1998
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Tone Mapping Techniques and Color Image Difference in Global Illumination
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Matkovic, Kresimir
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Item Visualization of Dynamic Systems(Hauser, Dec 1998) Löffelmann, HelwigEine der wichtigsten technologischen Entwicklungen im 20. Jahrhundert ist die Verwendung von Computern in vielen Bereichen des täglichen Lebens, der Arbeit und der Forschung. Aufgrund der neuen Möglichkeiten zur Datenverarbeitung, ist die Menge an Information, die behandelt wird, viel größer als in früheren Zeiten. Als eine Folge davon hat sich die graphische Repräsentation, also die Visualisierung von Daten, als ein nützlicher Ansatz zur Untersuchung von großen Datensätzen etabliert. Die Visualisierung von dynamischen Systemen (gemeinsam mit der Strömungsvisualiserung) macht unter anderen Anwendungsgebieten einen sehr wichtigen Forschungsbereich aus. Es müssen entweder erhobene Daten wie die einer Simulation eines Windtunnels oder analytische Modelle von Phänomenen der realen Welt, beispielsweise Modelle chemischer Reaktionen oder Nahrungsketten, visualisiert werden, um sie zu untersuchen. In den letzten Jahren wurden viele nützliche Techniken in diesem Bereich entwickelt. In dieser Dissertation werden ein paar zusätzliche Beiträge zu diesem Forschungsfeld vorgestellt. Nach einer Einführung in die Visualisierung dynamischer Systeme und einem kurzen Überblick über den aktuellen Stand der Wissenschaft werden die neuen Beiträge zu diesem Forschungsfeld präsentiert: Strömungspfeile verbessern die Verwendung von Strömungsflächen für die Visualisierung von drei-dimensionalen Strömungsdaten. Zusätzliche (lokale) Information wird dargestellt und das Verdeckungsproblem wird durch die lokale Variation von Transparenz reduziert. Poincaréabbildungen werden für die Visualisierung von periodischem bzw. quasi-periodischem Flüssen verwendet. Komplexe Flüsse mit periodischem Charakter werden effizient untersucht, indem eine 2D Abbildung als essentielle Information extrahiert und diese mit einzelnen Merkmalen des 3D Flusses kombiniert dargestellt wird. Fixpunkte eines Flusses bieten wichtige Informationen - gewöhnlich startet die mathematische Analyse mit deren Identifikation und Untersuchung. Es wird eine Methode vorgestellt, welche sowohl die direkte Darstellung der Strömungsdaten in der Nähe der Fixpunkte als auch die Visualisierung von lokaler Information höherer Ordnung beinhaltet. Charakteristische Trajektorien sind wichtige Komponenten abstrakter Beschreibungen von dynamischen Systemen. Ähnlich zur Visualisierung von Fixpunkten, wird die direkte Visualisierung der Nachbarschaft dieser Kurven im Phasenraum verwendet, um das lokale Verhalten besser veranschaulichen zu können. - One of the most important technological developments in the 20th century is the use of computers in many areas of daily life, work, and research. Due to the new abilities in processing data, the amount of information that is handled, is much larger compared to previous times. As a consequence, the graphical representation, i.e., the visualization of data, established itself as a useful approach to investigate large data-sets. Among other application areas, the visualization of dynamical systems (together with flow visualization) is a very important research field. Either sampled data like a simulation of a wind tunnel or analytic models of real world phenomena, e.g., models of chemical reactions or food chains, are visualized for further investigation. Many useful techniques have been developed in this area during the past few years. In this thesis some additional contributions to this research field are presented. After a brief introduction to the visualization of dynamical systems and a short overview over the state of the art, the new contributions to this research field are presented: Stream arrows improve the use of stream surfaces for the visualization of three-dimensional flow data. Additional (local) information is displayed and the problem of occlusion is diminished by transparency modulation. are used for the visualization of periodic or quasi-periodic flows. Extracting a 2D map as essential information and combining it with selective cues from the 3D flow, allows to efficiently investigate even complex flows with periodic behavior. Critical points of a flow provide important information - usually mathematical analysis starts with their identification and investigation. A method featuring a direct representation of flow near critical points as well as the visualization of higher-order local information is presented. Characteristic trajectories are important components in an abstract description of dynamical systems. Similarly to the visualization of critical points, direct visualization of the vicinity of these curves in phase space is used to enhance the information provided through visualization.Item Tone Mapping Techniques and Color Image Difference in Global Illumination(Matkovic, 1997) Matkovic, KresimirTone Mapping (Farbtransformation) ist der letzte Schritt eines jeden photorealistischen Bilderzeugungsverfahrens. Aufgrund der Nichtlinearit¨ aten und der vorhandenen Einschr¨ankungen des Farbraums und des dynamischen Verhaltens des zur Darstellung verwendeten Ger¨ats ist es n¨otig, eine Farbtransformation auf die berechneten Farbwerte anzuwenden. Wir beschreiben den Stand der Forschung im Bereich Transformationsmethoden und einige neue Methoden. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit liegt in der interaktiven Abgleichung von Kontrast und Blende sowie inMethoden mit minimalem Informationsverlust und Messung des einfallenden Lichts. Die interaktive Abgleichung erm¨ oglicht die Darstellung der Szene mit einer gew¨unschten Beleuchtungs-Stimmung, selbst wenn die Beleuchtungswerte in fiktiven Einheiten berechnet wurden. DieMethoden mit minimalem Informationsverlust basieren in gewisserWeise auf dem Ansatz des Photographen. Die Farbtransformation wird nur auf ein bestimmtes Farbintervall angewandt, welches automatisch gew¨ahlt wird. Der urspr ¨ungliche Kontrast aller Pixel in diesem Intervall bleibt erhalten. Dar¨ uberhinaus ist die auf Fehlerbeschrnkungen basierende Methode eine Erweiterung von Schlicks Verfahren. Die Methode zur Messung des einfallenden Lichts basiert ebenfalls auf einer in der Photographie ¨ublichen Vorgangsweise. Diese Methode erm¨ oglicht die genaue Reproduktion von Farben. Selbst wenn die durchschnittliche Reflexion einer Szene sehr klein oder groß ist, wird diese Methode die urspr¨unglichen Farben reproduzieren k¨onnen, eine Eigenschaft, die konkurrierendenMethoden fehlt. Die Grundidee ist, die einfallende Beleuchtung durch simulierte Lichtmessung in der Szene zu messen und die daraus resultierende Skalierung auf die berechneten Farbwerte anzuwenden. Neben diesen eigenen Beitr¨agen werden andere relevante Ans¨atze besprochen. Wir beschreiben die Transformation von Tumblin und Rushmeier, die Kontrastbasierte Methode von Ward, das weitverbreitete Verfahren mit Durchschnittsbildung, den exponentiellen Ansatz von Ferschin et al., Schlicks Abbildung, ein auf Sichtbarkeit beruhendes Verfahren zur Farbtransformation von Larson et al. und einen visuelle Adaption ber¨ucksichtigenden Ansatz von Ferwerda et al. Leider gibt es keine letztg¨ultige L¨osung zur Farbtransformation. Jede Methode hat St¨arken und Schw¨achen, und der Benutzer sollte die geignete Methode w¨ahlen k¨onnen. Die Arbeit endet mit der Pr¨asentation eines Algorithmus zur Berechnung der Farbbilddifferenz. Eine gute Metrik zur Bewertung des Farbabstandes zweier Bilder wird in der Computergraphik oft ben¨ otigt, ist aber nicht leicht zu konstruieren. Die in dieser Arbeit beschriebene Metrik beruht auf der menschlichenWahrnehmung und arbeitet im Bildbereich. Eine Fourier- oderWavelet- Transformation ist daher nicht n¨ otig, was das Verfahren schnell und intuitivmacht. DieseMethode ist die einzige, die explizit den Abstand des Beobachters zum Bild in Betracht zieht. - Tone mapping is the final step of every rendering process. Due to display devices nonlinearities, reduced color gamuts and moderate dynamic ranges it is necessary to apply some mapping technique on the computed radiances. We described mapping methods that are considered to be state of the art today, and some newly developed techniques. The main contributions of this thesis in tone mapping techniques are interactive calibration of contrast and aperture, minimum information loss methods and incident light metering. The interactive calibration technique makes it possible to display a desired scene lighting atmosphere if the radiance values are rendered in fictitious units. Minimum information loss techniques are based, in a way, on the photographers approach. The mapping function is applied only on a certain radiance interval, which is chosen automatically. The original contrast of all pixels inside the interval is preserved. Furthermore, the bounded error version of the minimum loss method is an extension of Schlick s method. The incident light metering method was inspired by the photographers approach, too. This method makes it possible to reproduce original colors faithfully. Even if the average reflectance of a scene is very low, or very high, this method will reproduce original colors, which is not the case with other methods. The idea is to measure the incident light using diffusors in the scene, and then to compute a scale factor based on the incident light and apply this scale factor on the computed radiances. Beside these, other tone mapping techniques are described in this work. We described Tumblin and Rushmeier s mapping, Ward s contrast based scale factor, the widely used mean value mapping, an exponential mapping introduced by Ferschin et al., Schlick s mapping, a visibility matching tone operator introduced by Larson et al., and a model of visual adaptation proposed by Ferwerda et al. Unfortunately there is no ultimative solution to the tone mapping problem. Every method has its strengths and weaknesses, and the user should choose a method according to his or her needs. Finally, this thesis ends with a color image difference algorithm. Agood image metric is often needed in computer graphics. The method described here is a perception based metric that operates in the original image space (there is no need for Fourier or wavelet transform), what makes the whole method fast and intuitive. This is the only method that stresses distance dependency explicitly.