Lexikon: Der Computergrafik und Bildverarbeitung PDF
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Alfred Iwainsky Wolfgang Wilhelmi Lexikon der Computergrafik und Bildverarbeitung Computergrafik und maschinelle Bildverarbeitung reprä sentieren die generative bzw. rezeptive Seite der rechner unterstützten Behandlung visueller Information. Sie haben große Bedeutung bei Entwurf, Konstruktion, Qualitätskon trolle, Prozeßsteuerung in der Industrie, der Visualisierung und Signalanalyse in der Medizin und der experimentellen Wissenschaft. Wachsende Bedeutung haben sie im Ver kehrswesen, den Medien, für Kunst und Kultur. Das Lexikon enthält mehr als 1000 Begriffe der Computer grafik und Bildverarbeitung. Dabei werden durch Querver weise die Zusammenhänge aufgezeigt. AussagekräFtiges Bildmaterial, ein Farbanhang, übersichtliche Tabellen und Illustrationen unterstützen die Darstellung. Grundlegende Zusammenhänge und Methoden werden durch Formeln präzisiert. Verschiedentlich werden deutsche Begriffe definiert und auf die verwendeten Begriffe aus dem Englischen Bezug genommen. Dieses einzigartige Nachschlagewerk ist das Ergebnis jahrelanger Forschung und sorgfältiger Detailarbeit. Es ist sowohl für Nichtfachleute wie auch für Spezialisten im Gebiet der Grafik und Bildverarbeitung eine zuverlässige und leicht verständliche Orientierungshilfe und Fundgrube. Bei aller Sachkenntnis vermittelt das Buch auch stets die Faszination, die von dem Thema ausgeht. Alfred Iwainsky Wolfgang Wilhelmi DER COMPUTERGRAFIK UND BILDVERARBEITUNG Mit über 1000 Eintragungen, zahlreichen Querverweisen und Illustrationen sowie einem Bildanhang aI Vleweg Autoren An diesem Werk haben zahlreiche Koautoren mitgewirkt. Autoren von Texten und Bildern sind: Norbert Eichhorn, Alfred Iwainsky, Raimund Kosciolowicz, Rainer Purfürst, Steffen Römer, Andreas Wachtel, Klaus Wilk, Gottfried Wolf, Jochen Grossehelweg, Detlev Kaiser, Margit Neubert, Ivanka Römer, Jürgen Saedler, Dieter Schroth, Wolfgang Wilhelmi, Harald Winter. Bildautoren sind: Erdmann Bieber, Christian Feist, Achim Hill, Frank Ksciuk, Andreas Meißner, Thomas Reiche, Dietmar Soyka, Grit Weißenburg, Lutz Zedler, Sabine Döring, Günter Heß, Jürgen Kaltwasser, Rainer Kurth, Ulrich Mende, Joachim Schulze, Gerd Stanke, Frank Winter. Bilder auf dem Umschlag Großes Bild oben: Visualisierung eines (vereinfachten) 3D-Modells des Pergamon-Altars. Mit freundlicher Genehmigung IIEF Institut für Informatik in Entwurf und Fertigung zu Berlin GmbH. Kleine Bilder links: Oben: Digitalisiertes Abbild der Rückseite eines Mosaik-Elementes mit Tiefeninformation in Form einer Falschfarben-Kodierung. Unten: Digitalisiertes Photo eines Säulenkapitell-Bruchstückes mit überlagerten Kanten des entsprechenden, rechnergestützt rekonstruierten 3D-Modells. Mit freundlicher Genehmigung Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.v. (GFal). Kleine Bilder in der Mitte unten: Oberes Bild: Layoutdarstellung zur Inneneinrichtung. Unteres Bild: Visualisierung des 3D-Modells von einem Teil des neuen Innovations-und Gründer zentrums im Technologiepark Berlin-Adlershof (Gebäude-Entwurf: Fehr + Partner Architekten). Mit freundlicher Genehmigung IIEF Institut für Informatik in Entwurf und Fertigung zu Berlin GmbH. Alle Rechte vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, BraunschweiglWiesbaden, 1994 Softcover reprint of the hardcover I st edition 1994 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeiche rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Gedruckt auf säurefreiem Papier ISBN 978-3-322-90717-2 ISBN 978-3-322-90716-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-90716-5 v Inhalt sverzeichnis Hinweise zur Nutzung des Lexikons ........................................ VI Vorwort .................................................................. VII Danksagung .............................................................. XI Lexikalischer Teil ........................................................ 1 Bildanhang ............................................................. 311 VI Hinweise zur Nutzung des Lexikons o Die Begriffe des Lexikons und ihre Erläuterungen sind in alphabetischer Folge geordnet. Besteht ein Begriff aus mehreren Wörtern, so werden diese in ihrer natürlichen Reihenfolge aufgeführt (z. B. Digitale Bildverarbeitung, Interaktive Arbeitsweise). Dabei und bei englischen Begriffen wird i. allg. Großschreibung angewendet. Die alphabetische Aufzählung beruht auf fol genden Regeln: • Umlaute gelten als einfache Laute (z. B. wird ä wie a eingeordnet). • ß wird wie ss eingeordnet. • Begriffe, die mit einer Ziffer beginnen, werden unter dem Buchstaben ein geordnet, der auf die Ziffer folgt (z. B. 3D-Computergrafik unter D). • Leerraum, Zeichen und Ziffern ordnen sich vor Buchstaben in der Reihen folge Leerraum, -, j, ',1,2 ,21/2,3 ein. So stehen z. B. 21 j 2D-System vor 3D-Arbeitsstation, d-NachbarschaJt vor Darstellungsbereich und Elektronische Spraydose vor Elektronischer Radiergummi. o Jeder Begriff wird zunächst kurz definiert, falls nicht lediglich auf einen ande ren Begriff verwiesen wird. Es folgt dann i. allg. eine mehr oder weniger um fangreiche Erläuterung, in die auch Bilder und Tafeln einbezogen sein können. Im erläuternden Text wird der jeweilige Begriff abgekürzt. Bei Begriffen mit einer Vielzahl von Bedeutungen werden nur die für das Fachgebiet relevanten definiert und erläutert. o Im Text vorkommende Begriffe, die an anderer Stelle im Lexikon erläutert werden, sind i. allg. bei ihrem ersten Auftauchen mit einem Verweispfeil (---+ ) gekennzeichnet. o Im Bildanhang befinden sich Halbton- und Farbdarstellungen. Aus Texten zu verschiedenen Begriffen wird auf Bilder dieses Anhanges verwiesen. Die Legenden zum Bildanhang verweisen ihrerseits auf Begriffe. o Eigennamen wurden, auch in Zusammensetzungen, halbfett gedruckt. VII Vorwort Das Lexikon" Computergrafik und Bildverarbeitung" soll sowohl Fachleuten als auch Laien als Nachschlagewerk zu zwei der faszinierendsten Teilgebiete der In formatik dienen, die miteinander in engem Zusammenhang stehen. Während das Fachgebiet Computergrafik die Ableitung grafischer Darstellungen aus rech nerinternen Modellen z. B. von Objekten oder Prozessen betrifft, geht es bei der Bildverarbeitung gewissermaßen um die gegenläufige Richtung: Bilder sind das Ausgangsmaterial, aus dem komplizierte rechnerinterne Modelle oder auch "einfache" Aussagen etwa zum Vorhandensein eines gesuchten Objektes automa tisiert gewonnen werden sollen. Die Fachgebiete Computergrafik und Bildverar beitung besitzen eine Vielzahl von Zusammenhängen, wofür aktuelle Problem stellungen im Bereich der Multimedia-Systeme nur ein Beispiel sind. Dies ist der Grund dafür, daß wir Fachtermini beider Gebiete in einem einzigen Lexikon zusammengefaßt haben. Seit Anfang der 50er Jahre dieses Jahrhunderts erstmalig Katodenstrahlröhren unter anderem zur Darstellung einfacher Grafiken an Computer angeschlossen wurden (z. B. an den "Whirlwind" des MIT), hat das Fachgebiet Computergrafik sich ähnlich stürmisch entwickelt wie die Rechentechnik insgesamt. Diese Ent wicklung war eine der wichtigsten Grundlagen für den immer breiteren Einsatz von Rechnern in vielfältigen Anwendungsbereichen. Als 1958 der Begriff CAD (Computer-Aided Design) von D. T. Ross im Zu sammenhang mit der NC-Programmierung eingeführt wurde, befand sich die Computergrafik noch in einem embryonalen Zustand, und CAD hatte wenig mit dem zu tun, was wir heute darunter verstehen. Die wenige Jahre später (1962) von I. E. Sutherland vorgelegte Dissertationsschrift "Sketchpad: A Man - Machine Graphical Communication" war ein Signal für 'eine Entwicklungsrich tung des Fachgebiets Computergrafik, die auch CAD nachhaltig beeinflußt hat. Computergrafiksysteme, die im Rahmen dieser Entwicklung entstanden sind, ermöglichen eine interaktive Arbeitsweise. Der Nutzer solcher Systeme braucht die Erzeugung von Computergrafiken nicht mehr selbst zu programmieren, viel mehr wird er in die Lage versetzt, Grafiken z. B. mittels Lichtstift, Rollkugel oder Tablett direkt zu "zeichnen". Diese interaktive Computergrafik war die Basis für eine erste Breitenwirksamkeit von CAD in den 70er Jahren, damals noch weitgehend auf die rechnerunterstützte Zeichnungserstellung beschränkt. Parallel zur Herausbildung interaktiver Computergrafik fand in den 60er J ah ren das Verdeckungsproblem (hidden-line- / hidden-surface-problem) starke Be achtung. Eine wahre Flut mathematischer Arbeiten zu diesem Grundproblem der 3D-Computergrafik entstand. Ein Höhepunkt der Entwicklung der 3D-Grafik war 1968 die Fertigstellung einer 3D-Arbeitsstation für die NASA, mit deren VIII Hilfe die Bewegung einiger weniger dreidimensionaler Objekte grafisch in Real zeit simuliert werden konnte, wobei die Bilder direkt aus der 3D-Szene berechnet wurden. Neben der Berechnung und Ausblendung verdeckter Kanten ist die Schattie rung von Körperoberflächen in Computergrafiken eine Möglichkeit, einen räum lichen Eindruck der dargestellten Objekte zu vermitteln. Im Bildanhang dieses Lexikons befindet sich eine Reihe von Beispielen dafür. Die 70er Jahre brachten gleich zwei heute noch sehr gebräuchliche Schattierungsverfahren hervor: 1971 schlug H. Gouraud das später nach ihm benannte Gouraud-Shading vor, 1975 publizierte Biu Toung Phong seine ebenfalls später nach im benannte Methode. In der zweiten Hälfte der 70er Jahre zog Computergrafik in die Prozeßsteuerung und -überwachung ein. Technologische Schemata, Trenddiagramme und andere Grafiken begannen die starren Bedien- und Anzeigeelemente in Anlagenwarten abzulösen. Die 80er Jahre waren durch enorme Fortschritte im Bereich der 3D Computergrafik gekennzeichnet. Schon zu Beginn des Jahrzehnts verdrängten hochauflösende Rasterdisplays mit Bildwiederholspeicher die bis dahin vor allem im Bereich des CAD üblichen Vektordisplays fast vollständig vom Markt. Einer ihrer Vorteile bestand darin, daß sie im Gegensatz zu Vektordisplays in der Lage sind, Darstellungen mit ausgefüllten Flächen, also auch schattierte Oberflächen von 3D-Modellen, zu präsentieren. Die Entwicklung der Rasterdisplay-Technik, der 3D-Modellierung (insbesondere für CAD) und der 3D-Computergrafik be dingten und stimulierten sich dementsprechend gegenseitig. 1984 wurde eine neue Methode zur realitätsnahen Visualisierung dreidimensionaler Szenen unter Berücksichtigung diffuser, flächenhafter Lichtquellen und diffuser Reflexion vor geschlagen. Diese sogenannte Radiosity-Methode unterscheidet sich grundsätz lich von allen bis dahin entwickelten Visualisierungsverfahren. Einer der Erfinder dieser Methode brachte seine Unzufriedenheit mit der damals üblichen Qualität von 3D-Computergrafiken etwas später folgendermaßen zum Ausdruck: "Die meisten Computergrafiken sind Bilder, die keine reale Korrelation mit der wirk lichen Erscheinung ... haben. Man könnte diese Bilder ,realistic abstractions' oder ,abstract realism' nennen" (D. P. Greenberg, 1987). In den 80er Jahren kamen nun auch erstmalig 3D-Arbeitsstationen, die die Ab leitung von 3D-Grafiken aus 3D-Modellen und damit auch die 3D-Modellierung unterstützen und in gewissem Sinne als späte Nachfolger der 1968 für die NASA geschaffenen 3D-Workstation angesehen werden können, in immer breiterem Maßstab zum Einsatz. Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieses Jahrzehnts war der Abschluß der von J. Encarnar;ao vorangetriebenen Entwicklung des Gra fischen Kernsystems (GKS) durch Normung bzw. Standardisierung dieses Sy stems. Schließlich brachte die Schaffung und Anwendung von Methoden zur IX automatischen Erzeugung netzartiger Schemata aus nicht grafischen Informatio nen die Einbeziehung einer rechnerbasierten Layoutsynthese in den Prozeß der Erzeugung entsprechender 2D-Computergrafiken mit sich. Die Bildverarbeitung hat eine ähnlich dynamische Entwicklung hinter sich wie die Computergrafik und inzwischen ebenfalls eine große Anwendungsbreite er reicht. Im weitesten Sinne schlug ihre Geburtsstunde mit der Erfindung und dem wissenschaftlichen Gebrauch von Fernrohr und Mikroskop. Erste Beispiele bewußter Manipulation der Bildqualität im Mikroskop sowohl durch optisch ana loge Verfahren als auch durch Präparierung der Objekte waren das gemeinsame Werk von Optikern und Biologen. Die Erfindung der verschiedenen Methoden der Photographie waren nicht nur durch die ständige Ausweitung des Untersu chungsbereiches sowohl bezüglich der Größe der Objekte als auch der Anwen dung außerhalb der Wissenschaft gekennzeichnet, sondern bezogen nicht selten bildkünstlerisch motivierte Bildtransformationen ein. Ausgehend von Architek turaufnahmen entwickelte sich vom Ende des vorigen Jahrhunderts bis heute die Bildmeßtechnik, bei der Bilder zur hochgenauen Ortsbestimmung dienen. Hochentwickelte Technologien zur Luftbildauswertung standen bereits in den 20er Jahren zur Verfügung. Ständig verbessertes Photomaterial sowie die Erfin dung und industrielle Verbreitung optischer Sensoren erlaubten auch eine präzise Ausmessung radiometrischer und kolorimetrischer Eigenschaften von Untersu chungsobjekten. Vor allem die Registrierung von Strahlungen, die mit dem menschlichen Auge nicht erkennbar sind und im Bereich des Infrarot und der Röntgenstrahlen liegen, eröffnete neue Quellen der Bildauswertung und brachte neue Anforderungen an diese mit sich. Die Erfindung und weltweite Einführung des Fernsehens stellte schließlich die ersten Mittel zur reproduzierbaren Abtastung, Übertragung und Wiedergabe von Bildern bereit, deren sich die Computergrafik und elektronische Bildver arbeitung dann schnell bemächtigten. Der Wettlauf um die Eroberung des Kosmos stimulierte nicht nur die Computergrafik, sondern auch Projekte zur rechnerunterstützten Auswertung der von Raumsonden gesendeten Signale. Ins besondere ein um die Mitte der 60er Jahre am Jet Propulsion Laboratory in Pasadena (USA) enwickeltes Bildverarbeitungssystem darf als Prototyp der mo dernen digitalen Bildverarbeitung angesehen werden. Als wissenschaftlicher Pio nier dieser Technologie sei hier A. Rosenfeld besonders hervorgehoben. Von an fangs belächelten theoretischen und praktischen Ansätzen her hat er die wichtig sten Begriffe dieser Disziplin geprägt und gemeinsam mit seinen vielen Schülern Beiträge zu nahezu allen wichtigen Methoden geleistet. Auch russische Forscher haben im Kontext der Weltraumforschung Bedeutendes geleistet. Beispielhaft seien hier die Auswertungen von Venus- und Mars-Missionen am Moskauer Aka demieinstitut für Probleme der Informationsübertragung genannt. x Routinemäßige Bedeutung erlangte die digitale Bildverarbeitung mit der Nut zung von Satellitensystemen zur Fernerkundung der Erde, insbesondere zur Er forschung der Landnutzung und der Meeresoberfläche sowie zu meteorologischen Zwecken. Solche Lösungen sind heute so alltäglich wie beispielsweise Bildver arbeitungssysteme zur Schriftzeichenerkennung oder zur Eingabe von Altdoku menten in CAD-Systeme. Rechner drangen auch zunehmend in die Medizin ein. Schon in den 70er Jahren war die automatische Mikroskopbildanalyse nicht nur Forschungsgegenstand, sondern hatte bereits anerkannte Methoden hervor gebracht, die auch in anderen Anwendungsbereichen genutzt wurden. Einen weiteren, längst noch nicht abgeklungenen Impuls gab die Erfindung tomogra phiseher Techniken, die heute zunehmend mit Verfahren der Bildverarbeitung, der rechnerinternen Modellierung und der 3D-Computergrafik verbunden wer den. Selbstverständlich ist bei Fachgebieten mit einer so dynamischen Geschichte, wie sie die Computergrafik und Bildverarbeitung aufzuweisen haben, eine gewisse Vielfalt und Unübersichtlichkeit der Begriffswelt zu verzeichnen. Ein typisches Beispiel dafür war in den Anfängen der Entwicklung des Grafischen Kernsy stems (GKS) die verbreitete Entlehnung englischer Fachtermini auch im deut schen Sprachraum und der spätere Übergang zu deutschen Begriffen, die im Rahmen der Norm des DIN zum GKS festgelegt wurden (etwa der Übergang von den Begriffen POLYLINE, FILL AREA bzw. GENERALIZED DRAWING PRIMITIVE zu Linienzug, Füllgebiet bzw. Verallgemeinertes Darstellungsele ment ). Diese innere Dynamik der Begriffswelt erschwerte die Arbeit der Auto ren und Herausgeber des vorliegenden Lexikons. Andererseits soll das Werk aber gerade einen Beitrag zur ohnehin beobachtbaren Stabilisierung der Fachtermi nologie auf den Gebieten Computergrafik und Bildverarbeitung leisten. Es wäre realitätsfremd und vermessen zugleich, wenn dabei die Vielfalt der gebräuch lichen Termini jeweils auf einen Fachbegriff reduziert würde. Wir haben uns vielmehr bemüht, angemessen viele Synonyma und die entsprechenden Verweise in das Lexikon aufzunehmen. Dies erschien uns insbesondere deshalb wichtig, weil auch im deutschen Sprachraum die Verwendung englischsprachiger Begriffe weit verbreitet ist. Im vorliegenden Lexikon wird i. allg. von englischen Termini auf die entsprechenden deutschen lediglich verwiesen. Ausnahmen von dieser Regel wurden bei solchen Begriffen gemacht, dei denen die Eindeutschung weit vorangeschritten ist (z. B. bei Computer). Es wäre für uns eine große Freude, wenn eine häufige Benutzung des Werkes zu vielen Hinweisen, Anregungen und Verbesserungsvorschlägen führte. Berlin, im Oktober 1993. Alfred Iwainsky Walfgang Wilhelmi
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