Surface Approximation with Elevation Maps and Observations Thinning in Numerical Weather Prediction

Abstract

Komplexe geometrische Datensätze gewinnen zunehmend an Bedeutung in vielfältigen Anwendungsbereichen in Forschung und Industrie. Durch Abtastung gewonnene Punkt-basierte Beschreibungen solcher Daten sind besonders für die Repräsentation und Verarbeitung geeignet. Diese Dissertation befasst sich mit der Approximation zweier verschiedener Arten von dicht abgetasteten Datensätzen: 3D Modelle aus der Geometrieverarbeitung in der Computergrafik und Beobachtungsdatensätze, die in der numerischen Wettervorhersage verwendet werden.Der erste Teil der Arbeit stellt ein generisches Konzept zur Approximation von 3D Modellen vor, das eine Bild-basierte Datenstruktur verwendet. Dabei wird ein Modell in eine Anzahl von Flächenstücken zerlegt, die als Höhenfelder über planare Flächen im Raum parametrisiert werden und daraufhin auf regulären Gittern abgetastet werden. Ein Schwerpunkt in dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung dieser Datenstruktur im Hinblick auf die Allgemeinheit der zugrundeliegenden Primitive. Sowohl das Originalmodell als auch dessen Approximation können als Polygonnetz oder als Punkt-basiertes Modell verarbeitet bzw. rekonstruiert werden. Dieser Ansatz ermöglicht eine Reihe von Anwendungen.In der ersten Anwendung wird die vorgestellte Repräsentation zur Lösung des zentralen Problems der Kompression von 3D Inhalten in der Geometrieverarbeitung eingesetzt. Ein Codierer wandelt eine explizite Repräsentation einer Fläche in einen Bit-Stream um, der dann vom Decodierer verarbeitet und zu einem Modell rekonstruiert wird. Die vorliegende Arbeit folgt diesem Konzept und verwendet die vorgestellte Höhenfeld-Repräsentation, um ein 3D Kompressionsverfahren umzusetzen. Es wird gezeigt, dass diese Methode bisherige Ergebnisse auf dem Gebiet der Punkt-basierten 3D Modell-Kompression verbessert. Bei Mesh-basierter Kompression werden ähnliche Ergebnisse im Vergleich zu aktuellen Methoden erzielt, wobei das in dieser Arbeit vorgestellte algorithmische Konzept einfacher und allgemeiner ist.In der zweiten Anwendung wird die effiziente Darstellung von 3D Objekten untersucht. Es wird ein Verfahren vorgestellt, das die Höhenfelder direkt auf der Grafikkarte verarbeitet und ich Echtzeit darstellt. Um jedes Flächenstück darzustellen, wird ein einheitlicher Basisdatensatz verwendet, der in der Vertex- und Fragment-Shader Pipeline verarbeitet wird. Es werden Vorteile im Hinblick auf die Punkt-basierte Darstellung untersucht. Dabei wird das traditionelle Überblenden von Splats durch eine schnelle und effizienteAttributeninterpolation ersetzt. Dieser Ansatz führt zu einer beschleunigten und verbesserten Darstellung für Punkt-basierte Modelle.Der letzten Teil der Arbeit behandelt das Problem der Datenreduktion bei der numerischen Wettervorhersage, bei der Messungen von verschiedenen Instrumenten mit Hintergrunddaten zu Anfangszuständen für die Vorhersage kombiniert werden. Aktuelle und zukünftige Satelliten liefern umfangreiche Datenmengen mit hoher Dichte. In dieser Arbeit werden zwei adaptive Ansätze zur Reduktion von Beobachtungsdaten vorgeschlagen, die von Methoden der Geometrieverarbeitung und Vektorquantisierung abgeleitet sind. Beide Verfahren werden auf ATOVS Satellitendaten angewendet, welche für die Vorhersagezyklen beim Deutschen Wetterdienst DWD weiterverarbeitet werden.