Diese Arbeit beschreibt den Entwurf und die Funktionsweise einer parallelen OpenGL-Renderingschnittstelle, die den effizienten Betrieb unmodifizierter graphischer Anwendungen auf segmentierten Anzeigen ermöglicht. Diese Schnittstelle integriert sich vollständig in eine verteilte graphische Benutzeroberfläche. Die herausragende Eigenschaft der entwickelten parallelen OpenGL-Schnittstelle ist ihre gleich bleibende Bildrate bei wachsender Anzahl von Segmenten. Als Erweiterung des frei verfügbaren Chromium-Systems stellt die Implementation eine virtuelle Graphikpipeline mit der Gesamtauflösung der segmentierten Anzeige bereit, die den eingehenden Datenstrom über ein Kommunikationsnetzwerk an die Knoten eines Visualisierungsclusters überträgt. Jeder Knoten des Clusters rendert einen Ausschnitt des Gesamtbildes und bringt diesen auf dem zugehörigen Segment synchronisiert zur Anzeige. Die interne Verarbeitung der von der Applikation generierten OpenGL-Datenströme unterscheidet sich jedoch grundlegend von der existierenden Lösung. Während die Tilesort-SPU von Chromium die Daten entsprechend der Segmentierung der Anzeige sortiert und sequenziell an die relevanten Knoten versendet, überträgt die in der Arbeit vorgestellte Schnittstelle die Graphikbefehle simultan. Die dadurch erreichte Vermeidung redundanter Übertragungen bewirkt bereits einen besseren Durchsatz der Kommunikationskanäle und zusätzlich eine signifikante Verringerung der Prozessorbelastung des Applikationsrechners. Die freie gewordene Kapazität schafft wiederum die Voraussetzung für die Anwendung verschiedener Optimierungsverfahren zur weiteren Steigerung der graphischen Gesamtleistung der parallelen Schnittstelle. Dazu zählt neben der Zwischenspeicherung von Datensequenzen in einem Stream Cache die Filterung der OpenGL-Kommandoströme mit graphischen Culling-Verfahren. Speziell zum aktiv-stereoskopischen Rendern auf dem an der Professur vorhandenen zylindrischen Projektionssystem enthält die Schnittstelle Anpassungen für die Synchronisationshardware und die bildbasierte Korrektur der Parallaxe.

Diese Arbeit beschreibt den Entwurf und die Funktionsweise einer parallelen OpenGL-Renderingschnittstelle, die den effizienten Betrieb unmodifizierter graphischer Anwendungen auf segmentierten Anzeigen ermöglicht. Diese Schnittstelle integriert sich vollständig in eine verteilte graphische Benutzeroberfläche. Die herausragende Eigenschaft der entwickelten parallelen OpenGL-Schnittstelle ist ihre gleich bleibende Bildrate bei wachsender Anzahl von Segmenten. Als Erweiterung des frei verfügbaren Chromium-Systems stellt die Implementation eine virtuelle Graphikpipeline mit der Gesamtauflösung der segmentierten Anzeige bereit, die den eingehenden Datenstrom über ein Kommunikationsnetzwerk an die Knoten eines Visualisierungsclusters überträgt. Jeder Knoten des Clusters rendert einen Ausschnitt des Gesamtbildes und bringt diesen auf dem zugehörigen Segment synchronisiert zur Anzeige. Die interne Verarbeitung der von der Applikation generierten OpenGL-Datenströme unterscheidet sich jedoch grundlegend von der existierenden Lösung. Während die Tilesort-SPU von Chromium die Daten entsprechend der Segmentierung der Anzeige sortiert und sequenziell an die relevanten Knoten versendet, überträgt die in der Arbeit vorgestellte Schnittstelle die Graphikbefehle simultan. Die dadurch erreichte Vermeidung redundanter Übertragungen bewirkt bereits einen besseren Durchsatz der Kommunikationskanäle und zusätzlich eine signifikante Verringerung der Prozessorbelastung des Applikationsrechners. Die freie gewordene Kapazität schafft wiederum die Voraussetzung für die Anwendung verschiedener Optimierungsverfahren zur weiteren Steigerung der graphischen Gesamtleistung der parallelen Schnittstelle. Dazu zählt neben der Zwischenspeicherung von Datensequenzen in einem Stream Cache die Filterung der OpenGL-Kommandoströme mit graphischen Culling-Verfahren. Speziell zum aktiv-stereoskopischen Rendern auf dem an der Professur vorhandenen zylindrischen Projektionssystem enthält die Schnittstelle Anpassungen für die Synchronisationshardware und die bildbasierte Korrektur der Parallaxe.

Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung von Kalibrierverfahren und Algorithmen zur Bildverarbeitung im Kontext von Multiprojektorsystemen mit dem Ziel, die Einsatzmöglichkeiten von derartigen Anlagen zu erweitern und die Nutzerakzeptanz solcher Systeme zu steigern. Die Arbeit konzentriert sich dabei insbesondere auf (annähernd) planare Mehrsegment-Projektionsanlagen, die aus preisgünstigen, nicht speziell für den Visualisierungbereich konzipierten Consumer- und Office-Projektoren aufgebaut werden. Im ersten Teil der Arbeit werden bestehende Verfahren zur geometrischen Kalibrierung, zum Edge-Blending sowie zur Helligkeits- und Farbanpassung auf ihre Eignung im Hinblick auf die Anforderungen untersucht und Erweiterungen entwickelt. Für die kamerabasierte Geometrie- Kalibrierung wird mit Lininenpattern gearbeitet, wobei ein effizienter rekursiver Algorithmus zur Berechnung der Schnittpunkte bei leicht gekrümmten Oberflächen vorgestellt wird. Für das Edge-Blending wird ein generalisiertes Modell entwickelt, das mehrere bestehende Ansätze kombiniert und erweitert. Die vorgenommene Modifikation der Distanzfunktion erlaubt insbesondere die bessere Steuerung des Helligkeitsverlaufs und ermöglicht weichere Übergänge an den Grenzen der Überlappungszonen. Es wird weiterhin gezeigt, dass das Edge-Blending mit bestehenden Ansätzen zum Ausgleich der Helligkeitsunterschiede wie Luminance Attenutation Maps kombiniert werden kann. Für die photometrische Kalibrierung ist die Kenntnis der Farb-Transferfunktion, also der Abbildung der Eingabe-Farbwerte auf die tatsächlich vom Projektor erzeugten Ausgaben, unerlässlich. Die herkömmlichen Ansätze betrachten dabei vorwiegend RGB-Projektoren, bei denen die dreidimensionale Transferfunktion in drei eindimensionale Funktionen für jeden Farbkanal zerlegt werden kann. Diese Annahme trifft jedoch auf die betrachteten Projektoren meist nicht zu. Insbesondere DLP-Projektoren mit Farbrad verfügen oft über zusätzliche Grundfarben, so dass der Farbraum deutlich von einem idealen RGB-Modell abweicht. In dieser Arbeit wird zunächst ein empirisches Modell einer Transferfunktion vorgestellt, das sich für derartige Projektoren besser eignet, allerdings die Helligkeit der Projektoren nicht vollständig ausnutzt. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein kamerabasiertes Messverfahren entwickelt, mit dem direkt die dreidimensionale Farb-Transferfunktion ermittelt werden kann. Gegenüber bestehenden Verfahren werden tausende von Farbsamples gleichzeitig erfasst, so dass die erreichbare Sampledichte unter praxisrelevanten Messbedingungen von 17x17x17 auf 64x64x64 erhöht und damit die Qualität der photometrischen Kalibrierung signifikant gesteigert werden kann. Weiterhin wird ein Schnellverfahren entwickelt, dass die Messungsdauer bei 17x17x17 Samples von mehreren Stunden mit bisherigen Verfahren auf weniger als 30 Minuten reduziert. Im dritten Teil werden Algorithmen zur effizienten Bildverarbeitung entwickelt, die der GPU-basierten Anwendung der Kalibrierparameter auf die darzustellenden Bilddaten in Echtzeit dienen. Dabei werden die Möglichkeiten zur Vermeidung redundanter Berechnungsschritte beim Einsatz Stereoskopie-fähiger Projektoren ausgenutzt. Weiterhin wird das eigentliche Kalibrierverfahren effizient mit Verfahren zur Konvertierung von stereoskopischen Bildverfahren kombiniert. Es wird gezeigt, dass ein einzelner PC aus Standardkomponenten zur Ansteuerung einer Mehrsegment-Projektionsanlage mit bis zu 6 Projektoren ausreicht. Die Verwendung von DVI-Capture-Karten ermöglicht dabei den Betrieb einer solchen Anlage wie einen "großen Monitor" für beliebige Applikationen und Betriebssysteme.

Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung von Kalibrierverfahren und Algorithmen zur Bildverarbeitung im Kontext von Multiprojektorsystemen mit dem Ziel, die Einsatzmöglichkeiten von derartigen Anlagen zu erweitern und die Nutzerakzeptanz solcher Systeme zu steigern. Die Arbeit konzentriert sich dabei insbesondere auf (annähernd) planare Mehrsegment-Projektionsanlagen, die aus preisgünstigen, nicht speziell für den Visualisierungbereich konzipierten Consumer- und Office-Projektoren aufgebaut werden. Im ersten Teil der Arbeit werden bestehende Verfahren zur geometrischen Kalibrierung, zum Edge-Blending sowie zur Helligkeits- und Farbanpassung auf ihre Eignung im Hinblick auf die Anforderungen untersucht und Erweiterungen entwickelt. Für die kamerabasierte Geometrie- Kalibrierung wird mit Lininenpattern gearbeitet, wobei ein effizienter rekursiver Algorithmus zur Berechnung der Schnittpunkte bei leicht gekrümmten Oberflächen vorgestellt wird. Für das Edge-Blending wird ein generalisiertes Modell entwickelt, das mehrere bestehende Ansätze kombiniert und erweitert. Die vorgenommene Modifikation der Distanzfunktion erlaubt insbesondere die bessere Steuerung des Helligkeitsverlaufs und ermöglicht weichere Übergänge an den Grenzen der Überlappungszonen. Es wird weiterhin gezeigt, dass das Edge-Blending mit bestehenden Ansätzen zum Ausgleich der Helligkeitsunterschiede wie Luminance Attenutation Maps kombiniert werden kann. Für die photometrische Kalibrierung ist die Kenntnis der Farb-Transferfunktion, also der Abbildung der Eingabe-Farbwerte auf die tatsächlich vom Projektor erzeugten Ausgaben, unerlässlich. Die herkömmlichen Ansätze betrachten dabei vorwiegend RGB-Projektoren, bei denen die dreidimensionale Transferfunktion in drei eindimensionale Funktionen für jeden Farbkanal zerlegt werden kann. Diese Annahme trifft jedoch auf die betrachteten Projektoren meist nicht zu. Insbesondere DLP-Projektoren mit Farbrad verfügen oft über zusätzliche Grundfarben, so dass der Farbraum deutlich von einem idealen RGB-Modell abweicht. In dieser Arbeit wird zunächst ein empirisches Modell einer Transferfunktion vorgestellt, das sich für derartige Projektoren besser eignet, allerdings die Helligkeit der Projektoren nicht vollständig ausnutzt. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein kamerabasiertes Messverfahren entwickelt, mit dem direkt die dreidimensionale Farb-Transferfunktion ermittelt werden kann. Gegenüber bestehenden Verfahren werden tausende von Farbsamples gleichzeitig erfasst, so dass die erreichbare Sampledichte unter praxisrelevanten Messbedingungen von 17x17x17 auf 64x64x64 erhöht und damit die Qualität der photometrischen Kalibrierung signifikant gesteigert werden kann. Weiterhin wird ein Schnellverfahren entwickelt, dass die Messungsdauer bei 17x17x17 Samples von mehreren Stunden mit bisherigen Verfahren auf weniger als 30 Minuten reduziert. Im dritten Teil werden Algorithmen zur effizienten Bildverarbeitung entwickelt, die der GPU-basierten Anwendung der Kalibrierparameter auf die darzustellenden Bilddaten in Echtzeit dienen. Dabei werden die Möglichkeiten zur Vermeidung redundanter Berechnungsschritte beim Einsatz Stereoskopie-fähiger Projektoren ausgenutzt. Weiterhin wird das eigentliche Kalibrierverfahren effizient mit Verfahren zur Konvertierung von stereoskopischen Bildverfahren kombiniert. Es wird gezeigt, dass ein einzelner PC aus Standardkomponenten zur Ansteuerung einer Mehrsegment-Projektionsanlage mit bis zu 6 Projektoren ausreicht. Die Verwendung von DVI-Capture-Karten ermöglicht dabei den Betrieb einer solchen Anlage wie einen "großen Monitor" für beliebige Applikationen und Betriebssysteme.