Interactive Vegetation Rendering

Abstract

In der Computergrafik ist die interaktive Darstellung von Pflanzen nachwie vor ein bedeutendes Problem. Deren organische Struktur besitzt oftmalseine sehr große geometrische Komplexität, die nur schlecht mit herkömmlichenVerfahren reduziert werden kann. Diese Arbeit präsentiertneue Lösungsansätze sowohl für die Darstellung individueller Pflanzenals auch für ganze Landschaften.Zur Darstellung einzelner Pflanzen wurde eine Erweiterung des BillboardCloud Verfahrens zur extremen Vereinfachung von polygonalen Modellenentwickelt. Dieses Verfahren reduziert beliebig komplexe Objekteauf sehr wenige Polygone; allerdings ist das Ergebnis oft nur für dieBetrachtung aus größeren Distanzen sinnvoll. Die von uns entwickeltenDisplacement Mapped Billboard Clouds erlauben eine stark verbesserteDarstellungsqualität, sodass die reduzierten Modelle über einen deutlichgrößeren Bereich angezeigt werden können.Weiters werden für individuelle Pflanzen oft punktbasierte Darstellungsmethodenverwendet. Ein in dieser Arbeit vorgestelltes Verfahrenerlaubt ein rasches, approximatives Erfassen der sichtbaren Punktmenge.In weiterer Folge kann diese reduzierte Punktmenge zur Darstellungverwendet werden, wodurch eine deutlich schnellere Darstellung bei nahezugleichbleibender Bildqualität erzielt wird.Für das interaktive Rendering ganzer Landschaften wurde ein Verfahrenentwickelt, das auf Displacement Mapping Shader setzt um existierendeTerrainmodelle mit Vegetation darzustellen. Zusätzlich zu dem eigentlichenVerfahren werden auch Probleme bei der Handhabung sehrgroßer Gebiete diskutiert und entsprechende Lösungsansätze vorgestellt.Als Beispiel für eine global scale Applikation wurde das Verfahren indem von der NASA entwickelten GeoinformationssystemWorldWind integriert.Darüber hinaus wird in dieser Arbeit ein erweiterter Ansatz zur Verwendungvon early-Z Beschleunigungsverfahren in Shadern präsentiert,für die dies derzeit nicht möglich ist. Darüber hinaus präsentieren wirein zweistufiges Verfahren zur Gültigkeit von dynamisch erzeugten Impostorsund Methoden zur zeitkritischen gemeinsamen Darstellung vondiskreten und kontinuierlichen LOD-Modellen. - Vegetation poses a significant problem to computer graphics because thegeometric complexity of plants does not lend itself very well to traditionalsimplification approaches. This thesis presents new algorithmsthat address these issues at different scales, for rendering individual plantsas well as entire landscapes.For individual plants we introduce Displacement Mapped BillboardClouds, an extended version of the billboard cloud extreme simplificationapproach. Billboard clouds have been successfully used to reduce thegeometric complexity of highly detailed models to a few planes, howeverthe resulting models are often unsuitable for viewing at closer distances.The presented extension exploits shaders to improve the visual qualityof the resulting models.Also, a method is introduced for quickly determining approximatevisible sets for point clouds, which are often used for rendering individualplants. Approximate visible sets allow a significant reduction in thenumber of primitives to be rendered with only very little impact on visualquality.For entire landscapes, displacement mapping shaders are explored toenhance existing terrain models with vegetation. We also address theissues involved with applying such techniques at a global scale, andpresent the integration of our method in the open source World Windgeospatial viewer.Furthermore, we propose a way to enable early-Z acceleration methodson the GPU for shaders where this is not yet possible, and discuss thehandling of level of detail validity and criteria for time-critical renderingof discrete and continuous levels of detail.