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Efficient Processing of Plant Life in Computer Graphics

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2013

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Dissertation
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Zusammenfassung

The role plants play in our daily lives gives synthetically modeled trees and plants particular significance. Vegetation is part of almost all virtual scenes and also in various application domains. The inhomogenous structure of these natural objects
yields an enormous geometric complexity, which continues to pose challenges to computer graphics researchers to this day. This thesis presents new techniques, methods and paradigms that contribute to the field of processing vegetation in computer graphics. Each of the following three approaches helps to migrate the so far mostly static tree models to dynamically adapting and developing ones.

A novel tree modeling paradigm is presented, which abstracts a given tree model into a light-weight intermediate representation. This data structure is easy to store and transmit and allows faithful reconstruction of a wide range of different models. Existing tree models as well as laser-scanned point sets can be converted into this representation. This either enables compression of the data necessary to describe a model, or to reconstruct exemplars from point sets. When defining virtual sceneries, artists, designers or architects often need to adjust tree models according to the constraints of a scene. This is a requirement that is not addressed by today's modeling approaches.

A novel interaction technique is presented, which allows trees to react dynamically to changing environmental conditions. The main branching structure of a given model is deformed based on transformations applied to the underlying skeletal graph. The new technique maintains a biologically plausible structure and is efficient enough to be used in interactive and real-time applications.

Another new method is introduced, which allows the developmental stages of static input tree models to be computed. Besides creating a large variety of exemplars from a single input model, the interpolation of these stages enables the tree's natural growth to be replicated. As an input tree model does not contain all the branches the tree will have developed during its entire lifetime, a new approach is presented, which allows additional branches to be generated for the younger developmental stages. This process utilizes the structural similarity of the input and is controlled by several measures known from botanical research.

Finally, techniques are explored, which enable vegetation to be rendered in real-time. This includes approaches for generating the mesh of branching structures as well as means for maintaining a photo-realistic appearance.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Das häufige Vorkommen von Vegetation in unserem täglichen Leben weist synthetisch modellierten Bäumen und Pflanzen eine wichtige Rolle zu. Vegetation kommt in fast allen virtuellen Szenen und in verschiedenen Anwendungsbereichen vor. Die inhomogene Struktur dieser natürlichen Objekte führt zu einer enormen geometrischen Komplexität, die Forscher in der Computer Grafik bis heute vor Herausforderungen stellt.

Diese Arbeit präsentiert neue Techniken, Methoden und Paradigmen, die zu dem Feld der Verarbeitung von Vegetation in der Computer Grafik beitragen. Jeder der drei folgenden Ansätze hilft, die bisher meist statischen Baummodelle in dynamisch anpassbare und sich entwickelnde Modelle zu überführen.

Ein neues Paradigma zum Modellieren von Bäumen wird präsentiert, das ein gegebenes Baummodell in eine speicherarme Zwischen-Repräsentation abstrahiert. Die Datenstruktur ist leicht zu speichern, einfach zu übertragen und erlaubt eine glaubhafte Rekonstruktion einer Vielzahl verschiedener Modelle. Sowohl existierende Baummodelle, als auch gescannte Punktwolken können in diese Repräsentation konvertiert werden. Das erlaubt sowohl eine Kompression der zur Beschreibung notwendigen Daten, als auch die Rekonstruktion verschiedener Modelle.

Beim Definieren von virtuellen Szenen ist es oft erforderlich, dass Künstler, Designer oder Architekten Bäume den gegebenen Einschränkungen nach anpassen müssen. Eine Bedingung, die nicht durch die bisherigen Mehoden erfüllt werden kann. Eine neue Interaktions-Technik für Bäume wird präsentiert, die es Modellen erlaubt, dynamisch auf sich verändernde Einflüsse in ihrer Umgebung zu reagieren. Die Hauptaststruktur eines gegebenen Modells wird über Transformationen deformiert, die auf den unterliegenden Graphen angewendet werden. Diese neue Technik erlaubt das Aufrechterhalten einer biologisch plausiblen Struktur und ist effizient genug, um in interaktiven und auch in Echtzeit-Anwendungen verwendet zu werden.

Eine weitere neue Methode wird vorgestellt, die das Berechnen von Entwicklungszuständen aus statischen Baummodellen erlaubt. Neben dem Erzeugen einer Vielzahl an Exemplaren aus einem einzigen Eingabemodell erlaubt die Interpolation dieser Zustände das Nachbilden des natürlichen Wachstums eines Baums. Da die Eingabemodelle nicht alle Äste enthalten, die der Baum während seiner gesamten Lebenszeit jemals besaß, wird ein neuer Ansatz vorgestellt, der das Erzeugen von Ästen der jüngeren Entwicklungszustände erlaubt. Dieser Prozess nutzt die strukturelle Ähnlichkeit des Eingabemodells und wird durch mehrere Maße kontrolliert, die aus der botanischen Forschung bekannt sind.

Schlussendlich werden verschiedene Techniken vorgestellt, die das Rendern von Vegetation in Echtzeit erlauben. Dies beinhaltet sowohl das Erzeugen des Gitternetzes der Aststrukturen, als auch verschiedene Mittel zum Aufrechterhalten einer photorealistischen Erscheinung.

Fachgebiet (DDC)
004 Informatik

Schlagwörter

Real-Time Rendering, Tree and Plant Modeling, Visual Plant Models, Computational Geometry Processing, Procedural Modeling, Modeling of Natural Phenomena

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ISO 690PIRK, Sören, 2013. Efficient Processing of Plant Life in Computer Graphics [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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October 10, 2013
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