Computergrafik und Bildverarbeitung alles für Studium und Praxis, Bildverarbeitungswerkzeuge, Beispiel-Software und interaktive Vorlesungen online verfügbar ; mit 378 Abbildungen

879 Pages·2007·51.28 MB·German

by  Alfred Nischwitz

Leserstimmen zu vorangegangenen Auf lagen:
WOW... Endlich mal wieder ein Buch, das makelos ist
„So begeistert war ich schon lange nicht mehr von einem Buch.
Wer schon mal ein Buch von Herrn Haberacker gelesen hat,
weiB was Ihn erwartet. Fundierte, tiefe Informationen und ein
guter, klarer Schreibstil. Dieses Talent scheint auch Herr
Nischwitz zu besitzen. Das komplette Buch liest sich flussig
und ist sehr gut verstandlich."
M.Sc, Dipl-lnf. Dark Habits, Berlin
Ein „Muss'' fur Studium und industrlelle Praxis!
„Dieses sehr umfassende Buch ersetzt viele andere, die sich
entweder nur mit Computergrafik oder aber mit Bildverarbei-
tung beschaftigen. Vom Aufbau her ist es vorbildlich struktu-
riert."
Prof. Dr. Ulla Kirch-Prinz, FH Munciien
Aus dem Bereich IT erfolgreich lernen
Lexikon fiir IT-Berufe Grundkurs Computernetze
von Peter Fetzer und Bettina Schneider von Jurgen Scherff
Grundkurs IT-Berufe Grundkurs Verteilte Systeme
von Andreas M. Bohm und Bettina Jungl<unz von Gunther Bengel
Java fur IT-Berufe Methoden wissensbasierter Systeme
von Wolf-Gert Mattiiaus von Christoph Beierle und Gabriele Kern-lsberner
PrufungsvorbereitungfiJr IT-Berufe Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme
von IVIanfred Wunsche von Martin Sauter
Grundlegende Algorithmen Grid Computing
von Volker Heun von Thomas Barth und Anke Schiill
Algorithmen ftir Ingenieure - realisiert Grundkurs Codierung
mit Visual Basic von Wilfried Dankmeier
von Harald Nahrstedt Grundkurs Wirtschaftsinformatik
Algorithmen und Problemlosungen mit C++ von Dietmar Abts und Wilhelm Mulder
von Dorina Logofatu Grundkurs Theoretische Informatik
Grundkurs Programmieren mit Delphi von Gottfried Vossen und Kurt-Ulrich Witt
von Wolf-Gert Matthaus Anwendungsorientierte
Grundkurs Visual Basic Wirtschaftsinformatik
von Sabine Kamper von Paul Alpar, Heinz Lothar Grob, Peter Weimann und
Visual Basic fiir technische Anwendungen Robert Winter
vonjiirgen Radel Business Intelligence - Grundlagen
Grundkurs Smalltalk - und praktische Anwendungen
Objektorientierung von Anfang an von Hans-Georg Kemper, Walid Mehanna und
von Johannes Brauer Carsten Linger
Grundkurs Software-Entwicklung mit C++ Grundkurs Geschaftsprozess-Management
von Dietrich May von Andreas Gadatsch
Programmieren lernen mit Java ITIL kompakt und verstandlich
von Erwin Merker und Roman Merker von Alfred Olbrich
Grundkurs Java-Technologien BWL kompakt und verstandlich
von Erwin Merker von Notger Carl, Rudolf Fiedler, William Jorasz und Man
fred Kiesel
Java ist eine Sprache
von Ulrich Crude Grundkurs Mediengestaltung
Middleware in Java von David Starmann
von Steffen Heinzl und Markus Mathes Grundkurs Web-Programmierung
Grundkurs Computergraf ik mit Java von GiJnter Pomaska
von Frank Klawonn Web-Programmierung
Das Linux-Tutorial - Ihr Weg von Oral Avci, Ralph Trittmann und Werner Mellis
zum LPI-Zertifikat Grundkurs MySQL und PHP
von Helmut Pils von Martin Pollakowski
Rechnerarchitektur Logistikprozesse mit SAP R/3®
von Paul Herrmann von Jochen Benz und Markus Hoflinger
Grundkurs Datenbankentwurf Grundkurs SAP R/3®
von Helmut Jarosch von Andre Maassen, Markus Schoenen, Detlev Frick
Datenbank-Engineering und Andreas Gadatsch
von Alfred Moos Controlling mit SAP®
Grundkurs Datenbankentwicklung von Gunther Friedl, Christian Hilz und Burkhard Pedell
von Stephan Kleuker SAP®-gestutztes Rechnungswesen
Grundkurs Relationale Datenbanken von Andreas Gadatsch und Detlev Frick
von Rene Steiner Kostentragerrechnung mit SAP R/3®
Grundlagen der Rechnerkommunikation von Franz Klenger und Ellen Falk-Kalms
von Bernd Schijrmann Masterkurs Kostenstellenrechnung mit SAP®
Netze - Protokolle - Spezifikationen von Franz Klenger und Ellen Falk-Kalms
von Alfred Olbrich Masterkurs IT-Controlling
Grundkurs Spracherkennung von Andreas Gadatsch und Elmar Mayer
von Stephan Euler Computergrafik und Bildverarbeitung
von Alfred Nischwitz, Max Fischer und Peter Haberacker
www.vieweg.de
Alfred Nischwitz
Max Fischer
Peter Haberacker
Computergrafik und
Bildverarbeitung
Alles fur Studium und Praxis -
Bildverarbeitungswerkzeuge,
Beispiel-Software und interaktive
Vorlesungen online verfiigbar
Mit 378 Abbildungen
2., verbesserte und erweiterte Auflage
vieweg
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1. Auflage 2004
Diese Auflage erschien unter dem Titel „Masterkurs Computergrafik und Bildverarbeitung".
2., verbesserte und erweiterte Auflage Marz 2007
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Lektorat: Sybille Thelen / Andrea BroBler
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Druck und buchbinderische Verarbeitung: Tesmska Tiskarna, a. s.
Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Czech Republic
ISBN 978-3-8348-0186-9
Vorwort
Moderne Computer sind in unserer Zeit weit verbreitet. Sie werden kommerziell und
privat zur Bewaltigung vielschichtiger Aufgaben eingesetzt. Als Schnittstelle zur Hardware
dienen grafische Betriebssysteme, mit denen der Benutzer bequem mit dem System kom-
munizieren kann. Die meisten Anwendungen prasentieren sich ebenfalls in grafischer Form
und begleiten so den Anwender bei der Erledigung seiner Aufgaben.
Viele beniitzen dabei das Computersystem wie ein praktisches Werkzeug und freuen
sich, wenn alles gut funktioniert, oder argern sich, wenn es nicht funktioniert. Mancher
wird sich aber doch fragen, was hinter der grafischen Oberflache steckt, wie z.B. ein Com-
puterspiel oder ein Bildbearbeitungspaket zu einer Digitalkamera gemacht wird, welche
Verfahren dabei ablaufen und welche Programmiersysteme dazu verwendet werden. An
diesen Personenkreis wendet sich das vorhegende Buch.
Bei der Implementierung zeitgemafier Anwendungen nimmt die Programmierung der
Computergrafik und Bildverarbeitung einen wesenthchen Teil ein. In den letzten Jahren
sind diese beide Bereiche immer starker zusammengewachsen. Dieser Entwicklung versucht
das vorhegende Buch gerecht zu werden.
Der erste Teil des Buches ist der Computergrafik gewidmet. Es werden die wichtig-
sten Verfahren und Vorgehensweisen erlautert und an Hand von Programmausschnitten
dargestellt. Als grafisches System wurde OpenGL verwendet, da es alle Bereiche abdeckt,
sich als weltweiter Standard etabliert hat, plattformunabhangig und kostenlos ist, und mit
modernen Grafikkarten bestens zusammenarbeitet.
Der zweite Teil befasst sich mit digitaler Bildverarbeitung, die mit ihren Verfahren
die Grundlage fiir praktische Anwendungen von bildauswertenden und bildgenerierenden
Systemen in vielen Bereichen bildet. Der Bildverarbeitungsteil ist als Zusammenfassung
von zwei Biichern entstanden, die von einem der beiden Autoren vorlagen. Zunachst war
geplant, diese Zusammenfassung ausschliefilich iiber das Internet und auf CD-ROM anzu-
bieten. Die permanente Nachfrage liefi es aber doch sinnvoll erscheinen, sie in dieses Buch
zu integrieren.
Das Buch wendet sich also an Interessenten, die sich in dieses Gebiet einarbeiten und
praktische Erfahrungen sammeln mochten. Deshalb wurde, soweit moglich, auf die Darstel-
lung der oft komplizierten mathematischen Hintergriinde verzichtet und haufig eine eher
pragmatische Vorgehensweise gewahlt. Zur Vertiefung wird das Buch durch ein Internetan-
gebot erganzt. Hier findet der Leser Ubungsaufgaben, vertiefende Kapitel und interaktive
Kurse, wie sie auch an Hochschulen angeboten werden. Aufierdem wird der Internetauftritt
fiir Korrekturen und die Versionsverwaltung verwendet.
Alfred Nischwitz, Peter Haberacker, 3. Juni 2004
Vorwort zur 2. Auflage
Aller guten Dinge sind Drei. In diesem Sinne freuen wir uns, dass wir als dritten Co-
Autor fiir die Weiterentwicklung dieses Buchs unseren Kollegen Prof. Dr. Max Fischer ge-
winnen konnten. Damit wurde der Tatsache Rechnung getragen, dass die sehr dynamischen
und immer enger zusammenwachsenden Gebiete der Computergrafik und Bildverarbeitung
eines weiteren Autors bedurften, um adaquat abgedeckt zu werden.
Inhaltlich wurde der Charakter der 1. Auflage beibehalten. An einer Reihe von Stellen
wurden jedoch Erganzungen und Aktualisierungen vorgenommen. So ist im Kapitel 2 ein
neuer Abschnitt liber „ Bildverarbeitung auf programmierbarer Grafikhardware" hinzuge-
kommen, im Kapitel 20 wurde der neuerdings haufig verwendete „Canny-Kantendetektor"
eingefiigt, und im Kapitel 34 wurde eine Anwendung des „Run-Lengtli-Coding" im Umfeld
der Objektverfolgung in Echtzeitsystemen erganzt. Die Literaturhinweise wurden aktuali-
siert und durch neue Zitate erweitert.
Weiterhin konnten zahlreiche Fehler aus der 1. Auflage korrigiert werden. Dafiir sei
den kritischen Lesern ganz herzlich gedankt, die sich die Miihe gemacht haben, uns zu
schreiben. Ganz besonders mochten wir uns an dieser Stelle bei Fr. Dipl.-Math. Beate
Mielke bedanken, die alleine fiir ca. | aller Fehlermeldungen zustandig war.
Alfred Nischwitz, Max Fischer, Peter Haberacker, 22. Juh 2006
Inhaltsverzeichnis
Einleitung 1
Zusammenhang Computergrafik - Bildverarbeitung 6
2.1 Bildverarbeitung auf programmierbarer Grafikhardware 7
2.2 Simulation von kameragesteuerten Geraten 10
2.3 Bilddatencodierung 14
2.4 Bildbasiertes Rendering 19
Computergrafik 25
Interaktive 3D-Computergrafik 27
3.1 Harte Echtzeit 28
3.2 Weiche Echtzeit 31
Anwendungen interaktiver 3D-Computergrafik 32
4.1 Ausbildungs-Simulation 32
4.2 Entwicklungs-Simulation 34
4.3 Unterhaltung 36
4.4 Teleprasenz 36
4.5 Daten-Visualisierung 37
4.6 Augmented Reality 38
4.7 Dateniibertragung 39
Einfiihrung in die 3D-Computergrafik mit OpenGL 41
5.1 OpenGL Kurzbeschreibung 43
5.2 Die OpenGL Rendering Pipeline 45
5.2.1 Display Listen 46
5.2.2 Vertex-Operationen 46
5.2.3 Pixel-Operationen 46
5.2.4 Textur-Speicher 47
5.2.5 Rasterisierung 47
5.2.6 Pragment-Operationen 47
viii INHALTSVERZEICHNIS
5.2.7 Bildspeicher 48
5.3 Die OpenGL Kommando Syntax 48
5.4 Erganzende Literaturhinweise 49
6 Geometrische Grundobjekte 51
6.1 3D-Modellierungsmethoden 51
6.1.1 Planare Polygene 51
6.1.2 Gekriimmte Polygene 52
6.1.3 Volumendarstellung 53
6.1.4 Konstruktive Korpergeometrie 54
6.2 Geometrische Grundobjekte in OpenGL 54
6.2.1 Vertex-Definition in OpenGL 56
6.2.2 Grafik-Primitive in OpenGL 57
6.2.3 Programmierbeispiele 59
6.3 Tipps zur Verwendung der Grafik-Primitive 74
6.3.1 Rendering-Geschwindigkeit 74
6.3.2 Vertex Arrays 75
6.3.3 Konsistente Polygon-Orientierung 76
6.3.4 Koordinaten-Berechnungen offline 76
6.3.5 Oberfiachen-Tessellierung 77
6.3.6 Liicken 77
6.3.7 Hinweise zum glBegin/glEnd-Paradigma 78
6.4 Modellierung komplexer 3D-Szenarien 79
7 Koordinatensysteme und Transformationen 80
7.1 Definition des Koordinatensystems 80
7.2 Transformationen im Uberblick 81
7.3 Mathematische Grundlagen 83
7.3.1 Homogene Koordinaten 83
7.3.2 Transformations-Matrizen 84
7.4 Modell-Transformationen 86
7.4.1 Translation 86
7.4.2 Rotation 87
7.4.3 Skalierung 89
7.4.4 Reihenfolge der Transformationen 91
7.5 Augenpunkt-Transformationen 93
7.6 Projektions-Transformationen 94
7.6.1 Orthografische Projektion (Parallel-Projektion) 94
7.6.2 Perspektivische Projektion 95
7.6.3 Normierung 100
7.7 Viewport-Transformation 101
7.8 Matrizen-Stapel 103
INHALTSVERZEICHNIS ix
8 Verdeckung 108
8.1 Der z-BuflFer Algorithmus 109
8.2 Die Implementierung des z-Buffer Algorithmus 112
8.3 Einsatzmoglichkeiten des z-Buffer Algorithmus 113
8.3.1 Entfernen aller Vorderteile 114
8.3.2 Hohenkarten generieren 114
8.3.3 Volumenmessung 116
8.3.4 Oberflachenmessung 117
8.3.5 Entfernungsmessung 118
9 Farbe, Transparenz und Farbmischung 119
9.1 Das Farbmodell in OpenGL 119
9.2 Modelle der Farbdarstellung 122
9.2.1 Der RGBA-Modus 122
9.2.2 Der Farb-Index-Modus 122
9.2.3 Wahl zwischen RGBA- und Farb-Index-Modus 123
9.2.4 Farbspezifikation im RGBA-Modus 123
9.2.5 Farbspezifikation im Farb-Index-Modus 126
9.3 Transparenz und Farbmischung 127
9.3.1 Farbmischung in OpenGL 127
9.3.2 Beispiele fiir Farbmischungen 130
9.3.3 Transparente Texturen 136
9.3.4 3D-Probleme bei der Farbmischung 137
10 Anti-Aliasing 140
10.1 Aliasing-Effekte 140
10.2 GegenmaBnahmen - Anti-Ahasing 144
10.2.1 Pre-Filterungs-Methode: Flachenabtastung 144
10.2.2 Post-Filterungs-Methoden 146
11 Nebel und atmospharische Effekte 151
11.1 Anwendungen 151
11.2 Nebel in OpenGL 153
12 Beleuchtung und Schattierung 159
12.1 Beleuchtungsmodelle 160
12.1.1 Physikahsche Optik und Naherungen der Computergrafik 160
12.1.2 Lokale und globale Beleuchtungsmodelle 169
12.1.3 Das Standard-Beleuchtungsmodell in OpenGL 171
12.2 Schattierungsverfahren 191
12.2.1 Flat-Shading 192
12.2.2 Smooth-/Gouraud-Shading 193
12.2.3 Phong-Shading 199
X INHALTSVERZEICHNIS
12.3 Programmierbare Shader 200
12.3.1 Shading Programmiersprachen 202
12.3.2 Realisierung eines Phong-Shaders in Cg 204
13 Texturen 215
13.1 Foto-Texturen (Image Texturing) 217
13.1.1 Spezifikation der Textur 219
13.1.2 Textur-Filter 228
13.1.3 Gaufi-Pyramiden-Texturen (MipMaps) 231
13.1.4 Textur-Fortsetzungsmodus (Texture Wraps) 236
13.1.5 Mischung von Textur- und Beleuchtungsfarbe (Texture Environment) 239
13.1.6 Zuordnung von Texturkoordinaten 242
13.1.7 Einschalten des Texture Mappings 253
13.1.8 Textur-Objekte 254
13.2 Mehrfach-Texturierung (Multitexturing) 256
13.3 Projektive Texturen (Projective Texture) 260
13.4 Umgebungs-Texturen (Environment Maps) 262
13.4.1 Spharische Texturierung (Sphere Mapping) 263
13.4.2 Kubische Texturierung (Cube Mapping) 266
13.5 Rehef-Texturierung (Bump Mapping) 270
13.6 Schatten-Texturierung (Shadow Mapping) 277
14 Animationen 279
14.1 Animation und Double Buffering 279
14.2 Animationstechniken 283
14.2.1 Bewegung eines starren Objektes - Pfadanimation 284
14.2.2 Bewegung von Gelenken eines Objektes - Artikulation 286
14.2.3 Verformung von Oberflachen - Morphing 288
14.2.4 Bewegung von Objektgruppen:
Schwarme und Partikelsysteme 290
15 Beschleunigungsverfahren 293
15.1 Szenen Graphen 296
15.2 Cull Algorithmen 299
15.2.1 Viewing Frustum Culling 301
15.2.2 Occlusion Culling 303
15.2.3 Backface Culling 307
15.2.4 Portal Culling 308
15.2.5 Detail Culling 309
15.3 Level Of Detail (LOD) 310
15.3.1 Switch LOD 312
15.3.2 Fade LOD 313
15.3.3 MorphLOD 314