Lexikon: Der Computergrafik und Bildverarbeitung

362 Pages·1994·14.655 MB·German

by  Alfred Iwainsky, Wolfgang Wilhelmi (auth.)

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
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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