Höhenkarte: Erforschung der Geländedarstellung durch Computer Vision

Von Fouad Sabry

Was ist Heightmap

In der Computergrafik ist eine Heightmap oder ein Heightfield ein Rasterbild, das hauptsächlich als diskretes globales Raster bei der sekundären Höhenmodellierung verwendet wird. Jedes Pixel speichert Werte, wie z. B. Oberflächenhöhendaten, zur Anzeige in 3D-Computergrafiken. Eine Höhenkarte kann beim Bump-Mapping verwendet werden, um zu berechnen, wo diese 3D-Daten Schatten in einem Material erzeugen würden, beim Displacement-Mapping, um die tatsächliche geometrische Position von Punkten über der strukturierten Oberfläche zu verschieben, oder für Gelände, bei dem die Höhenkarte in ein 3D-Netz umgewandelt wird.

Wie Sie profitieren

(I) Einblicke und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Heightmap

Kapitel 2: Digitales Höhenmodell

Kapitel 3: Texturkartierung

Kapitel 4: Punktwolke

Kapitel 5: Bump-Mapping

Kapitel 6: Voxel

Kapitel 7: Normalkartierung

Kapitel 8: Raycasting

Kapitel 9: Terragen

Kapitel 10: Displacement Mapping

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zu Heightmap.

(III) Beispiele aus der Praxis für die Verwendung von Heightmap in vielen Bereichen.

Für wen sich dieses Buch eignet

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die für jede Art von Höhenkarte über das Grundwissen oder die Informationen hinausgehen möchten.

 

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 5. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Heightmap

Eine Höhenkarte oder ein Höhenfeld ist ein Rasterbild, das hauptsächlich als diskretes globales Gitter in der sekundären Höhenmodellierung in der Computergrafik verwendet wird. In der 3D-Computergrafik enthält jedes Pixel Werte für die Anzeige, z. B. Oberflächenhöhendaten. Eine Heightmap kann im Bump-Mapping verwendet werden, um zu bestimmen, wo 3D-Daten Schatten in ein Material werfen würden, im Verschiebungs-Mapping, um die tatsächliche geometrische Position von Punkten über eine texturierte Oberfläche zu verschieben, oder in Terrain, in dem die Heightmap in ein 3D-Netz umgewandelt wird.

Eine Heightmap verfügt über einen Kanal, der als Distanz oder Höhe vom Boden einer Oberfläche gelesen wird und manchmal als Luma eines Graustufenbildes angezeigt wird, das die minimale Höhe in Schwarz und die maximale Höhe in Weiß darstellt.

Sobald die Karte gerendert wurde, kann jede Einheit des Höhenkanals vom Designer ihre Verschiebung vorgeben, die dem Kontrast des Bildes entspricht.

Heightmaps können unabhängig von spezialisierten Metadaten in bestehenden Graustufenbildformaten oder in bestimmten Dateiformaten wie Daylon Leveller, GenesisIV und Terragen aufgezeichnet werden.

Darüber hinaus kann die Verwendung unterschiedlicher Farbkanäle genutzt werden, um Details zu verbessern.

Ein normales RGB-8-Bit-Bild kann beispielsweise nur 256 Graustufenwerte und 256 Höhen anzeigen.

Durch die Verwendung von Farbtönen können mehr Höhenwerte gespeichert werden (für ein 24-Bit-Bild), 2563 = 16.777.216 Höhen können dargestellt werden (2564 = 4.294.967.296, wenn auch der Alphakanal verwendet wird)).

Diese Methode ist besonders vorteilhaft bei großen Flächen mit geringen Höhenunterschieden.

Nur mit Graustufenwerten, da Höhen auf maximal 256 Werte abgebildet werden müssen, Die geografische Darstellung erscheint flach, mit Stufen an bestimmten Stellen.

In Geoinformationssystemen werden Höhenkarten in der Regel als digitale Höhenmodelle bezeichnet.

Heightmaps können manuell mit einer Standard-Malanwendung oder einem Terrain-Editor erstellt werden. Diese Editoren rendern das Terrain dreidimensional und ermöglichen es dem Benutzer, die Oberfläche zu ändern. In der Regel gibt es Werkzeuge zum Anheben, Absenken, Glätten und Erodieren der Landschaft. Ein Terrain kann auch mit einem Terrain-Generierungsalgorithmus generiert werden. Beispiele hierfür sind eine 2D-Simplex-Rauschfunktion

Heightmaps werden in großem Umfang in Terrain-Rendering-Software und modernen Videospielen verwendet. Heightmaps sind die optimale Methode zum Speichern von digitalen Geländehöhen, da sie im Vergleich zu einem regulären polygonalen Netz deutlich weniger Speicher für eine bestimmte Informationsebene benötigen. Die meisten modernen 3D-Computermodellierungsanwendungen sind in der Lage, Daten aus Höhenkarten in Form von Bump-, Normal- oder Displacement-Karten zu verwenden, um schnell und präzise komplexes Gelände und andere Oberflächen zu generieren.

In den frühen Spielen, die Software-Rendering verwendeten, stellten Elemente häufig die Höhen von Voxelspalten dar, die mit Raycasting erzeugt wurden. In der überwiegenden Mehrheit der modernen Videospiele geben die Elemente die Höhenkoordinate von Polygonen in einem Mesh an.

Der Terrain-Renderer Terragen

Picogen ist ein Terrain-Renderer und eine Anwendung zur Generierung von Höhenkarten.

Kostenloses PBR-Erstellungstool (Physically Based Rendering).

Obwohl die Ausdrücke heightmap und heightfield manchmal austauschbar sind, gibt es einen kleinen Unterschied zwischen ihnen. Heightmap leitet sich vom mathematischen Begriff map ab, während heightfield von vector field abgeleitet ist. Heightmap ist der treffendere Begriff, da mathematisch gesehen die meisten Höhenfelder keine (Vektor-)Felder sind, sondern Karten (sowohl in mathematischer Hinsicht als auch in der visuellen Darstellung).

{Ende Kapitel 1}

Kapitel 2: Digitales Höhenmodell

Ein digitales Höhenmodell (DEM) oder digitales Oberflächenmodell (DSM) ist eine 3D-Computergrafikdarstellung von Höhendaten, die zur Darstellung von Gelände oder darüber liegenden Objekten verwendet wird, in der Regel von einem Planeten, Mond oder Asteroiden. Der Begriff globales DEM bezieht sich auf ein globales diskretes Gitter. DEMs werden häufig in Geographischen Informationssystemen (GIS) eingesetzt und dienen als beliebteste Grundlage für digital generierte Reliefkarten. Ein digitales Geländemodell (DGM) erfasst die Bodenoberfläche explizit, während DEM und DSM Baumkronen oder Gebäudedächer darstellen können.

Ein DSM kann für Landschaftsmodellierungs-, Stadtmodellierungs- und Visualisierungsanwendungen nützlich sein, aber ein DTM ist in der Regel für die Modellierung von Überschwemmungen oder Entwässerungen, die Landnutzungsforschung und die Planetenforschung erforderlich.

In der wissenschaftlichen Literatur gibt es keine einheitliche Verwendung der Begriffe digitales Höhenmodell (DEM), digitales Geländemodell (DGM) und digitales Oberflächenmodell (DSM). In den meisten Fällen bezieht sich der Begriff digitales Oberflächenmodell auf die Erdoberfläche und alle Objekte darauf. Im Gegensatz zu einem digitalen Oberflächenmodell (DSM) bildet ein digitales Geländemodell (DGM) die Bodenoberfläche ohne Dinge wie Pflanzen oder Gebäude ab (siehe Abbildung rechts). Andere Versionen setzen DEM und DTM gleich und definieren DEM als Teilmenge von DTM, die zusätzliche morphologische Elemente darstellt. Die meisten Datenlieferanten (USGS, ERSDAC, CGIAR und Spot Image) bezeichnen DSMs und DTMs als DEMs. Einige Datensätze, wie z. B. SRTM oder das ASTER GDEM, waren ursprünglich DSMs (in bewaldeten Gebieten reicht SRTM jedoch bis in die Baumkronen,