bei Bildfolgen 456
19 Mathematische Morphologie 457
19.1 Anwendungen .^
19.2 Grundlagen: Mathematische Morphologie 457
19.3 Mediän Filter 461
19.4 Dilatation und Erosion im Binärbild 463
19.5 Morphologie im Grauwertbild 465
20 Kanten und Linien 469
20.1 Anwendungen 469
20.2 Grundlegendes über Kanten und Linien 469
20.3 Einfache Verfahren zur Kantenextraktion 474
20.4 Parallele Kantenextraktion 475
20.5 Gradientenbetrag und Gradientenrichtung 480
20.6 Der Canny Kantendetektor 486
20.7 Kanten und Linien mit
morphologischen Operationen 490
20.7.1 Extraktion des Randes von Segmenten 490
20.7.2 Verarbeitung von Linien 492
20.8 Skelettierung mit morphologischen Operationen 492
20.9 Skelettierung mit der Euler'schen Charakteristik 499
20.10 Relaxation 502
20.11 Houghtransformation 506
20.12 Verallgemeinerte Houghtransformation 512
20.12.1 Parametrisierung der Referenzstruktur 512
20.12.2 Akkumulierende Abbildung der Merkmalspunkte 513
20.12.3 Auswertung des Akkumulators 513
20.13 Erweiterte Houghtransformation 514
20.13.1 Erweiterte Houghtransformation der Randpunkte 514
20.13.2 Erweiterung auf flächenhaft gegebene Segmente 519
20.14 Sequentielle Kantenextraktion,
Linienverfolgung 521
20.15 Abschließende Bemerkungen
zu Kanten und Linien 526
21 Operationen im Frequenzbereich 527
21.1 Anwendungen 527
21.2 Lineare Approximation 527
21.3 Trigonometrische Approximationsfunktionen 530
21.4 Diskrete zweidimensionale Fouriertransformation 532
21.5 Digitale Filterung im Ortsfrequenzbereich 534
21.6 Zusammenhang mit dem Ortsbereich 536
21.7 Logarithmische Filterung 542
21.8 Inverse und Wiener Filterung 542
21.9 Diskrete, zweidimensionale Cosinustransformation 543
22 Modifikation der Ortskoordinaten 547
22.1 Anwendungen 547
22.2 Grundlegende Problemstellung 547
22.3 Vergrößerung, Verkleinerung 548
22.4 Affine Abbildungen 551
22.5 Interpolation mit Polynomen 552
22.5.1 Polynome 552
22.5.2 Ausgleichsrechnung 555
22.5.3 Beurteilung der Qualität 555
22.5.4 Vermessung der Passpunkte 559
22.6 Abschließende Bemerkungen 560
23 Szenenanalyse cgi
23.1 Einleitung, Beispiele, Merkmale 561
24 Merkmale: Grauwert und Farbe 567
24.1 Anwendungen 567
24.2 Merkmal: Grauwert 568
24.3 Merkmal: Farbe 570
24.4 Reduktion der Farben in einem Farbbild
durch Vorquantisierung 573
24.5 Indexbilder 574
24.5.1 Die Farbhäufigkeitsverteilung eines Farbbildes 576
24.5.2 Erstellen einer Farb Look Up Tabelle 578
24.5.3 Abbildung der Farben des Originalbildes
in die Farbtabelle 580
24.5.4 Segmentierung des Originalbildes 581
24.5.5 Segmentierung des Originalbildes mit Dithering 582
24.5.6 Unüberwachte Klassifikatoren zur Reduktion der Farben 583
25 Merkmale aus mehrkanaligen Bildern 585
25.1 Anwendungen 505
25.2 Summe, Differenz, Ratio 585
25.3 Verknüpfung von Kanälen bei logischen Bildern 589
25.4 Die Hauptkomponententransformation 589
26 Merkmale aus Bildfolgen cQ7
na 1 a 1 "y'
2b. 1 Anwendungen rg7
26.2 Akkumulation und Differenz 598
26.3 Merkmal: Bewegung 600
26.4 Differentielle Ermittelung von
Verschiebungsvektoren 603
26.5 Blockmatching
ouo
27 Merkmale aus Umgebungen: Texturen 6n
27.1 Anwendungen
27.2 Grundlagen zu Texturmerkmalen ' '. mi
27.3 Streuung (Varianz) ^ J
olo
27.4 Gradient 613
27.5 Kantendichte 615
27.6 Autokorrelation 618
27.7 Abschlussbemerkung zu den einfachen Texturmaßen 618
28 Gauß und Laplace Pyramiden 621
28.1 Anwendungen 621
28.2 Begriffe aus der Signaltheorie 622
28.3 Motivation für Gauß und Laplace Pyramiden 623
28.4 Der REDUCE Operator 624
28.5 Der EXPAND Operator 625
28.6 Rekonstruktion des Originalbildes 629
28.7 Implementierung des REDUCE Operators 632
28.8 Implementierung des EXPAND Operators 635
28.9 Frequenzverhalten und Wahl des freien Parameters a 638
28.10 Anwendungsbeispiele zu den Laplace Pyramiden 642
28.10.1 Verwendung einzelner Schichten 642
28.10.2 Mosaicing 642
28.10.3 Multifokus 645
28.10.4 Glättungsoperationen in Laplace Pyramiden 648
28.10.5 Texturen und Segmentierung 648
29 Scale Space Filtering 663
29.1 Anwendungen 663
29.2 Grundlagen: Fraktale Geometrie 663
29.3 Implementierung des Scale Space Filtering 669
29.3.1 Ermittlung der Größe der Grundtextur 672
29.3.2 Ermittlung der Gauß Filterkerne 673
29.3.3 Berechnung der Oberflächen der Grauwertfunktion 675
29.3.4 Berechnung des Skalenparameters 675
29.3.5 Beispiele und Ergebnisse 676
30 Baumstrukturen 681
30.1 Anwendungen 681
30.2 Aufbau von Baumstrukturen 681
30.3 Regionenorientierte Bildsegmentierung mit
quad trees 687
31 Segmentierung und numerische Klassifikation 696
31.1 Grundlegende Problemstellung 696
31.2 Klassifizierungsstrategien überwacht 700
31.3 Klassifizierungsstrategien unüberwacht 702
31.4 Überwachtes und unüberwachtes Lernen 706
31.5 Der Minimum Distance Klassifikator 70ß
31.6 Maximum Likelihood Klassifikator 714
31.7 Der Quader Klassifikator 719
31.8 Beurteilung der Ergebnisse 722
31.9 Ergänzungen 723
32 Klassifizierung mit neuronalen Netzen 724
32.1 Grundlagen: Künstliche neuronale Netze 724
32.1.1 Prinzipieller Aufbau 724
32.1.2 Adaline und Madaline 725
32.1.3 Das Perceptron 73g
32.1.4 Backpropagation 732
32.2 Neuronale Netze als Klassifikatoren . 735
32.2.1 Verarbeitung von Binärbildern 736
32.2.2 Verarbeitung von mehrkanaligen Bildern 742
33 Segmentierung mit Puzzy Logic 749
33.1 Anwendungen 74q
33.2 Grundlagen: Fuzzy Logic 749
33.2.1 Einführende Beispiele 749
33.2.2 Definitionen und Erläuterungen 751
33.3 Fuzzy Klassifikator 758
34 Run Length Coding 764
34.1 Anwendungen „64
34.2 Run Length Codierung ' . ' 766
34.2.1 Prinzipielle Problemstellung und Implementierung '.'.'. 766
64.2.2 Vereinzelung von Segmenten 76g
34.2.3 Effiziente Vereinzelung mit Union Find Algorithmen . . . . . . . . 773
35 Einfache segmentbeschreibende Parameter 776
oo.l Anwendungen
35.2 Flächeninhalt
35.3 Flächenschwerpunkt „ ,
35.4 Umfang ' 777
35.5 Kompaktheit 779
35.6 Orientierung . 779
35 8 ^rier Trfnsformat n'der Randpunkte '. '. [ [ [ [ [ ™
35.8 Cham Codierung .
35.9 Momente . 782
35 10 Euler'sche Charakteristik '. '. ^
35.11 Auswahl mit morphologischen Operationen 79"
35.12 Segmentbeschreibung mit Fuzzy Logic 792
36 Das Strahlenverfahren 793
36.1 Anwendungen 793
36.2 Prinzipieller Ablauf des Strahlenverfahrens 794
36.3 Aufbau des Merkmalsvektors für ein Segment 795
36.4 Klassifizierungs / Produktionsphase 800
36.5 Strahlenverfahren: Ein Beispiel 800
37 Neuronale Netze und Segmentbeschreibung 804
37.1 Anwendungen 804
37.2 Prinzipieller Ablauf 804
37.3 Trainingsdaten und Training 806
37.4 Die Produktions (Recall ) Phase 807
37.5 Ein Beispiel: Unterscheidung von Schrauben 807
38 Kaiman Filter 811
38.1 Grundidee 811
38.2 Anwendungen 812
38.2.1 Tracking 812
38.2.2 3D Rekonstruktion aus Bildfolgen 817
38.2.3 Bilddatencodierung 818
38.3 Theorie des diskreten Kaiman Filters 820
38.3.1 Das System 820
38.3.2 Die Messung 820
38.3.3 Die Schätzfehler Gleichungen 820
38.3.4 Optimales Schätzfilter von Kaiman 821
38.3.5 Gleichungen des Kaiman Filters 822
38.3.6 Das erweiterte Kaiman Filter (EKF) 824
38.4 Konkrete Beispiele 825
38.4.1 Schätzung einer verrauschten Konstante 826
38.4.2 Schätzung einer Wurfparabel 829
38.4.3 Bildbasierte Navigation 832
39 Zusammenfassen von Segmenten zu Objekten 840
39.1 Bestandsaufnahme und Anwendungen 840
39.2 Einfache, heuristische Vorgehensweise 843
39.3 Strukturelle Verfahren 845
39.3.1 Die Mustererkennungskomponente 847
39.3.2 Die statische und dynamische Wissensbasis 848
39.3.3 Die Reaktionskomponente 849
39.3.4 Die Verwaltungskomponente 849
39.3.5 Die Interaktionskomponente 849
39.3.6 Die Dokumentationskomponente 850
39.3.7 Ein Beispiel 850
39.4 Bildverarbeit ungssystemo im Einsatz 852
Literatur zu Teil II 854
Sachverzeichnis 858 |
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Zusammenhang Computergrafik Bildverarbeitung 6
2.1 Bildverarbeitung auf programmierbarer Grafikhardware 7
2.2 Simulation von kameragesteuerten Geräten 10
2.3 Bilddatencodierung 14
2.4 Bildbasiertes Rendering 19
I Computergrafik 25
3 Interaktive 3D Computergrafik 27
3.1 Harte Echtzeit 28
3.2 Weiche Echtzeit 31
4 Anwendungen interaktiver 3D Computergrafik 32
4.1 Ausbildungs Simulation 32
4.2 Entwicklungs Simulation 34
4.3 Unterhaltung 36
4.4 Telepräsenz 36
4.5 Daten Visualisierung 37
4.6 Augmented Reality 38
4.7 Datenübertragung 39
5 Einführung in die 3D Computergrafik mit OpenGL 41
5.1 OpenGL Kurzbeschreibung 43
5.2 Die OpenGL Rendering Pipeline 45
5.2.1 Display Listen 46
5.2.2 Vertex Operationen 46
5.2.3 Pixel Operationen 46
5.2.4 Textur Speicher 47
5.2.5 Rasterisierung 47
5.2.6 Fragment Operationen 47
5.2.7 Bildspeicher 48
5.3 Die OpenGL Kommando Syntax 48
5.4 Ergänzende Literaturhinweise 49
6 Geometrische Grundobjekte 51
6.1 3D Modellierungsmethoden 51
6.1.1 Planare Polygone 51
6.1.2 Gekrümmte Polygone 52
6.1.3 Volumendarstellung 53
6.1.4 Konstruktive Körpergeometrie 54
6.2 Geometrische Grundobjekte in OpenGL 54
6.2.1 Vertex Defmition in OpenGL 56
6.2.2 Grafik Primitive in OpenGL 57
6.2.3 Programmierbeispiele 59
6.3 Tipps zur Verwendung der Grafik Primitive 74
6.3.1 Rendering Geschwindigkeit 74
6.3.2 VertexArrays 75
6.3.3 Konsistente Polygon Orientierung 76
6.3.4 Koordinaten Berechnungen offline 76
6.3.5 Oberflächen Tessellierung 77
6.3.6 Lücken 77
6.3.7 Hinweise zum glBegin/glEnd Paradigma 78
6.4 Modellierung komplexer 3D Szenarien 79
7 Koordinatensysteme und Transformationen 80
7.1 Definition des Koordinatensystems 80
7.2 Transformationen im Überblick 81
7.3 Mathematische Grundlagen 83
7.3.1 Homogene Koordinaten 83
7.3.2 Transformations Matrizen 84
7.4 Modell Transformationen 86
7.4.1 Translation 86
7.4.2 Rotation 87
7.4.3 Skalierung 89
7.4.4 Reihenfolge der Transformationen 91
7.5 Augenpunkt Transformationen 93
7.6 Projektions Transformationen 94
7.6.1 Orthografische Projektion (Parallel Projektion) 94
7.6.2 Perspektivische Projektion 95
7.6.3 Normierung 100
7.7 Viewport Transformation 101
7.8 Matrizen Stapel 103
8 Verdeckung 108
8.1 Der z Buffer Algorithmus 109
8.2 Die Implementierung des z Buffer Algorithmus 112
8.3 Einsatzmöglichkeiten des z Buffer Algorithmus 113
8.3.1 Entfernen aller Vorderteile 114
8.3.2 Höhenkarten generieren 114
8.3.3 Volumenmessung 116
8.3.4 Oberflächenmessung 117
8.3.5 Entfernungsmessung 118
9 Farbe, Transparenz und Farbmischung 119
9.1 Das Farbmodell in OpenGL 119
9.2 Modelle der Farbdarstellung 122
9.2.1 Der RGBA Modus 122
9.2.2 Der Farb Index Modus 122
9.2.3 Wahl zwischen RGBA und Farb Index Modus 123
9.2.4 Farbspezifikation im RGBA Modus 123
9.2.5 Farbspezifikation im Farb Index Modus 126
9.3 Transparenz und Farbmischung 127
9.3.1 Farbmischung in OpenGL 127
9.3.2 Beispiele für Farbmischungen 130
9.3.3 Transparente Texturen 136
9.3.4 3D Probleme bei der Farbmischung 137
10 Anti Aliasing 140
10.1 Aliasing Effekte 140
10.2 Gegenmaßnahmen Anti Aliasing 144
10.2.1 Pre Filterungs Methode: Flächenabtastung 144
10.2.2 Post Filterungs Methoden 146
11 Nebel und atmosphärische Effekte 151
11.1 Anwendungen 151
11.2 Nebel in OpenGL 153
12 Beleuchtung und Schattierung 159
12.1 Beleuchtungsmodelle 160
12.1.1 Physikalische Optik und Näherungen der Computergrafik 160
12.1.2 Lokale und globale Beleuchtungsmodelle 169
12.1.3 Das Standard Beleuchtungsmodell in OpenGL 171
12.2 Schattierungsverfahren 191
12.2.1 Flat Shading 192
12.2.2 Smooth /Gouraud Shading 193
12.2.3 Phong Shading 199
12.3 Programmierbare Shader 200
12.3.1 Shading Programmiersprachen 202
12.3.2 Realisierung eines Phong Shaders in Cg 204
13 Texturen „ic
13.1 Foto Texturen (Image Texturing) 217
13.1.1 Spezifikation der Textur 219
13.1.2 Textur Filter 228
13.1.3 Gauß Pyramiden Texturen (MipMaps) 231
13.1.4 Textur Fortsetzungsmodus (Texture Wraps) 236
13.1.5 Mischung von Textur und Beleuchtungsfarbe (Texture Environment)239
13.1.6 Zuordnung von Texturkoordinaten 242
13.1.7 Einschalten des Texture Mappings . . . 253
13.1.8 Textur Objekte 254
13.2 Mehrfach Texturierung (Multitexturing) 256
13.3 Projektive Texturen (Projective Texture) 260
13.4 Umgebungs Texturen (Environment Maps) 262
13.4.1 Sphärische Texturierung (Sphere Mapping) 263
13.4.2 Kubische Texturierung (Cube Mapping) 266
13.5 Relief Texturierung (Bump Mapping) 270
13.6 Schatten Texturierung (Shadow Mapping) 277
14 Animationen 2 g
14.1 Animation und Double Buffering 279
14.2 Animationstechniken 283
14.2.1 Bewegung eines starren Objektes Pfadanimation 284
14.2.2 Bewegung von Gelenken eines Objektes Artikulation 286
14.2.3 Verformung von Oberflächen Morphing 288
14.2.4 Bewegung von Objektgruppen:
Schwärme und Partikelsysteme 290
15 Beschleunigungsverfahren 293
15.1 Szenen Graphen 296
15.2 Cull Algorithmen ' 299
15.2.1 Viewing Frustum Culling \\ 301
15.2.2 Occlusion Culling 303
15.2.3 Backface Culling on7
15.2.4 Portal Culling
15 2.5 Detail Culling " Zn
15.3 Level Of Detail (LOD) ^n
i5.3.i Switch lod ^;!;
15.3.2 Fade LOD 6
15.3.3 Morph LOD '.'.'.'. \ . \\ l]A
OX4
15.4 Billboards 315
15.5 Multiprozessorsysteme 319
15.6 Geschwindigkeits Optimierung 324
15.6.1 Leistungsmessung 324
15.6.2 Optimierungsmaßnahmen 329
Literatur zu Teil I 334
II Bildverarbeitung 339
16 Digitale Bilddaten 341
16.1 Prinzipielle Vorgehensweise 341
16.1.1 Sensoren 341
16.1.2 Digitalisierung 342
16.1.3 Vorverarbeitung der Rohdaten 342
16.1.4 Berechnung von Merkmalen 342
16.1.5 Segmentierung des Bildes 343
16.1.6 Kompakte Speicherung der Segmente 343
16.1.7 Beschreibung der Segmente 343
16.1.8 Synthese von Objekten 343
16.1.9 Ableitung einer Reaktion 344
16.1.10 Schlussbemerkung zu Abschnitt 16.1 344
16.2 Unterabtastung und Quantisierung 344
16.3 Digitalisierung von Schwarz/Weiß Bilddaten 348
16.4 Digitalisierung von Grautonbildern 352
16.5 Farbbilder 357
16.5.1 Farbe: Physikalische Aspekte 358
16.5.2 Farbe: Physiologische Aspekte 358
16.5.3 Das CIE Farbdreieck 360
16.5.4 Das RGB Farbmodell 363
16.5.5 Das CMY Farbmodell 365
16.5.6 Das YIQ Farbmodell 366
16.5.7 Das HSI Farbmodell 366
16.5.8 Mathematisches Modell für Farbbilder 368
16.6 Multispektral und mehrkanalige Bilder 370
16.7 Bildfolgen 373
16.8 Weitere mathematische Modelle für Bilder 375
16.8.1 Bilder als relle Funktionen zweier reeller Variablen 375
16.8.2 Bilder als (diskrete) Funktionen
zweier diskreter Variablen 376
16.8.3 Bilder als Zufallsprozesse 376
16.9 Bildliche Reproduktion
von digitalisierten Bildern 380
16.9.1 Geräte zur Bilddarstellung 380
16.9.2 Ausdrucken der Grauwerte 381
16.9.3 Ausgabe von logischen Bildern 383
16.9.4 Zeilendruckerausgabe von Grauwertbildern 384
16.9.5 Halbtonverfahren 385
16.10 Datenreduktion und Datenkompression 388
16.11 Charakterisierung digitalisierter Bilder 389
16.11.1 Mittelwert und mittlere quadratische Abweichung 389
16.11.2 Histogramme 392
16.11.3 Entropie 394
16.11.4 Grauwertematrix (co occurrence Ma,tnx) 396
17 Modifikation der Grauwerte 399
17.1 Anwendungen 3gg
17.2 Grundlagen der Grauwerttransformation 400
17.3 Lineare Skalierung 401
17.4 Äquidensiten (gray level slicing) 406
17.5 Erzeugen von Binärbildern 412
17.6 Logarithmische und exponentielle Skalierung 419
17.7 Ebnen der Grauwerte 421
17.8 Grauwertskalierung mit Hochpassfilterung 426
17.9 Kalibrierung der Grauwerte 428
17.10 Berechnung einer neuen Grauwertmenge 432
17.11 Rekonstruktion des höchstwertigen Bit 434
17.12 Differenzbildung 434
18 Operationen im Ortsbereich 438
18.1 Anwendungen 449
18.2 Grundlagen: Filteroperationen im Ortsbereich 440
18.3 Glätten der Grauwerte eines Bildes 443
18.4 Differenzenoperatoren 448
18.5 Elimination isolierter Bildpunkte 453
18.6 Elimination gestörter Bildzeilen 454
18.7 Bildakkumulation bei Bildfolgen 456
19 Mathematische Morphologie 457
19.1 Anwendungen .^
19.2 Grundlagen: Mathematische Morphologie 457
19.3 Mediän Filter 461
19.4 Dilatation und Erosion im Binärbild 463
19.5 Morphologie im Grauwertbild 465
20 Kanten und Linien 469
20.1 Anwendungen 469
20.2 Grundlegendes über Kanten und Linien 469
20.3 Einfache Verfahren zur Kantenextraktion 474
20.4 Parallele Kantenextraktion 475
20.5 Gradientenbetrag und Gradientenrichtung 480
20.6 Der Canny Kantendetektor 486
20.7 Kanten und Linien mit
morphologischen Operationen 490
20.7.1 Extraktion des Randes von Segmenten 490
20.7.2 Verarbeitung von Linien 492
20.8 Skelettierung mit morphologischen Operationen 492
20.9 Skelettierung mit der Euler'schen Charakteristik 499
20.10 Relaxation 502
20.11 Houghtransformation 506
20.12 Verallgemeinerte Houghtransformation 512
20.12.1 Parametrisierung der Referenzstruktur 512
20.12.2 Akkumulierende Abbildung der Merkmalspunkte 513
20.12.3 Auswertung des Akkumulators 513
20.13 Erweiterte Houghtransformation 514
20.13.1 Erweiterte Houghtransformation der Randpunkte 514
20.13.2 Erweiterung auf flächenhaft gegebene Segmente 519
20.14 Sequentielle Kantenextraktion,
Linienverfolgung 521
20.15 Abschließende Bemerkungen
zu Kanten und Linien 526
21 Operationen im Frequenzbereich 527
21.1 Anwendungen 527
21.2 Lineare Approximation 527
21.3 Trigonometrische Approximationsfunktionen 530
21.4 Diskrete zweidimensionale Fouriertransformation 532
21.5 Digitale Filterung im Ortsfrequenzbereich 534
21.6 Zusammenhang mit dem Ortsbereich 536
21.7 Logarithmische Filterung 542
21.8 Inverse und Wiener Filterung 542
21.9 Diskrete, zweidimensionale Cosinustransformation 543
22 Modifikation der Ortskoordinaten 547
22.1 Anwendungen 547
22.2 Grundlegende Problemstellung 547
22.3 Vergrößerung, Verkleinerung 548
22.4 Affine Abbildungen 551
22.5 Interpolation mit Polynomen 552
22.5.1 Polynome 552
22.5.2 Ausgleichsrechnung 555
22.5.3 Beurteilung der Qualität 555
22.5.4 Vermessung der Passpunkte 559
22.6 Abschließende Bemerkungen 560
23 Szenenanalyse cgi
23.1 Einleitung, Beispiele, Merkmale 561
24 Merkmale: Grauwert und Farbe 567
24.1 Anwendungen 567
24.2 Merkmal: Grauwert 568
24.3 Merkmal: Farbe 570
24.4 Reduktion der Farben in einem Farbbild
durch Vorquantisierung 573
24.5 Indexbilder 574
24.5.1 Die Farbhäufigkeitsverteilung eines Farbbildes 576
24.5.2 Erstellen einer Farb Look Up Tabelle 578
24.5.3 Abbildung der Farben des Originalbildes
in die Farbtabelle 580
24.5.4 Segmentierung des Originalbildes 581
24.5.5 Segmentierung des Originalbildes mit Dithering 582
24.5.6 Unüberwachte Klassifikatoren zur Reduktion der Farben 583
25 Merkmale aus mehrkanaligen Bildern 585
25.1 Anwendungen 505
25.2 Summe, Differenz, Ratio 585
25.3 Verknüpfung von Kanälen bei logischen Bildern 589
25.4 Die Hauptkomponententransformation 589
26 Merkmale aus Bildfolgen cQ7
na 1 a 1 "y'
2b. 1 Anwendungen rg7
26.2 Akkumulation und Differenz 598
26.3 Merkmal: Bewegung 600
26.4 Differentielle Ermittelung von
Verschiebungsvektoren 603
26.5 Blockmatching
ouo
27 Merkmale aus Umgebungen: Texturen 6n
27.1 Anwendungen
27.2 Grundlagen zu Texturmerkmalen ' '. mi
27.3 Streuung (Varianz) ^ J
olo
27.4 Gradient 613
27.5 Kantendichte 615
27.6 Autokorrelation 618
27.7 Abschlussbemerkung zu den einfachen Texturmaßen 618
28 Gauß und Laplace Pyramiden 621
28.1 Anwendungen 621
28.2 Begriffe aus der Signaltheorie 622
28.3 Motivation für Gauß und Laplace Pyramiden 623
28.4 Der REDUCE Operator 624
28.5 Der EXPAND Operator 625
28.6 Rekonstruktion des Originalbildes 629
28.7 Implementierung des REDUCE Operators 632
28.8 Implementierung des EXPAND Operators 635
28.9 Frequenzverhalten und Wahl des freien Parameters a 638
28.10 Anwendungsbeispiele zu den Laplace Pyramiden 642
28.10.1 Verwendung einzelner Schichten 642
28.10.2 Mosaicing 642
28.10.3 Multifokus 645
28.10.4 Glättungsoperationen in Laplace Pyramiden 648
28.10.5 Texturen und Segmentierung 648
29 Scale Space Filtering 663
29.1 Anwendungen 663
29.2 Grundlagen: Fraktale Geometrie 663
29.3 Implementierung des Scale Space Filtering 669
29.3.1 Ermittlung der Größe der Grundtextur 672
29.3.2 Ermittlung der Gauß Filterkerne 673
29.3.3 Berechnung der Oberflächen der Grauwertfunktion 675
29.3.4 Berechnung des Skalenparameters 675
29.3.5 Beispiele und Ergebnisse 676
30 Baumstrukturen 681
30.1 Anwendungen 681
30.2 Aufbau von Baumstrukturen 681
30.3 Regionenorientierte Bildsegmentierung mit
quad trees 687
31 Segmentierung und numerische Klassifikation 696
31.1 Grundlegende Problemstellung 696
31.2 Klassifizierungsstrategien überwacht 700
31.3 Klassifizierungsstrategien unüberwacht 702
31.4 Überwachtes und unüberwachtes Lernen 706
31.5 Der Minimum Distance Klassifikator 70ß
31.6 Maximum Likelihood Klassifikator 714
31.7 Der Quader Klassifikator 719
31.8 Beurteilung der Ergebnisse 722
31.9 Ergänzungen 723
32 Klassifizierung mit neuronalen Netzen 724
32.1 Grundlagen: Künstliche neuronale Netze 724
32.1.1 Prinzipieller Aufbau 724
32.1.2 Adaline und Madaline 725
32.1.3 Das Perceptron 73g
32.1.4 Backpropagation 732
32.2 Neuronale Netze als Klassifikatoren . 735
32.2.1 Verarbeitung von Binärbildern 736
32.2.2 Verarbeitung von mehrkanaligen Bildern 742
33 Segmentierung mit Puzzy Logic 749
33.1 Anwendungen 74q
33.2 Grundlagen: Fuzzy Logic 749
33.2.1 Einführende Beispiele 749
33.2.2 Definitionen und Erläuterungen 751
33.3 Fuzzy Klassifikator 758
34 Run Length Coding 764
34.1 Anwendungen „64
34.2 Run Length Codierung ' . ' 766
34.2.1 Prinzipielle Problemstellung und Implementierung '.'.'. 766
64.2.2 Vereinzelung von Segmenten 76g
34.2.3 Effiziente Vereinzelung mit Union Find Algorithmen . . . . . . . . 773
35 Einfache segmentbeschreibende Parameter 776
oo.l Anwendungen
35.2 Flächeninhalt
35.3 Flächenschwerpunkt „ ,
35.4 Umfang ' 777
35.5 Kompaktheit 779
35.6 Orientierung . 779
35 8 ^rier Trfnsformat n'der Randpunkte '. '. [ [ [ [ [ ™
35.8 Cham Codierung .
35.9 Momente . 782
35 10 Euler'sche Charakteristik '. '. ^
35.11 Auswahl mit morphologischen Operationen 79"
35.12 Segmentbeschreibung mit Fuzzy Logic 792
36 Das Strahlenverfahren 793
36.1 Anwendungen 793
36.2 Prinzipieller Ablauf des Strahlenverfahrens 794
36.3 Aufbau des Merkmalsvektors für ein Segment 795
36.4 Klassifizierungs / Produktionsphase 800
36.5 Strahlenverfahren: Ein Beispiel 800
37 Neuronale Netze und Segmentbeschreibung 804
37.1 Anwendungen 804
37.2 Prinzipieller Ablauf 804
37.3 Trainingsdaten und Training 806
37.4 Die Produktions (Recall ) Phase 807
37.5 Ein Beispiel: Unterscheidung von Schrauben 807
38 Kaiman Filter 811
38.1 Grundidee 811
38.2 Anwendungen 812
38.2.1 Tracking 812
38.2.2 3D Rekonstruktion aus Bildfolgen 817
38.2.3 Bilddatencodierung 818
38.3 Theorie des diskreten Kaiman Filters 820
38.3.1 Das System 820
38.3.2 Die Messung 820
38.3.3 Die Schätzfehler Gleichungen 820
38.3.4 Optimales Schätzfilter von Kaiman 821
38.3.5 Gleichungen des Kaiman Filters 822
38.3.6 Das erweiterte Kaiman Filter (EKF) 824
38.4 Konkrete Beispiele 825
38.4.1 Schätzung einer verrauschten Konstante 826
38.4.2 Schätzung einer Wurfparabel 829
38.4.3 Bildbasierte Navigation 832
39 Zusammenfassen von Segmenten zu Objekten 840
39.1 Bestandsaufnahme und Anwendungen 840
39.2 Einfache, heuristische Vorgehensweise 843
39.3 Strukturelle Verfahren 845
39.3.1 Die Mustererkennungskomponente 847
39.3.2 Die statische und dynamische Wissensbasis 848
39.3.3 Die Reaktionskomponente 849
39.3.4 Die Verwaltungskomponente 849
39.3.5 Die Interaktionskomponente 849
39.3.6 Die Dokumentationskomponente 850
39.3.7 Ein Beispiel 850
39.4 Bildverarbeit ungssystemo im Einsatz 852
Literatur zu Teil II 854
Sachverzeichnis 858 |
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