Non-photorealistic Rendering in der medizinischen Visualisierung zur verbesserten Kontrastierung von CT/PET-Darstellungen E-Book
Simon Beisel
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- Herausgeber: GRIN Verlag
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2008
Diplomarbeit aus dem Jahr 2007 im Fachbereich Medien / Kommunikation - Multimedia, Internet, neue Technologien, Note: 1,0, Universität Paderborn (Institut für Medienwissenschaften, Universität Paderborn), Sprache: Deutsch, Abstract: Diese Diplomarbeit widmet sich der Anwendung von Non-photorealistic Rendering (NPR) in der computergrafischen Visualisierung. Nach einer Einführung in die Grundtechniken des Non-photorealistic Renderings werden insbesondere die Anwendungsmöglichkeiten von NPR in der medizinischen Visualisierung untersucht und eine eigene Lösungsentscheidung für die konkrete Problemstellung einer verbesserten Kontrastierung von CT/PET-Darstellungen vorgestellt und implementiert. Da das NPR einen sehr komplexen und umfangreichen Anwendungsbereich beschreibt, ist es erforderlich seine unterschiedlichen Ausprägungen hervorzuheben. Wichtiger Bestandteil aller Kapitel sind daher grafische Beispiele, die zwar den Umfang der Arbeit deutlich erhöhen, aber für die Veranschaulichung und zur Verdeutlichung von Unterschieden unerlässlich sind. Einleitend (Kapitel 2) erfolgt zunächst ein Überblick über die Gesamtthematik NPR, der eine Definition sowie die geschichtliche Entwicklung und Struktur des Non-photorealistic Renderings einschließt. Im weiteren teilt sich die Arbeit in drei Hauptteile auf, die eine sukzessive Fokussierung auf die Problemlösung zur verbesserten Kontrastierung von CT/PET-Darstellungen verfolgen. Die einzelnen Teile bauen jeweils auf den Erkenntnissen und Grundlagen der vorherigen Teile auf und erlauben so das Nachvollziehen der vorgestellten Sachverhalte. So werden in einem ersten Teil (Kapitel 3) verschiedene Grundtechniken, die als Basis der meisten NPR-Verfahren dienen, in einer Gliederung vorgestellt und untersucht. In diesem Kapitel ist die Blickrichtung allgemein und berücksichtigt sowohl mediale, künstlerische als auch erste medizinische Visualisierungsaspekte. Darauf aufbauend, wird der Fokus im zweiten Teil (Kapitel 4) auf den medizinischen Bereich, insbesondere auf die Visualisierung von CT- (Computertomographie) und PET-Daten (Positronen-Emissions-Tomographie), konzentriert. Dabei werden zunächst Aspekte aus der handgefertigten Illustration medizinischer und anatomischer Strukturen sowie der Einsatz von bildgebenden Verfahren in der Medizin vorgestellt. Außerdem wird ein Bewusstsein für die die medizinische Visualisierung betreffenden Problemstellungen geschaffen. Ebenso werden die Einsatzmöglichkeiten von NPR in der medizinischen Visualisierung untersucht.
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Danksagung
An dieser Stelle möchte ich allen danken, die mich bei und während der Anfertigung meiner Diplomarbeit unterstützt haben.
Besonderer Dank gilt meiner Familie und meinen Eltern, Götz und Barbara Beisel. Ihr wart mir in vielen Situationen verlässliche Ratgeber, habt mich immer wieder aufgebaut und mich besonders in der Schlussphase unterstützt.
Für deine Geduld, dein Verständnis und deine Liebe danke ich dir Elena Fingerhut. Ich weiß es sehr zu schätzen, dass und wie du mir zur Seite gestanden und mir Mut zugesprochen hast.
Eva Liedtke und Helmut Amann danke ich für ihre Zeit und schnelle Hilfe beim Korrekturlesen.
Dank gilt schließlich auch meinem Betreuer, Andreas Elsner, der sich stets ansprechbar zeigte und mich insbesondere bei Programmierproblemen in der Endphase meiner Arbeit hilfreich und tatkräftig unterstützt hat.
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Abstract
Diese Diplomarbeit widmet sich der Anwendung von Non-photorealistic Rendering (NPR) in der computergrafischen Visualisierung. In einem allgemeinen Überblick werden zunächst die Grundtechniken des Non-photorealistic Renderings vorgestellt. Anschließend werden die Anwendungsmöglichkeiten von NPR in der medizinischen Visualisierung aufgezeigt und ein eigener Vorschlag für die Lösung der konkreten Problemstellung einer verbesserten Kontrastierung von CT/PET-Darstellungen unterbreitet. Dieser baut auf der Darstellung von tiefenabhängig eingefärbten Konturlinien auf. Abschließend wird die Integration der selbst entwickelten Softwarelösung zur Findung und Darstellung von Konturen in das Projekt „Visualization of medical data” am Lehrstuhl für Computergrafik, Visualisierung und Bildverarbeitung an der Universität Paderborn erläutert.
This thesis deals with the application of Non-photorealistic Rendering (NPR) in the context of computer graphical visualization. Firstly, basic Non-photorealistic Rendering techniques are introduced in an overview. Next, the application of NPR in medical visualization is presented and the authors’ personal solution for a better contrasted display of CT/PET-visualizations is introduced. This solution is based on showing silhouette lines which are colored depending on depth. To conclude, the integration of the selfdeveloped software solution for finding and displaying silhouettes into the project “Visualization of medical data” in the Department of Computer Graphics, Visualization and Image Processing at the University of Paderborn is explained.
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Abkürzungsverzeichnis
CADComputer Aided Design
CTComputertomographieDVRDirect Volume RenderingGLUOpenGL Utility LibraryGPLGNU General Public LicenseISOInternational Standards OrganisationMRTMagnetresonanztomographiemsMillisekundeNPRNon-photorealistic RenderingOpenGLOpen Graphics LibraryOpenSGOpen SceneGraphPETPositronen-Emissions-TomographieRGBRed Green Blue (Rot Grün Blau)TAMTonal Art MapVDPVolumetric Data Point (=Voxel)XMLExtensible Markup Language
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1 Einleitung
Diese Diplomarbeit widmet sich der Anwendung vonNon-photorealistic Rendering(NPR) in der computergrafischen Visualisierung. Nach einer Einführung in die Grundtechniken desNon-photorealistic Renderingswerden insbesondere die Anwendungsmöglichkeiten von NPR in der medizinischen Visualisierung untersucht und eine eigene Lösungsentscheidung für die konkrete Problemstellung einer verbesserten Kontrastierung von CT/PET-Darstellungen vorgestellt und implementiert.
Da das NPR einen sehr komplexen und umfangreichen Anwendungsbereich beschreibt, ist es erforderlich seine unterschiedlichen Ausprägungen hervorzuheben. Wichtiger Bestandteil aller Kapitel sind daher grafische Beispiele, die zwar den Umfang der Arbeit deutlich erhöhen, aber für die Veranschaulichung und zur Verdeutlichung von Unterschieden unerlässlich sind. Einleitend (Kapitel 2) erfolgt zunächst ein Überblick über die Gesamtthematik NPR, der eine Definition sowie die geschichtliche Entwicklung und Struktur desNon-photorealistic Renderingseinschließt. Im weiteren teilt sich die Arbeit in drei Hauptteile auf, die eine sukzessive Fokussierung auf die Problemlösung zur verbesserten Kontrastierung von CT/PET-Darstellungen verfolgen. Die einzelnen Teile bauen jeweils auf den Erkenntnissen und Grundlagen der vorherigen Teile auf und erlauben so das Nachvollziehen der vorgestellten Sachverhalte. So werden in einem ersten Teil (Kapitel 3) verschiedene Grundtechniken, die als Basis der meisten NPR-Verfahren dienen, in einer Gliederung vorgestellt und untersucht. In diesem Kapitel ist die Blickrichtung allgemein und berücksichtigt sowohl mediale, künstlerische als auch erste medizinische Visualisierungsaspekte.
Darauf aufbauend, wird der Fokus im zweiten Teil (Kapitel 4) auf den medizinischen Bereich, insbesondere auf die Visualisierung von CT- (Computertomographie) und PET-Daten (Positronen-Emissions-Tomographie), konzentriert. Dabei werden zunächst Aspekte aus der handgefertigten Illustration medizinischer und anatomischer Strukturen sowie der Einsatz von bildgebenden Verfahren in der Medizin vorgestellt. Außerdem wird ein Bewusstsein für die die medizinische Visualisierung betreffenden Problemstellungen geschaffen. Ebenso werden die Einsatzmöglichkeiten von NPR in der medizinischen Visualisierung untersucht. Auf Basis der vorangegangenen Erkenntnisse wird für die Problemstellung der verbesserten Kontrastierung von CT/PET-Darstellungen ein eigener Lösungsvorschlag entworfen und beschrieben, der auf der Darstellung von Konturlinien aufbaut. Ergänzend wird ein tiefenabhängiges Einfärben der Konturlinien vorgestellt, das die räumliche Kontrastierung unterstützt. Dies führt zum abschließenden dritten Teil (Kapitel 5) dieser Arbeit, in dem die Integration des Lösungsvorschlags in das Projekt „Visualization of medical data” am Lehrstuhl für Computergrafik, Visualisierung und Bildverarbeitung an der Universität Paderborn vorgestellt wird. Dazu findet ein Einblick in den aktuellen Systemzustand des Projekts statt, der als Basis für die Wahl eines geeigneten Verfahrens zur Erkennung von Konturen dient. Das ausgewählte Verfahren wurde durch eigene Optimierungen und Erweiterungen ergänzt und angepasst. Dazu zählen Geschwindigkeitsoptimierungen und optische Erweiterungen wie das bereits erwähnte tiefenabhängige Einfärben der Konturlinien. Im Anschluss werden die Konzeption und Realisierung der
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zusätzlichen Erweiterungen und Optimierungen des Lösungsvorschlags aufgeführt. Anhand von repräsentativen Beispielen wird schließlich der Einsatz des erweiterten Systems mit verbesserten Kontrastierungsmöglichkeiten demonstriert.
Eine Zusammenfassung der erreichten Ergebnisse, ein Rückblick auf die Lösungsbewältigung sowie ein Ausblick auf weitere Ansatzpunkte und Projekte bilden den Abschluss der Diplomarbeit.
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2 Überblick Non-photorealistic Rendering
Dieses Kapitel gibt einen allgemeinen Überblick über die ThematikNon-photorealistic Rendering.Nach einer Definition des Begriffs und Skizzierung des Handlungsfeldes wird anschließend die bisherige geschichtliche Entwicklung vorgestellt. Bei der Betrachtung von NPR-Techniken lassen sich gemeinsame Strukturen und Eigenschaften extrahieren, welche in einem abschließenden Abschnitt behandelt werden.
2.1 Definition
In den letzten vier Jahrzehnten ist das Ziel des Generierens von möglichst fotorealistischen Darstellungen (demPhotorealistic Rendering)immer eine der treibenden Kräfte in der Forschung der Computergrafik gewesen. Per Computer generierte Grafiken wurden und werden folglich häufig an dem Maßstab Fotorealismus gemessen.
Doch nicht immer ist es nützlich Computergrafiken möglichst fotorealistisch zu gestalten. Abhängig vom Einsatzgebiet einer Grafik kann es von Vorteil sein, gerade durch nicht fotorealistische Darstellungsweisen Aspekte, wie z. B. relevante Informationen oder die Bedeutung von wichtigen Bildinhalten, hervorzuheben. Computergrafiken, die derart mittelsNon-Photorealistic Rendering-Technikenerstellt werden, müssen folglich vielmehr danach bewertet werden, wie gut sie Inhalte kommunizieren und Bedeutung bzw. Informationen übermitteln können. [vgl. Gooch/Gooch 2001, S. 1]
Abbildung 2.1: Beispielhafte NPR-Darstellungen1
Die vorangegangene Abbildung zeigt eine beispielhafte Auswahl der vielfältigen Darstellungsmöglichkeiten durch NPR. Die linke Darstellung des abgebildeten Maschinenteils wurde auf konventionelle - also möglichst fotorealistische - Art und Weise berechnet. Alle vier Maschinenteile auf der rechten Seite sind anschließend auf Basis der gleichen Vorlage durch Anwendung verschiedener NPR-Techniken entstanden.
1Watt/Policarpo 1998, Abb. 23.7.
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Zur Beschreibung des Nutzens und der Vorteile vonNon-photorealistic Renderingwerden im Folgenden drei Beispielsituationen genannt, in denen die Anwendung von NPR - oft im Gegensatz zu einer rein fotorealistischen Grafik - vorzuziehen ist.
Das Röntgenbild einer Verletzung, beispielsweise einer Knieverletzung, dient als erstes Beispiel. Für einen Laien ist ein Röntgenbild schwer zu „lesen“ und Einzelheiten sind für den ungeschulten Betrachteter kaum zu erkennen. Wird das Bild jedoch mit Hilfe von NPR und Computertechnik angereichert und werden wichtige Details optisch hervorgehoben, so können relevante In-formationen gezielter übermittelt werden. Ein Patient könnte so seine Verletzung und den Behandlungsvorgang viel besser nachvollziehen. [vgl. Gooch/Gooch 2001, S. 2] Ein zweites Beispiel ist die Fotografie eines Automotors. Diese Fotografie könnte gute Dienste leisten, um das dazugehörige Auto an einen Kunden zu verkaufen. Muss der abgebildete Motor jedoch repariert werden, so ist einem Mechaniker mit dieser Aufnahme wenig geholfen. Viel mehr Unterstützung bei dieser Aufgabe böte z. B. eine vereinfachte technische Zeichnung des Motors, bei der die für die Reparatur relevanten Stellen optisch hervorgehoben und besser zu erkennen sind. Auch diese Darstellung könnte mit Hilfe von Computertechnik undNon-Photorealistic Renderingerstellt werden. [vgl. Akenine-Möller/Haines 2002, S. 281] Als letztes Beispiel dient die Architektur. Die Erstellung von handgefertigten Darstellungen hat in der Architektur eine jahrhundertelange Tradition. Inzwischen wählen Architekten für die Zeichnung ihrer Entwürfe häufig die Unterstützung von Computerprogrammen, meistens von so genannten CAD-Systemen (Computer Aided Design-System). Ausdrucke dieser Programme entsprachen früher dabei exakt dem im Computer erstellten Modell und vermittelten daher den Eindruck eines bereits „vollendeten“ Entwurfs. Wenn es sich jedoch nur um einen ersten Grobentwurf handelte, störte viele Architekten diese makellose und exakte Darstellung. Oft zeichneten sie mit Pauspapier einen solchen Ausdruck per Hand „ungenauer“ und skizzenhafter nach. Diese Zeichnung konnte dann dem Kunden als erster Grobentwurf, der den Status der Unvollendetheit besser vermittelte, vorgelegt werden. Diese Problematik wurde erkannt, so dass NPR-Techniken - so genannteSketch-Renderer- entwickelt wurden, die den Arbeitsschritt des ungenauen Zeichnens nun ebenfalls für einen Architekten am Computer übernehmen. Strothotte et al. nahmen sich beispielsweise 1994 dieser Thematik an. [vgl. Strothotte et al. 1994] Schumann et al. führten 1996 zu diesem Thema eine empirische Studie durch, die an dieser Stelle zusätzlich für eine Nutzensargumentation von NPR-Techniken aufgeführt sei. Das Thema der Studie war der Vergleich eines architektonischen Bauentwurfs, der auf drei verschiedene Weisen computergrafisch dargestellt wurde:
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Abbildung 2.2: Drei computergrafische Varianten eines Architekturentwurfs2,3
Das Drahtmodell der ersten Darstellung (a) wurde mit Hilfe eines CAD Programms namensAutoCADTMerstellt. Die schattierte Grafik (b) entstand mit dem ProgrammRenderManTM. Die Zeichenskizze (c) wurde mit Hilfe einesSketch-Rendererserstellt. [vgl. Schumann et al. 1996, S. 37]
In einer Befragung von ungefähr 150 Architekten und Architekturstudenten in Deutschland wurde dabei unter anderem die folgende Hypothese untersucht:
„H1 For presentations of early drafts of architectural designs, sketches are the preferred over CAD plots and shaded images.” [Schumann et al. 1996, S. 37]
Es wurde also erwartet, dass die Befragten für den Frühentwurf einer Bauzeichnung die Variante (c) bevorzugen würden. Insgesamt 54 der befragten Personen (36 %), von denen wiederum 67 % angaben, dass sie regelmäßig mit einem CAD-Programm arbeiteten, antworteten auf den Fragebogen. Auf die Frage, welche der drei Darstellungen sie einem Kunden als Erstentwurf vorlegen würden, legten sich 52,8 % auf die Skizze, nur 33,3 % auf die CAD-Darstellung sowie 22,2 % auf die schattierte Darstellung fest. Hauptsächlich begründeten sie dies mit dem Argument, dass die skizzierte Darstellung den unvollständigen und vorläufigen Charakter eines Erstentwurfs betone und noch nicht zu sehr auf Details fokussiere, die in diesem Stadium noch gar nicht konkret festgelegt seien. Im Gegensatz dazu wählten nur 8,3 % die Skizze gegenüber 50 % für die CAD-Darstellung sowie 41,7 % für die schattierte Darstellung für eine Präsentation der finalen Entwurfsversion beim Kunden. [vgl. Schumann et al. 1996, S. 38ff] Aus den genannten Beispielen und dem Befragungsergebnis wird deutlich, dass eine nicht-fotorealistische Darstellung in vielen Situationen und Handlungsfeldern hilfreicher und informativer sein kann als eine exakte, möglichst physikalisch realistische oder gar fotorealistische Darstellung. So stellen auch Strothotte und Schlechtweg in einem Vergleich der Fotografie mit handgefertigten künstlerischen Darstellungen fest:
„Both before photography and after its advent, artists have made effective use of deviating from ‚realistic’ renditions of scenes. This freedom to encode an impression rather than being forced to follow physical constraints is considered the key to conveying information.” [Strothotte/Schlechtweg 2002, S. 6]
Die im Zitat angesprochene Übermittlung von Informationen strebt auch dasNon-photorealistic Renderingals eines seiner Ziele an:
2Zusammenstellung der Abbildungen aus: Strothotte/Strothotte 1997, S. 273.
3Originalabbildungen in: Schumann et al. 1996.
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”The goal of NPR is to enable users to lead human-computer dialogs with information exchange in a graphical form. The style of the images generated should be flexible so as to be most appropriate for the dialog at hand.” [Strothotte/Schlechtweg 2002, S. 24]
DasNon-photorealistic Renderingbeschreibt daher schon durch die Wortwahl selbst seine wichtigste Eigenschaft: Das Erstellen von Darstellungen, welche nicht dem fotorealistischen und physikalisch korrekten Abbild einer Vorlage entsprechen - meist im Sinne eines verbesserten grafischen Informationsaustauschs - ist das Ziel.
Der BegriffNon-photorealistic Renderingsteht stellvertretend für eine Reihe vieler weiterer Bezeichnungen, die sich im Laufe der Forschung in diesem Bereich etabliert haben. So ist beispielsweise der Fokus einiger Techniken rein auf „Non-realism“ gesetzt und der Terminus „Nonphoto“ wird eher nebensächlich oder gar nicht berücksichtigt. Abhängig von der Sichtweise und dem Ziel der verschiedenen Techniken gibt es weitere Begriffe, die Teilbereiche oder ähnliche Bereiche wie der BegriffNon-Photorealistic Renderingabdecken. Auszugsweise seien an dieser Stelle einige aufgezählt [vgl. Strothotte/Schlechtweg 2002, S. 10ff.]:
-Non-realistic Rendering:Dieser Terminus wurde erstmals von den Organisatoren der Eurographics’99-Konferenz gebraucht. Er steht unabhängig von der Berücksichtigung der Prämisse „Nicht-Fotorealismus“ dafür, dass Objekte nicht in ihrer exakten Beschaffenheit und Form computergrafisch wiedergegeben werden müssen, sondern ihr Erscheinungsbild vielmehr auch nicht realistisch sein kann.
-Comprehensible Rendering:DasComprehensible Renderingbeschreibt Verfahren, die auf eine bessere Verständlichkeit und Nachvollziehbarkeit einer gerenderten Computergrafik fokussieren. Die Grafik soll für einen Betrachter möglichst gezielt und verständlich Informationen übermitteln. Saito und Takahashi [Saito/Takahashi 1990], die diesen Begriff prägten, hatten dabei besonders die Anreicherung von 3D-Grafiken durch beispielsweise Farbgebung oder verstärkte Darstellung wichtiger Kanten, Linien und Formen im Blickfeld.
-Illustrative Rendering:Der durch Dooley und Cohen [Dooley/Cohen 1990a, 1990b] erstmals gebrauchte Begriff ist vielleicht derjenige, der sich am meisten auf die Funktion der Bedeutungs- und Informationsübermittlung von Computergrafiken und NPR bezieht. DasIllustrative Renderingmöchte mit Hilfe von zumeist vereinfachten und auf Wesentliches beschränkten Darstellungen von Computergrafiken, beispielsweise eines technischen 3D-Modells, dem Betrachter möglichst gezielt die wichtigsten Bildinhalte übermitteln.
-Artistic Rendering:Viele Forschungen im NPR-Bereich haben sich auf das Simulieren von Kunsttechniken konzentriert. So werden auf der einen Seite beispielsweise die Verfahrensweisen, wie z. B. Bleistiftzeichnungen oder Pinselmalerei, computergrafisch simuliert. Auf der anderen Seite gibt es aber auch Techniken, die einen eigenen künstlerischen Anspruch stellen oder gar die Techniken bestimmter Künstler oder Kunststile möglichst genau zu kopieren versuchen. All diese Techniken lassen sich gut unter dem umfassenden BegriffArtistic Renderingzusammenfassen, welcher erstmals unter Lansdown und Schofield [Lansdown/Schofield 1995] Verwendung fand.
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Anhand dieser nicht vollständigen Aufzählung lässt sich bereits erahnen, wie vielfältig und ausgeprägt die betrachtete Thematik ist. Trotz der genannten Alternativen steht in dieser Arbeit der BegriffNon-photorealistic Rendering,abgekürzt NPR, stellvertretend für das gesamte Handlungsfeld. Er ist zum einen der aktuell in der Fachliteratur und international am meisten gebrauchte Terminus, zum anderen gibt er durch die Wortwahl selbst eine globale Beschreibung des Handlungsfeldes, welche die Bereiche der alternativen Begriffe gut unter sich vereinen kann. Auch Strothotte und Schlechtweg gebrauchen in ihrem Lehrbuch zunächst den übergreifenden Begriff „Non-photorealistic Computer Graphics“, berufen sich für die Beschreibung des Handlungsfeldes aber ebenfalls spezifisch auf dasNon-photorealistic Rendering:
„The term of non-photorealistic computer graphics has come to denote the area of scientific and technological endeavor dealing with the computer generation of images and animations that, generally speaking, appear to be made in part ‘by hand.’ Such images often resemble those that, for example, architects, industrial artists, or scientific illustrators produce to communicate more or less specific information, often accompanied by text. They are characterized by their use of randomness, ambiguity, or arbitrariness rather than completeness and adherence to the portrayed objects’ properties. Non-photorealistic computer graphics involves all phases of processing that computer graphics in general uses. By far the most work has been done in what is denoted in this book by non-photorealistic rendering (NPR).” [Strothotte/Schlechtweg 2002, S. xvii]
Der Effekt, etwas sehe wie „von Hand gemacht“ aus, spielt also eine große Rolle beimNon-photorealistic Rendering.Die Inspiration und geschichtliche Herkunft der meisten NPR-Techniken liegen daher häufig in handgefertigten Darstellungen. Beispielsweise stehen Gemälde, Zeichnungen, Karten, Cartoons, technische oder medizinische Illustrationen und viele andere handgefertigte Werke Modell für die Entwicklung von NPR-Techniken. Nicht selten geben sie zugleich auch den Maßstab und das Ziel vor, den die Techniken anstreben und erreichen wollen.
2.2 Geschichtliche Entwicklung
Nachdem vorangehend eine Einführung in die ThematikNon-photorealistic Renderingstattge-funden hat, betrachtet dieses Kapitel die geschichtliche Entwicklung und die Anfänge im Bereich der Forschung zu NPR. Das Kapitel ist chronologisch aufgebaut und erläutert auszugsweise an-hand von wichtigen Veröffentlichungen den Verlauf der Entstehung erster NPR-Techniken. Die Veröffentlichung der ersten Forschungsarbeiten zum Thema NPR fand in den 80er Jahren statt. Hierbei ging es zunächst um Versuche, handgefertigte Darstellungen und deren Techniken zu simulieren. Strassmann [Strassmann 1986] stellte eine Technik für das Simulieren von Pinselstrichen (Hairybrushes)vor. Mit seinem Prototyp konnte ein Benutzer am Computer interaktiv Pinselstriche zeichnen. Das Rendern eines Striches konnte dabei jedoch noch bis zu zwei Minuten dauern. Dennoch verband er mit der Entwicklung seines Systems die Hoffnung, dass sich gar Animationen, in diesem Fall von Pinselmalereien, erstellen lassen würden. Auch dies gelang ihm in einem ersten Prototyp.
Sasada [Sasada 1987] stellte in seinem Paper verschiedene Techniken vor, um mit Hilfe von Computergrafik Darstellungen von Landschafts-, Luft- und Seeansichten zu simulieren. Dabei entnahm er die Konventionen zur grafischen Darstellung aus handgefertigten Gemälden und
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Illustrationen und konzentrierte sich hauptsächlich auf verschiedene Arten von Schraffiertechniken. Sein Ziel war es, durch die Anwendung seiner Technik, den Berechnungsaufwand für die Darstellung von Landschaftsaufnahmen - beispielsweise bei der Animation von Städten in ihrem geografischen Kontext - reduzieren zu können.
Vermeulen und Tanner hatten mit ihrem System namensPencilSketch[Vermeulen/Tanner 1989] die Simulation von Bleistiftzeichnungen zum Ziel. Mit der Maus konnte ein Benutzer interaktiv auf einer zweidimensionalen Ebene den Härtegrad des Bleistifts, den Druck, mit dem er aufgesetzt wurde, und die Richtung der gezeichneten Striche beeinflussen. Weniger an der Simulation einer Technik an sich als an dem Gesamtergebnis orientierte sich Haeberli [Haeberli 1990]. Die Möglichkeit, anstelle von fotorealistischen Darstellungen eine abstrakte Darstellungsweise zu wählen, motivierte seine Arbeit. Er sah darin eine Möglichkeit, Bildinhalte besser vermitteln zu können:
„Graphic designers are experts at visual communication. In their work, graphic designers use photographic images when they are appropriate, but often chose to use more abstract images such as drawings or paintings. In many cases the designer must balance realism and effectiveness. Sometimes a realistic photographic image may be less effective than a stylized image.” [Haeberli 1990, S. 207]Die Erkenntnis, dass sich ein „stilisiertes Bild“ im Vergleich mit einem fotorealistischen Bild als geeigneter erweisen kann, erhielt also schon von Beginn an Einzug in die Entwicklung von NPR-Techniken.
Haeberli entschied sich, die Methoden der impressionistischen Maltechnik computergrafisch zu simulieren. Diese Maltechnik ist seiner Meinung nach besonders geeignet, die visuellen Informationen eines Bildes zu kontrollieren und zu bestimmen. So entwickelte er eine Methode, mit der künstliche oder echte Darstellungen interaktiv in ein digitales impressionistisches Gemälde um-gewandelt werden konnten. Der Benutzer konnte dabei durch Bestimmung von Attributen, wie Position eines Pinselstriches, Farbgebung, Strichbreite, Strichrichtung und Strichform, Einfluss auf die Gestaltung des Bildes nehmen und hatte so die Möglichkeit individuell Details hervorzuarbeiten. Die folgende Abbildung zeigt grob die schrittweise Erstellung eines Gemäldes mit der Technik von Haeberli:
Abbildung 2.3: Schrittweise Erstellung und Verfeinerung eines digitalen Gemäldes4
4Haeberli 1990, S. 208.
