Diss. ETH Zürich, 2004 ; Nr. 15598. / Dissertation submitted for a the degree of Doctor of Natural Sciences. Bibliogr. diss.

Abh. techn. Wiss. Zürich, 1995 ; Diss. ETH Nr. 11066. / Diss. ETH Nr. 11066. Literaturverz.

Stuttgart, Univ., Diss., 2002.

Stuttgart, Univ., Diss., 2003.

Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2010

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.

Das etwa 20 000 Jahre alte Pulvermaar in der Westeifel besitzt einen 72 m tiefen, zentral liegenden See und einen stellenweise mindestens 45 m mächtigen Tuffwall. Durch seinen außergewöhnlich guten Erhaltungszustand nimmt es eine Sonderstellung ein. Um auch den Tiefbau dieser Struktur besser kennenzulernen, wurden geophysikalische Messungen mit dem Ziel einer dreidimensionalen Modellierung durchgeführt. Über beides wird in dieser Arbeit berichtet. Den Schwerpunkt der geophysikalischen Untersuchungen bildet ein Gravimetrieprogramm mit der Erstellung einer Schwerekarte des Pulvermaars und seiner Umgebung. Im Rahmen dieser Schweremessungen hat der Einsatz des GPS-Systems zur Vermessung ein besonderes Gewicht. Die Magnetfeldmessungen der Totalintensität konzentrieren sich mit einem dichten Meßnetz auf den Seebereich (Messungen im Boot). Mit Widerstands-Tiefensondierungen der Geoelektrik wird versucht, zu einer präziseren Bestimmung der Tuffmächtigkeiten zu gelangen. Die gewonnene Schwerekarte dient einer dreidimensionalen Modellierung auf der Basis der Freiluftanomalie mit dem Programm IGMAS. Die verhältnismäßig kleine (negative) Schwere-anomalie von 1 - 2 mGal über dem Pulvermaar läßt vermuten, daß ein Basaltkörper in das Diatrem eingebettet ist und zur kleinen Amplitude beiträgt. Die Magnetfeldmessungen er-härten diese Vorstellung; das Ergebnis einer einfachen Modellierung für ein diametrales Profil ist mit einem 40 m mächtigen Basaltkörper grob 120 m unter Seeoberfläche ver-träglich. Die Ergebnisse der gravimetrischen und magnetischen Modellierung, die Mächtigkeitsab-schätzungen für die pyroklastischen Ablagerungen aufgrund der Geoelektrik-Messungen sowie die Einbeziehung einer Volumenkalkulation für die Pyroklastika führen zu einem detaillierten Modell für das Pulvermaar, das sich insbesondere durch ein 2000 m tief reichendes Diatrem auszeichnet. Eine Bearbeitung des Schwerefeldes mit der Berechnung von Gradientenfeldern führt zu einem bisher von Maaren nicht bekannten Ergebnis: Um das Pulvermaar herum existiert ein Hof erniedrigter Dichte mit einem Durchmesser von grob 2 km. Als Ursache wird eine Auf-lockerung des Gesteins durch Streß-Wellen angenommen, die ihren Ursprung in den wiederholten starken Eruptionen der Maar-Entstehung haben. Ebenfalls die Gradienten-felder der Gravimetrie zeigen Zusammenhänge zwischen der Struktur des Maares und der regionalen Tektonik auf. / The Pulvermaar is located in the Westeifel volcanic field. It is roughly 20000 years old and contains a 72 m deep, centrally situated maar lake as well as a partially at least 45 m thick tuff-rim. The Pulvermaar is very exceptional due to its good state of preservation. To learn more about the underground body of this structure, geophysical investigations were carried out aiming at a three-dimensional modeling. The core of the geophysical investigations represented a gravimetrical program in order to create a gravitational anomaly map of the Pulvermaar and its surroundings. The use of the GPS-system was of special importance for the gravimetrical measurements. The magnetic field measurements of the total intensity were mainly conducted in a fine pattern all over the lake-side (measurements on a boat). With the help of geoelectrical resistivity soundings one tried to precisely determine the thickness of the tuff deposits. The resulting gravity anomaly map serves a three-dimensional modeling based on free air anomaly with the software-program IGMAS. The relatively small (negative) gravitational anomaly of 1-2 mGal above the Pulvermaar leads to the assumption that a basaltic body is embedded in the diatreme and contributes to the small amplitude. The magnetic field measurements support this conception. The result of a simple modeling of a diametrical profile fits to a 40 m thick basaltic body located in about 120 m below the surface of the lake. The gravimetric and magnetic modeling, the estimation of the thickness of the pyroclastic deposits based on geoelectrical measurements, and the calculation of the volumina of the pyroclastic rocks lead to a detailled model for the Pulvermaar. This is espeacially characterized by a 2000 m deep diatreme. The processing of the gravity field by a calculation of its gradient fields leads to a result which is yet unknown for maarvolcanoes: the Pulvermaar is surrounded by a 2 km-diameter halo of reduced density. This can be explained by a relaxation of the rocks caused by stress-waves which originate from the repeatedly heavy eruptions during the formation of maarvolcanoe. Also, the gradients fields of the gravity show correlations between the structure of the maarvolcanoe and the regional tectonic.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2003

Thema dieser Arbeit sind echtzeitfähige 3D-Renderingverfahren, die 3D-Geometrie mit über der Standarddarstellung hinausgehenden Qualitäts- und Gestaltungsmerkmalen rendern können. Beispiele sind Verfahren zur Darstellung von Schatten, Reflexionen oder Transparenz. Mit heutigen computergraphischen Software-Basissystemen ist ihre Integration in 3D-Anwendungssysteme sehr aufwändig: Dies liegt einerseits an der technischen, algorithmischen Komplexität der Einzelverfahren, andererseits an Ressourcenkonflikten und Seiteneffekten bei der Kombination mehrerer Verfahren. Szenengraphsysteme, intendiert als computergraphische Softwareschicht zur Abstraktion von der Graphikhardware, stellen derzeit keine Mechanismen zur Nutzung dieser Renderingverfahren zur Verfügung.<br><br> Ziel dieser Arbeit ist es, eine Software-Architektur für ein Szenengraphsystem zu konzipieren und umzusetzen, die echtzeitfähige 3D-Renderingverfahren als Komponenten modelliert und es damit erlaubt, diese Verfahren innerhalb des Szenengraphsystems für die Anwendungsentwicklung effektiv zu nutzen. Ein Entwickler, der ein solches Szenengraphsystem nutzt, steuert diese Komponenten durch Elemente in der Szenenbeschreibung an, die die sichtbare Wirkung eines Renderingverfahrens auf die Geometrie in der Szene angeben, aber keine Hinweise auf die algorithmische Implementierung des Verfahrens enthalten. Damit werden Renderingverfahren in 3D-Anwendungssystemen nutzbar, ohne dass ein Entwickler detaillierte Kenntnisse über sie benötigt, so dass der Aufwand für ihre Entwicklung drastisch reduziert wird.<br><br> Ein besonderer Augenmerk der Arbeit liegt darauf, auf diese Weise auch verschiedene Renderingverfahren in einer Szene kombiniert einsetzen zu können. Hierzu ist eine Unterteilung der Renderingverfahren in mehrere Kategorien erforderlich, die mit Hilfe unterschiedlicher Ansätze ausgewertet werden. Dies erlaubt die Abstimmung verschiedener Komponenten für Renderingverfahren und ihrer verwendeten Ressourcen.<br><br> Die Zusammenarbeit mehrerer Renderingverfahren hat dort ihre Grenzen, wo die Kombination von Renderingverfahren graphisch nicht sinnvoll ist oder fundamentale technische Beschränkungen der Verfahren eine gleichzeitige Verwendung unmöglich machen. Die in dieser Arbeit vorgestellte Software-Architektur kann diese Grenzen nicht verschieben, aber sie ermöglicht den gleichzeitigen Einsatz vieler Verfahren, bei denen eine Kombination aufgrund der hohen Komplexität der Implementierung bislang nicht erreicht wurde. Das Vermögen zur Zusammenarbeit ist dabei allerdings von der Art eines Einzelverfahrens abhängig: Verfahren zur Darstellung transparenter Geometrie beispielsweise erfordern bei der Kombination mit anderen Verfahren in der Regel vollständig neuentwickelte Renderingverfahren; entsprechende Komponenten für das Szenengraphsystem können daher nur eingeschränkt mit Komponenten für andere Renderingverfahren verwendet werden.<br><br> Das in dieser Arbeit entwickelte System integriert und kombiniert Verfahren zur Darstellung von Bumpmapping, verschiedene Schatten- und Reflexionsverfahren sowie bildbasiertes CSG-Rendering. Damit stehen wesentliche Renderingverfahren in einem Szenengraphsystem erstmalig komponentenbasiert und auf einem hohen Abstraktionsniveau zur Verfügung. Das System ist trotz des zusätzlichen Verwaltungsaufwandes in der Lage, die Renderingverfahren einzeln und in Kombination grundsätzlich in Echtzeit auszuführen. / This thesis is about real-time rendering algorithms that can render 3D-geometry with quality and design features beyond standard display. Examples include algorithms to render shadows, reflections, or transparency. Integrating these algorithms into 3D-applications using today’s rendering libraries for real-time computer graphics is exceedingly difficult: On the one hand, the rendering algorithms are technically and algorithmically complicated for their own, on the other hand, combining several algorithms causes resource conflicts and side effects that are very difficult to handle. Scene graph libraries, which intend to provide a software layer to abstract from computer graphics hardware, currently offer no mechanisms for using these rendering algorithms, either.<br><br> The objective of this thesis is to design and to implement a software architecture for a scene graph library that models real-time rendering algorithms as software components allowing an effective usage of these algorithms for 3D-application development within the scene graph library. An application developer using the scene graph library controls these components with elements in a scene description that describe the effect of a rendering algorithm for some geometry in the scene graph, but that do not contain hints about the actual implementation of the rendering algorithm. This allows for deploying rendering algorithms in 3D-applications even for application developers that do not have detailed knowledge about them. In this way, the complexity of development of rendering algorithms can be drastically reduced.<br><br> In particular, the thesis focuses on the feasibility of combining several rendering algorithms within a scene at the same time. This requires to classify rendering algorithms into different categories, which are, each, evaluated using different approaches. In this way, components for different rendering algorithms can collaborate and adjust their usage of common graphics resources.<br><br> The possibility of combining different rendering algorithms can be limited in several ways: The graphical result of the combination can be undefined, or fundamental technical restrictions can render it impossible to use two rendering algorithms at the same time. The software architecture described in this work is not able to remove these limitations, but it allows to combine a lot of different rendering algorithms that, until now, could not be combined due to the high complexities of the required implementation. The capability of collaboration, however, depends on the kind of rendering algorithm: For instance, algorithms for rendering transparent geometry can be combined with other algorithms only with a complete redesign of the algorithm. Therefore, components in the scene graph library for displaying transparency can be combined with components for other rendering algorithms in a limited way only.<br><br> The system developed in this work integrates and combines algorithms for displaying bump mapping, several variants of shadow and reflection algorithms, and image-based CSG algorithms. Hence, major rendering algorithms are available for the first time in a scene graph library as components with high abstraction level. Despite the required additional indirections and abstraction layers, the system, in principle, allows for using and combining the rendering algorithms in real-time.

In dieser Dissertation wird erstmalig ein theoretisches Fundament zur Beschneiung virtueller Szenen entwickelt. Das theoretische Fundament wird als analytisches Modell in Form einer Diffusionsgleichung formuliert. Aus dem analytischen Modell lässt sich eine Gruppe von Algorithmen zur Beschneiung virtueller Szenen ableiten. Eingehende Voruntersuchungen zur allgemeinen Modellierung natürlicher Phänomene in der Computergraphik sowie eine Klassifikation der bestehenden Literatur über mathematische Schneemodellierung bilden den Anfang der Arbeit. Aus der umfassenden Darstellung der Eigenschaften von Schnee, wie er in der Natur vorkommt, ergeben sich die Grundlagen für die Modellbildung. Die Modellbildung fußt auf den grundlegenden Ansätzen der klassischen Mechanik und der statistischen Physik. Für die Beschneiung auf visueller Skala erweist sich der Diffusionsprozess als geeignete Beschreibung. Mit der Beschreibung lassen sich diffusiv Schneeoberflächen erzeugen. Der konkrete computergraphische Wert des theoretischen Fundaments wird anhand zweier Implementierungen exemplarisch dargestellt, und zwar in der Distanzfeldmethode und der Diffusionskernmethode. Die Ergebnisse werden mithilfe dreidimensionaler Rauschtexturen und Alpha-Masken an den Rändern fotorealistisch visualisiert. / In this dissertation for the first time a theoretical foundation is developed for snow accumulation in virtual scenes. The theoretical foundation is formulated in an analytical model as diffusion equation. The analytical model leads to a group of algorithms for virtual snow accumulation. Comprehensive investigations for the modelling of natural phenomena in computer graphics in general are used to develop a method classification scheme. Another classification is given for an overview over the aspects of snow in the real world. This allows an efficient presentation of related literature on snow modelling. A new approach of snow modelling is then drawn from first principles of classical mechanics and statistical physics. Diffusion processes provide an efficient theoretical framework for snow accumulation. The mathematical structure of diffusion equations is discussed and demonstrated to be adequate to snow modelling in visual scales. The value of the theoretical foundation for computer graphics is demonstrated with two exemplary implementations, a distance field method and the diffusion kernel method. Results are visualized with 3D noise textures and alpha masks near borders delivering photorealistic snow pictures.