Abschlussarbeit von Christian Wiemers

im Bachelor-Studiengang Geoinformatik und Vermessung 

Thema: Evaluierung der Prozessierung und Bereitstellung von Normal Maps als Web Map Service (WMS)

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Frank Boochs

Partner: i3mainz - Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik

Bearbeitungszeitraum: 24. Juni 2013 - 30. August 2013


Inhalt


Ausgangssituation

Zur Visualisierung von Rasterdaten ist vom i3mainz, Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik ein Webviewer geplant. Dieser soll sich dadurch auszeichnen, dass er die Möglichkeit bietet, neben einem im Rahmen des Projekts angebotenen Server auch individuell auswählbare Server, die den OGC-konformen Web Map Service (WMS) unterstützen, einzubinden. Als besondere Funktionalität soll der Viewer Datensätze mit Tiefenkomponente derart darstellen, dass durch Manipulation einer künstlichen Lichtquelle Helligkeiten und somit Schattierungen imitiert werden können.

Aus dem früheren Projekt 3D-Sutren ist bereits ein ähnlicher Viewer vorhanden. Dieser ist allerdings zu undynamisch, weshalb eine Neuentwicklung notwendig ist. Einzelheiten - insbesondere Teile der serverseitigen Bildprozessierung - dienen dennoch als Ausgangsmaterial für den neuen Webviewer.

Ziele

Für die Anzeige im Webviewer müssen Bilddaten zunächst aufbereitet werden. Da dies unabhängig vom Anwender geschehen soll, ist eine serverseitige Prozessierung vorgesehen. Ziel dieser Arbeit ist daher, konzeptionell Lösungswege für die serverseitige Bildverarbeitung zu entwickeln. Auszuführende Schritte sind im Einzelnen:

  • Normal Mapping
  • Reduktion der zu übertragenden Datenmenge
  • übertragung des Raumbezugs von den Ausgangs- auf die fertig prozessierten Daten
  • Bereitstellung der Daten auf einem Server zum Austausch mit dem auf dem Client laufenden Webviewer

Des Weiteren werden verschiedene Shading-Verfahren, mithilfe derer die Beleuchtungsfunktion umgesetzt werden kann, auf ihre Eignung für den Webviewer untersucht.

Ergebnisse

Die Ergebnisse der Arbeit dienen der zukünftigen Umsetzung des Webviewers und der dafür notwendigen Verarbeitung der Bilder. Abgesehen vom Vergleich der Shading-Verfahren sind alle weiteren Erkenntnisse zur clientseitigen Entwicklung des Projekts der Bachelorarbeit von Christian Schütz mit dem Titel "Konzeption eines Webviewers zur Echtzeit-Schattierung von Normal Maps als Web Map Service (WMS)".

Bildprozessierung und Bereitstellung

Das folgende Diagramm zeigt alle Schritte, die Bilder bei einer Verarbeitung auf dem zur Verfügung gestellten Server durchlaufen müssen:


Abb. 1: komplette Bildprozessierung und -bereitstellung

Nach der übertragung der Daten vom Client zum Server wird dort zunächst das Normal Mapping durchgeführt, bei dem aus einem Grauwertbild (z.B. ein digitales Höhenmodell - DHM) Vektoren für jedes Pixel berechnet werden, die orthogonal zur durch die Grauwerte repräsentierten Oberfläche stehen. Für eventuelle Hintergrundgrafiken, die nur als Textur dienen sollen, ist diese Prozessierung nicht notwendig.

Im Anschluss an die Berechnung erfolgt zur Reduzierung des Datenvolumens eine verlustfreie Kompression, sowie die Berechnung von Bildpyramiden, die bei entsprechenden Zoomstufen im Webviewer die übertragung der Bilddaten in einer möglichst geringen Auflösung (und somit geringer Datenmenge) ermöglicht. Außerdem erfolgt noch die übertragung der Georeferenzierung von den Ausgangsdaten auf die fertig prozessierten Bilder. Im Anschluss an die Prozessierung können die Ausgangsdaten, die nur temporär benötigt werden, vom Server entfernt werden.

Die Bereitstellung der Daten erfolgt mit GeoServer. über das zur Verfügung stehende REST-Interface (Representational State Transfer) können die Bilder auf dem Server als Datenquelle verwendet und in Layern veröffentlicht werden. Somit sind sie im Anschluss durch den Webviewer über den WMS abrufbar.

Shading

Um die Eignung verschiedener Shading-Techniken für den Webviewer festzustellen, wurden die Verfahren verglichen. Da die Qualität je nach Verfahren wesentlich von der Polygonierung des zu visualisierenden Objekts abhängig ist, zeigt die folgende Grafik die Unterschiede entsprechend anhand von Beispielen mit verschieden großer Polygonanzahl:


Abb. 2: Vergleich von Shading-Verfahren und unterschiedlicher Polygonanzahl
(Nischwitz et al., 2011, S. 252, 12.16)

Es ist erkennbar, dass das Phong-Shading qualitativ das beste Ergebnis bietet. Eine hohe Polygonanzahl lässt allerdings auch mit Flat- und Gouraud-Shading ähnliche Ergbnisse zu. Das Flat-Shading hat jedoch dann eine schlechtere Performanz. Der Performanz-Vorteil des Gouraud-Shadings kann durch die vorherige Prozessierung relativiert werden, so dass letztendlich das Phong-Shading das beste Verfahren ist.