Zugl.: Rostock, Univ., Diss., 2008

Originally presented as the author's Thesis--Universität Hannover, 2008. / Includes bibliographical references.

3D scanning has grown to become an important tool in a wide variety of applications. Still, acquiring high-quality 3D models using scanning technology is a challenging task. In this thesis, we present various ways that reduce the hurdles of existing 3D scanning pipelines with the ultimate goal of bringing this technology closer to the end user. To achieve this goal, we focus on three sub problems of traditional scanning pipelines: First, we present a novel algorithm that can be used to consistently orient the normals of huge point clouds. We achieve this by formulating the orientation problem as a graph-based energy minimization problem and applying out-of core methods. Second, we introduce interactivity into the scanning pipeline by presenting an online surface reconstruction method that produces high-quality semi-regular meshes. The resulting interactive pipeline is highly efficient because it reduces the turn-around between presentation of the final result and possible corrections by the user. Third, we develop a robust method to texture-map semi-regular meshes. This approach is based on a generalization of motorcycle graphs, which partitions arbitrary meshes into quadrilateral patches. These patches then serve as the parametrization domains of the texture atlas. Finally, we present an application from the area of cave science. The application is targeted at quantitatively and objectively assessing a cave's size. To achieve this goal, we present methods to analyze the structure of caves, especially to distinguish chambers from passages.

In dieser Arbeit wird ein applikationsunabhängiges Reduktionssystem entworfen, das selbstständig und effizient für die ihm übergebenen Modellteile in allen Betrachtersituationen aus einem möglichen Spektrum von geometrie- und bild-basierten Approximationsformen jeweils die geeignete Approximation generiert, deren Komplexität möglichst gering ist und bei deren Verwendung ein Szenenbild erzeugt werden kann, dessen Bildfehler die vom Nutzer vorgegebenen Schranken nicht überschreitet. Das System nutzt bild- und geometrie-basierte Approximationsformen für unterschiedliche Bereiche im Sichtvolumen des Betrachters. Nailboards sind die benutzten bild-basierten Approximationen. In dieser Arbeit werden neue Nailboardarten vorgestellt, die für die Approximation von semi-transparenten Objekten und von dynamisch beleuchteten Objekten effizient verwendet werden können. Die vorgestellten Erzeugungs- und Darstellungsmethoden nutzen die Fähigkeiten der aktuellen Hardware intensiv aus, um die Nailboards im Echtzeitkontext nutzbar zu machen. Texturierte, sichtabhängige geometrie-basierte Approximationen werden aus einem texturierten Viewdependent Progressive Mesh (VDPM) gewonnen. In dieser Arbeit wird eine effiziente Methode zur Erzeugung von VDPM vorgestellt, aus der Approximationen mit optimal angepassten Parameterkoordinaten gewonnen werden können, ohne dass ein der VDPM-Erzeugung nachgeschalteter Optimierungsschritt der Parameterkoordinaten aller im VDPM kodierten Approximationen notwendig ist. Die Erzeugung der notwendigen Texturen erfolgt unter Nutzung einer schnellen Parametrisierungsmethode und hardware-gestützter Methoden zur Erzeugung dicht gepackter Texturatlanten. Durch die Kombination von selektiven Zugriffsmethoden auf TFGR mit effizienten Randanpassungsmethoden, wird erstmals ein effizientes und qualitativ hochwertiges Multiresolution Rendering mittels TFGR ermöglicht. Aus dem TFGR werden texturierte sichtunabhängige Approximationen gewonnen. Zur echtzeitfähigen, vollautomatischen Erzeugung aller drei Approximationsformen wird in dieser Arbeit ein Reduktionssystem vorgeschlagen, das diese Approximationsformen verteilt generiert. Für eine effiziente Kommunikation innerhalb dieses Systems werden entsprechende Kompressions-, Caching- und State-Differencing-Mechanismen vorgeschlagen. Lastverteilungsmechanismen sichern eine effiziente Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen ab. / In this thesis, an application-independent system for the distributed generation of object approximations used for multi-resolution rendering is proposed. The system generates approximations of objects of a scene sent to him in an efficient and fully automatic manner. The system is able to generate different kinds of geometry-based and image-based object approximations. For each given objects of a scene it generates that kind of approximation that is suitable for the current view. That means that its complexity is minimal and that it causes an error in the image generated with this approximation that does not exceed a user-specified threshold. Nailboards are image-based approximations that approximate objects whose size is small compared to the whole scene. In this thesis new kinds of nailboards are presented which can be used efficiently for the approximation of semi-transparent objects and objects in scenes with a dynamic illumination. Capabilities of current graphics hardware are intensively used to generate and render all kinds of Nailboards in real-time. So-called textured view-dependent progressive meshes (VDPM) are used as view dependent geometry-bases approximations for objects whose size is large compared to the whole scene. In this thesis an efficient method for generating VDPM is presented. This method allows the extraction of approximations with optimally adapted texture coordinates without the necessity of an separate optimization step for the texture coordinates in the generation procedure. The textures necessary for the compensation of detail loss are generated using a fast parameterization method from Yoshizawa. The generation of texture atlases is done hardware-accelerated. Further on a hardware-accelerated method for hardware-accelerated multi-resolution rendering using multi chart geometry images (MCGIM) is presented. Out of the MCGIM view-independent geometry-based approximations are extracted. Finally a system for the distributed generation of object approximations is proposed. It generates all three kinds of approximations fully automatic and almost in real time. For an efficient communication within this system suitable compression, caching and state-differencing mechanisms are proposed. Load balancing mechanisms ensure efficient utilization of available resources.

In dieser Arbeit wird ein applikationsunabhängiges Reduktionssystem entworfen, das selbstständig und effizient für die ihm übergebenen Modellteile in allen Betrachtersituationen aus einem möglichen Spektrum von geometrie- und bild-basierten Approximationsformen jeweils die geeignete Approximation generiert, deren Komplexität möglichst gering ist und bei deren Verwendung ein Szenenbild erzeugt werden kann, dessen Bildfehler die vom Nutzer vorgegebenen Schranken nicht überschreitet. Das System nutzt bild- und geometrie-basierte Approximationsformen für unterschiedliche Bereiche im Sichtvolumen des Betrachters. Nailboards sind die benutzten bild-basierten Approximationen. In dieser Arbeit werden neue Nailboardarten vorgestellt, die für die Approximation von semi-transparenten Objekten und von dynamisch beleuchteten Objekten effizient verwendet werden können. Die vorgestellten Erzeugungs- und Darstellungsmethoden nutzen die Fähigkeiten der aktuellen Hardware intensiv aus, um die Nailboards im Echtzeitkontext nutzbar zu machen. Texturierte, sichtabhängige geometrie-basierte Approximationen werden aus einem texturierten Viewdependent Progressive Mesh (VDPM) gewonnen. In dieser Arbeit wird eine effiziente Methode zur Erzeugung von VDPM vorgestellt, aus der Approximationen mit optimal angepassten Parameterkoordinaten gewonnen werden können, ohne dass ein der VDPM-Erzeugung nachgeschalteter Optimierungsschritt der Parameterkoordinaten aller im VDPM kodierten Approximationen notwendig ist. Die Erzeugung der notwendigen Texturen erfolgt unter Nutzung einer schnellen Parametrisierungsmethode und hardware-gestützter Methoden zur Erzeugung dicht gepackter Texturatlanten. Durch die Kombination von selektiven Zugriffsmethoden auf TFGR mit effizienten Randanpassungsmethoden, wird erstmals ein effizientes und qualitativ hochwertiges Multiresolution Rendering mittels TFGR ermöglicht. Aus dem TFGR werden texturierte sichtunabhängige Approximationen gewonnen. Zur echtzeitfähigen, vollautomatischen Erzeugung aller drei Approximationsformen wird in dieser Arbeit ein Reduktionssystem vorgeschlagen, das diese Approximationsformen verteilt generiert. Für eine effiziente Kommunikation innerhalb dieses Systems werden entsprechende Kompressions-, Caching- und State-Differencing-Mechanismen vorgeschlagen. Lastverteilungsmechanismen sichern eine effiziente Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen ab. / In this thesis, an application-independent system for the distributed generation of object approximations used for multi-resolution rendering is proposed. The system generates approximations of objects of a scene sent to him in an efficient and fully automatic manner. The system is able to generate different kinds of geometry-based and image-based object approximations. For each given objects of a scene it generates that kind of approximation that is suitable for the current view. That means that its complexity is minimal and that it causes an error in the image generated with this approximation that does not exceed a user-specified threshold. Nailboards are image-based approximations that approximate objects whose size is small compared to the whole scene. In this thesis new kinds of nailboards are presented which can be used efficiently for the approximation of semi-transparent objects and objects in scenes with a dynamic illumination. Capabilities of current graphics hardware are intensively used to generate and render all kinds of Nailboards in real-time. So-called textured view-dependent progressive meshes (VDPM) are used as view dependent geometry-bases approximations for objects whose size is large compared to the whole scene. In this thesis an efficient method for generating VDPM is presented. This method allows the extraction of approximations with optimally adapted texture coordinates without the necessity of an separate optimization step for the texture coordinates in the generation procedure. The textures necessary for the compensation of detail loss are generated using a fast parameterization method from Yoshizawa. The generation of texture atlases is done hardware-accelerated. Further on a hardware-accelerated method for hardware-accelerated multi-resolution rendering using multi chart geometry images (MCGIM) is presented. Out of the MCGIM view-independent geometry-based approximations are extracted. Finally a system for the distributed generation of object approximations is proposed. It generates all three kinds of approximations fully automatic and almost in real time. For an efficient communication within this system suitable compression, caching and state-differencing mechanisms are proposed. Load balancing mechanisms ensure efficient utilization of available resources.