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Vimage Hintergrund

Schummerungsalgorithmik

filter algorithm lambert algorithm brewer algorithm

Schummerungen kann man auf völlig unterschiedliche Art und Weise erzeugen. Dabei hat jeder Ansatz seinen eigenen Charakter.

Filterschummerungen entstammen dem Elternhaus digitale Bildverarbeitung und erzeugen hochwertige tradierte Kartenbilder, wie u. a. in der mitteldeutschen (Gotha-Leipziger) Schule bekannt.

Die Lambert-Beleuchtung hat ihre verfahrenstechnische Heimat in der Computergrafik und wurde in der Schweiz insbesondere für Hochgebirgsdarstellungen perfektioniert.

Die Brewer-Schummerung ist ein urspünglich aus Amerika stammender, geomorphologisch basierter Ansatz, der beeindruckende Ergebnisse liefert.

Allen Verfahren ist aber der unbestreitbare Vorzug der analytischen Schummerung gemeinsam, weitgehend objektive und exakte Bilder zu liefern.


Filterschummerung

Bildfilter sind Verfahren die aus der digitalen Signalverarbeitung stammen und in der Rasterbildverarbeitung umfassend und in großer Vielfalt eingesetzt werden. Im Kern bestehen sie darin, Umgebungen von Pixeln auszuwerten, wobei typischerweise etwa von einer „3x3-“, „5x5-“ oder „17x17-Umgebung“ die Rede ist.

Wenn man z. B. die 9 Grauwerte einer 3x3-Umgebung eines jeden Pixels mit den Faktoren

-2-1 0
-1 0+1
 0+1+2

multipliziert, aufsummiert und auf das Zentralpixel zurückschreibt, wird aus einem Rasterhöhenmodell eine Schräglichtschummerung. Böschungsschummerungen sind mit sog. Gradientenfiltern leicht erzeugbar. Bei der Vimage-Kombinationsschummerung handelt es sich hingegen um ein speziell für Vimage entwickeltes Verfahren.

filter algorithm

Die Filter stellen ein ganzheitliches Instrumentarium dar, mit dem die Gesamtheit der kartographischen Reliefdarstellungen, alle Schummerungsarten, ja sogar Höhenlinien eingeschlossen, hergestellt werden können. Die Verfahren sind einfach, die Ergebnisse nicht abhängig von einer anzunehmenden Beleuchtung. Sehr gute kartengestalterische Variationsbreite, sehr gute Kombinierbarkeit. Die Feintextur gerät bei der Lambert-Schummerung aber oft etwas besser.

Filterschummerungen sind im Vimage-Schummerungsmenü: Schräglichtschummerung, Böschungsschummerung, Bergplatte, Kombinationsschummerung, Farb-Schräglichtschummerung, Farb-Kombinationsschummerung.

Eigenarten

  • Der Ebenenton erhält in Schräglichtschummerungen immer den korrekten Grauwert Null, wobei -127,5 = schwarz und 127,5 = weiß gilt, sog. Licht-Schattennorm.
  • Alle anderen Schummerungsarten werden in Druckfarbnorm (0 = weiß, 255 = schwarz) erzeugt.
  • Die Ebenenton der Schräglichtschummerung hat einen 50-%-Grauwert. Das ist zwar günstig zum Einmischen in andere Reliefdarstellungen, praktisch aber viel zu dunkel. Abhilfe: Aufhellen oder die visuell günstigere Lambert-Beleuchtung rechnen.
  • Anmerkung: In älteren Vimage-Ausgaben wurden die Winkel der Filterschummerung in nautischen Strichen geteilt (0¯ ... 32¯) angegeben. Nordwest = 28¯.


Lambert-Beleuchtung

Die Lambert-Beleuchtung ist ein Beleuchtungssimulationsverfahren, das aus der Computergrafik stammt. Mit Verfahren der Vektorrechnung werden Lichtvektoren und Normalenvektoren an Gelände-Oberflächenelementen berechnet. So wird die in einem Beleuchtungsfall reflektierte Lichtmenge ermittelt.

Resultat ist ein physikalisch exaktes Reflexionsmodell einer „Gipslandschaft“.

lambert algorithm

Das Licht kann hierbei in einem bestimmten horizontalen Lichtazimut und einer vertikalen Lichthöhe (jeweils in Grad) auf die Landschaft auftreffen. Gewöhnlich entsteht hierbei eine Schräglichtschummerung. Sofern man die Lichthöhe auf 90° setzt, erhält man eine Böschungsschummerung.

Ideale, physikalisch exakte Formenwiedergabe, feinste Licht-Schatten-Detaillierung. Beliebige Lichtazimute und -höhen, Überhöhungen und Pixelgrößen einstellbar. Ebenenton meist schwächer, als bei der Filterschummerung. Liefert auf Anhieb die besten Ergebnisse, die sich aber infolge ihrer „zufälligen“ Beleuchtungswerte nicht immer völlig problemlos mit anderen Reliefdarstelllungen kombinieren lassen.

Lambert-Beleuchtungen sind in Vimage: Lambertbeleuchtung, Farb-Lambertbeleuchtung.

Es ist nicht immer klar, was in der Lambert-Schummerung schwarz und was weiß bedeutet. Ab Vimage 4.1.270 werden Lambert-Schummerungen grundsätzlich in Druckfarbnorm transformiert. Durch die Angabe einer negativen Überhöhung lässt sich aber auch eine native Schummerung rechnen, die die physikalischen Besonnungswerte erhält. Dies können auch negativ sein.

  • Durckfarbnorm: weiß=0, schwarz= 255, Ebenenton „zufällig“. Gut vorhersehbare Ergebnisse beim Zusammenmischen mehrerer Layer, die alle in Druckfarbnorm stehen. Der Ebenenton wirkt aber verdunkelnd. Problemlos als Byte-Bild abspeicherbar.
  • Native Norm: Das bedeutet, dass Ebenenton 0 erzeugt wird, schwarz und weiß haben „zufällige“ Werte. Günstig, um die Schummerung in andere Darstellungen hineinzuaddieren. Lichthänge werden dann automatisch korrekt subtrahiert. Es kommt zu keinen Grautontonverfälschungen durch den Ebenenton. Vorsicht beim Abspeichern im Datentyp Byte: Negative Werte können dann verlorengehen.
  • Im Zweifelsfall rechne man nativ, die Druckfarbnorm lässt sich anschließend immer noch durch Radiometrie/In Druckfarbnorm transformieren einstellen.


Brewer-Schummerung

Die dritte Verfahrensreihe der Vimage-Schummerungen basiert auf geomorphologischen Geländeanalysen. Im Jahr 1993 wurde von Brewer und Marlow (Auto-Carto 11, Minneapolis) vorgeschlagen, Geländedarstellungen zu erzeugen, indem Hangneigung auf die Farbhelligkeit und die Farbsättigung und die Hangexposition auf den Farbton abgebildet werden.

Dabei entstehen zunächst sehr farbintensive Darstellungen:

brewer algorithm

Was zunächst „sehr bunt“ aussieht, erwies sich allerdings bei der Suche nach einem Algorithmus für eine Kombinationsschummerung äußerst wertvoll: Die „Brewer-Schummerung“ lässt sich so programmieren, dass kein Ebenenton auftritt!

Tatsächlich kann durch Farbphasenverschiebungen der Buntgrad der Darstellung im Extremfall bis monochrom reduziert werden. Es entstehen bemerkenswerte Reliefabbildungen mit hoher Exaktheit und Anschaulichkeit.

Der Ansatz ist interessant, steht in der Literatur allerdings relativ isoliert und trägt somit noch etwas Experimentalcharakter.

Es ist das Verdienst von Markus Wolf in seiner Diplomarbeit Bildverarbeitungsprogramm VIMAGE - Generierung von Höhenlinien aus DGM für analoge DTK und TK umfassende Versuche mit der Brewer-Schummerung angestellt zu haben, wobei Kartenbilder von bisher nicht für möglich gehaltener Anschaulichkeit und Schönheit entstanden sind.

Empfehlenswert, um eindrucksvolle graphische Effekte zu erzielen, man hüte sich aber vor zu großen Abständen der Farbphasen. Etwas Experimentierfreudigkeit erforderlich.

Die Brewer-Schummerung findet sich in Vimage unter: Brewer-Farbschummerung.

Eigenarten:

  • Brewer-Schummerungen bilden eine Klasse für sich, die es in der kartographischen Tradition nicht gibt.
  • Charakteristisch ist die Angabe von drei Farbphasenwinkeln.
  • Identische Winkel erzeugen monochromatische Schummerungen, auseinanderlaufende Phasenwinkel zunehmend farbsattere Ergebnisse.
  • Es gilt die Drehstromregel der Elektrotechnik: Tausch zweier Phasen kehrt die Drehrichtung des Farbkreises um.
  • Winkel der Brewer-Schummerung werden in Vimage in Grad (0° ... 360°) angegeben. Nordwest = 315°.

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