The photo-realistic reproduction of natural terrains is a classical challenge in computer graphics and the interactive display of non-trivial landscapes is only possible with recent graphics hardware. The reasons for this are the vast amount of data due to geometric detail of the terrain, vegetation and further objects, but also the inherent complexity of natural phenomena that are necessary to achieve convincing results. Realistic terrain rendering also has to consider the complex lighting conditions due to atmospheric scattering and further aspects such as the rendering of waterbodies and cloudscapes. One focus of this dissertation are procedural models for terrain elevation and texturing. They can either be used to create completely artificial, realistic landscapes, mimic real terrains by guiding the models with real-world data or augment acquired data with additional procedural detail. By this, we can reproduce natural scenes with the advantage of a compact procedural description. Another emphasis is placed on the interactive rendering of such terrains including specifically tailored level-of-detail methods and lighting computations for terrains and rendering techniques for complex plant models. We introduce a set of novel techniques and algorithms that address the aforementioned problems and achieve results in real-time with photo-realistic image quality using programmable graphics hardware. In particular, we propose new algorithms for a data-guided height field creation, realistic terrain surface texture generation, a novel level-of-detail method for terrain rendering and hardware friendly, efficient point-based rendering and splatting techniques. We also provide a comprehensive presentation of underlying theories and related work to put our work in perspective of the research area.

Die Reproduktion von natürlichen Landschaften in photo-realistischer Qualität ist eine der klassischen Herausforderungen in der Computergrafik und die interaktive Darstellung von nicht-trivialen Landschaften ist nur mit moderner Grafik-Hardware möglich. Die Gründe hierfür sind die gewaltigen Datenmengen, die aus dem geometrischen Detail der Landschaft, der Vegetation und weiteren Objekten resultieren, aber auch die inhärente Komplexität der natürlichen Phänomene, die simuliert werden müssen, um überzeugende Resultate zu erhalten. Realistische Landschaftsdarstellung muss u.a. die aufwändige Beleuchtungssituation aufgrund von atmospärischer Streuung und andere Aspekte, wie z.B. die Darstellung von Gewässern und Wolkenformationen, berücksichtigen. Einer der Schwerpunkte dieser Dissertation liegt auf prozeduralen Modellen für Landschaftsniveaus und -texturierung. Diese können entweder verwendet werden, um vollkommen künstliche, aber realistische Landschaften zu erzeugen, um reale Landschaften nachzuahmen, indem die Modelle reale Daten nachbilden, oder um erfasste reale Datensätze mit zusätzlichem prozeduralen Detail anzureichern. Dadurch ist es möglich, natürliche Szenen mit dem Vorteil einer kompakten, prozeduralen Beschreibung zu reproduzieren. Ein weiterer Schwerpunkt wurde auf die interaktive Darstellung dieser Landschaften gesetzt, wobei spezielle Detaillierungsgrad Methoden und Beleuchtungsberechnungen für Landschaften und Rendering Techniken für komplexe Pflanzenmodelle und Bodendetail zum Einsatz kommen. Dazu stellen wir neue Techniken und Algorithmen vor, die die oben genannten Probleme angehen und photo-realistische Bilder mittels programmierbarer Grafik-Hardware in Echtzeit erreichen. Insbesondere schlagen wir neue Algorithmen vor: Für die datengerichtete Erzeugung von Höhenfeldern; für die Erstellung realistischer Oberflächentexturen; für eine neuartige Detaillierungsgrad Methode zur Landschaftsdarstellung und effiziente Methoden für punktbasiertes Rendering und Splatting. Eine umfassende Beschreibung der zugrundeliegenden Theorien und zugehörigen Arbeiten erlaubt eine Einordnung dieser Arbeit in das entsprechende Forschungsgebiet.