QuadLOD: Uma Estrutura para a Visualização Interativa de Terrenos

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Júlio César Antunes Angelim
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1 QuadLOD: Uma Estrutura para a Visualização Interativa de Terrenos Rodrigo Penteado R. de Toledo Orientador: Marcelo Gattass Co-orientador: Luiz Velho PUC-RIO - TecGraf

2 OBJETIVO Gerar imagem a partir dos dados de um terreno. Trocar o ponto de vista em tempo real.

3 MODELAGEM DIGITAL DE TERRENOS Modelo Representação Reconstrução

4 MODELO Função de duas variáveis:

5 REPRESENTAÇÃO Amostras de alturas: Grade regular Distribuição irregular

6 RECONSTRUÇÃO Superfície poligonal de altura: (malha de triângulos) Malha regular Malha irregular

7 PIPELINE Coleta de Dados (Grade regular) Adaptação à Geografia (Amostras esparsas) Triangulação (Malha de polígonos) Representação por Níveis de detalhe (Estruturas de multi-resolução)

8 PIPELINE Coleta de Dados (Grade regular) Adaptação à Geografia (Amostras esparsas) Triangulação (Malha de polígonos) Representação por Níveis de detalhe (Estruturas de multi-resolução)

9 PIPELINE Coleta de Dados (Grade regular) Adaptação à Geografia (Amostras esparsas) Triangulação (Malha de polígonos) Representação por Níveis de detalhe (Estruturas de multi-resolução)

10 PIPELINE Coleta de Dados (Grade regular) Adaptação à Geografia (Amostras esparsas) Triangulação (Malha de polígonos) Representação por Níveis de detalhe (Estruturas de multi-resolução)

11 PIPELINE Coleta de Dados (Grade regular) Adaptação à Geografia (Amostras esparsas)? Triangulação (Malha de polígonos) Representação por Níveis de detalhe (Estruturas de multi-resolução)

12 Câmera Virtual VISUALIZAÇÃO

13 RESOLUÇÃO E VISUALIZAÇÃO Câmera Perto Câmera Longe

14 VISUALIZAÇÃO DE TERRENO Terreno visto inclinadamente

15 COMO SELECIONAR A RESOLUÇÃO? FUNÇÃO ADAPTATIVA Critérios (geométricos e/ou perceptuais): Distância Projeção dos polígonos Silhueta Centro da imagem Velocidade

16 EXEMPLO DE FUNÇÃO ADAPTATIVA Função Adaptativa baseada em distância (usada na implementação)

17 ESTRUTURAS HIERÁRQUICAS Classificação: Não Adaptativas: Estruturas de Multi-resolução Estruturas Progressivas Adaptativas: Estruturas de Resolução Variável

18 ESTRUTURAS DE MULTI-RESOLUÇÃO Construção: refinamento global Malhas regulares

19 ESTRUTURAS PROGRESSIVAS Construção: Simplicamento local Malhas irregulares Ordem das operações pré-fixada Obs: Pode ser armazenado com seqüência de operações

20 ESTRUTURAS DE RESOLUÇÃO VARIÁVEL Construção: Operações locais (refinamento ou simplificação) Malha Base Malhas regulares ou irregulares Ordem das operações não é fixa Representação: DAG grafo de dependência (interferência) Malha Final

21 ESTRUTURAS HIERÁRQUICAS E VISUALIZAÇÃO Permitem visualização interativa Construção da estrutura em pré-processamento Extração em tempo real Estrutura adequada: Resolução Variável Malhas Regulares Malhas Irregulares

22 QuadLOD Malha irregular com estrutura regular. Combina vantagens de estruturas regulares e irregulares. Conceitos: Bloco Regular Estrutura Regular Subjacente Estrutura Regular em Multi-resolução

23 BLOCO REGULAR Região retangular de uma malha irregular. Interior: malha irregular. Fronteira: quatro poligonais retas.

24 ESTRUTURA REGULAR SUBJACENTE União da fronteira dos blocos regulares

25 Estrutura Regular em Multi-resolução Decomposição hierárquica do domínio

26 ESTRUTURA QuadLOD Malha irregular de resolução variável com uma estrutura regular de multi-resolução

27 Representação da QuadLOD Decomposição hierárquica: árvore quaternária. Cada nó: malha progressiva Compatibilidade: Triangulação dos nós pais e filhos Restrição de fronteira

28 ANÁLISE Vantagem Desvantagem Estrutura Hierárquica irrestrita Triângulos Finos

29 CONSTRUÇÃO DA QuadLOD Pré-processamento Construção da Hierarquia Simplificação dos Blocos Regulares

30 PRÉ-PROCESSAMENTO Objetivo: Gerar malha irregular com estrutura regular subjacente. Pré-processamento depende do dado de entrada. Mapa de Alturas Malha estrutura regular

31 CONSTRUÇÃO DA HIERARQUIA Objetivo: Montagem da quadtree (decomposição hierárquica do domínio)

32 SIMPLIFICAÇÃO DOS BLOCOS REGULARES Objetivo: Obter uma estrutura de multi-resolução. Construção da malha progressiva (biblioteca MLOD).

33 ETAPAS DA CONSTRUÇÃO DA QuadLOD Triangulação irregular com Estrutura regular subjacente Dado original do terreno Mapas de Altura 1.0 Pré-Processamento 2.1 Construção da Hierarquia Decomposição hierárquica do domínio 2.2 Simplificação dos Blocos Regulares Estrutura regular subjacente em Multi-resolução

34 VISUALIZAÇÃO COM QuadLOD Interatividade: malha compatível com a resolução da tela. frame rate constante (15 a 30 frames por segundo) Algoritmo: Visualiza() { Lê estrutura que represente o terreno Para sempre { Obtém parâmetros de câmera malha = EXTRAI_MALHA (parâmetros) Desenha (malha) } }

$EXTRAÇÃO DA MALHA EXTRAI_MALHA(parâmetros) { Calcula uma função de adaptação DECIDE_RESOLUÇÃO_MALHA (função de adaptação) Retorna a malha com a$

35 EXTRAÇÃO DA MALHA EXTRAI_MALHA(parâmetros) { Calcula uma função de adaptação DECIDE_RESOLUÇÃO_MALHA (função de adaptação) Retorna a malha com a resolução calculada } Função adaptativa: distância projetada e normalizada [0,1]. Vantagens: Bons resultados perceptuais. Pode-se usar o Z-Buffer.

36 DECIDE_RESOLUÇÃO_MALHA Duas etapas: 1. Cálculo da resolução ideal 1.1. Escolha do nível hierárquico (top-down) 1.2. Escolha da resolução do nó 2. Cálculo da resolução a ser desenhada 2.1. Transição

37 TRANSIÇÃO Evita descontinuidade na troca de resolução. Interpola entre última malha desenhada e a ideal. Faz uso da malha progressiva. (interpola posição dos vértices)

38 TEXTURA Exemplos: Foto de satélite Mapa temático Imagem pré-iluminada do terreno.

independe da resolução da malha Iluminação em tempo real Resposta

39 TEXTURA E ILUMINAÇÃO Imagem pré-iluminada Aplicação de textura é mais eficiente que o cálculo de iluminação A resolução do sombreamento independe da resolução da malha Iluminação em tempo real Resposta imediata a qualquer alteração na fonte de luz (posição, intensidade ou cor)

40 EFEITOS FOG (simula atenuação d água no fundo mar)

41 TESTES Experimentos: 2 terrenos 3 caminhos 3 plataformas Medições: frames por segundo triângulos desperdiçados triângulos em transição tamanho dos triângulos

42 Terrenos Terreno Submerso: Terreno Bolívia: (60 milhões de amostras 725 mil triângulos) (1,6 milhões de amostras 230 mil triângulos)

43 CAMINHOS SUBMERSOS Caminho Submerso1 Caminho Submerso2

10000 5000 a b c g h 0 1 101 201 301 401 501

44 RESULTADOS CAMINHO SUBMERSO1 Triângulos desenhados por frame: d e f a b c g h Triângulos desperdiçados e bons:

45 RESULTADOS CAMINHO SUBMERSO2 Caminho de ida e volta. (a) (b) (a) (a) (b) (a) (triângulos por frame) A volta é de marcha ré. (frame rate)

46 RESULTADOS CAMINHO BOLÍVIA Triângulos desenhados por frame:

47 Análise de 1 frame Histograma do tamanho dos triângulos Frame 632 do caminho Submerso1: QuadLOD (5944) Sem Simplificar (56382) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% menor que 1 de 1 a 20 maior que 20 Frame 328 do caminho Bolívia: QuadLOD (7183) Sem Simplificar (32129) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% menor que 1 de 1 a 20 maior que 20

48 APLICAÇÃO VÍDEO

49 CONCLUSÃO QuadLOD: nova estrutura para representação digital de terrenos Vantagens: Permite a visualização interativa de terrenos complexos Combina características de malhas regulares e irregulares

50 ANÁLISE Estrutura regular facilita a construção e uso da representação Função adaptativa baseada em distância teve bons resultados Grande proporção de triângulos desperdiçados. O uso do Z-Buffer para a visualização permite visualização de outros objetos.

51 TRABALHOS FUTUROS Acesso à memória secundária. Aperfeiçoar cálculo da resolução transitória. Função adaptativa mais sofisticada. Triângulos com melhor razão de aspecto Explorar o uso de textura em multi-resolução. Estender a QuadLOD para malhas genéricas. Investigar outras aplicações para a QuadLOD.

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