Computer graphics in historical and modern sky observations

Abstract

This PhD thesis contains three aspects of sky observations in combination with computer graphics.<br />The first part describes a novel diagram for research in archaeo-astronomy. It provides an intuitive visualisation for the analysis of archaeological survey maps with respect to astronomically motivated orientation of architectural structures. The analysis of Neolithic circular enclosures of Lower Austria indeed indicated the orientation of doorways towards certain rising or setting points of the sun and selected stars, which can be further explained as having a practical purpose. The presentation of results like this towards the general public by combination of virtual reconstructions and the sky simulation in a modern Planetarium is described in the following chapter.<br />The topic of the second part is the astrolabe, the iconic instrument of the Middle Ages for astronomical observation and computations. The author describes the construction of the astrolabe by methods of procedural modelling, where, instead of modelling each line explicitly, the geometric drawing is encoded in parametrized drawing rules which are then executed with the appropriate parameter set. The resulting 2D plots are optimized for print, and can also be used for driving a laser engraver to build instruments for hands-on demonstration in cultural heritage events.<br />The third and longest part deals with methods of sky simulation, rendering and capturing from the proper area of computer graphics. After an extended survey of the literature with many links from atmosphere physics, results from own sky luminance measurements are presented and compared to existing analytic models of the sky luminance, which shows that the model currently in widest use has significant shortcomings.<br />Hereafter, a calibrated photgraphic measurement system for capturing skylight is presented. The high dynamic range images generated can be used as scene backgrounds or for image based lighting in computer graphics renderings. However, the calibrated luminance channel allows applications in other fields, like the quantitative evaluation of nocturnal sky glow caused by urban light pollution. Some results are presented, and the implementation is described in an appendix.<br />The thesis closes with ideas for future work and some technical developments expected in the near future.<br />

Diese Arbeit behandelt drei Aspekte von Himmelsbeobachtungen in Kombination mit Computergraphik. Der erste Teil behandelt ein neuartiges Diagramm für die Archäo-Astronomie, das eine intuitive Visualisierung zur Untersuchung archäologischer Vermessungspläne auf Hinweise astronomisch motivierter Orientierungen von markanten Sichtlinien bietet. Eine darauf gestützte Untersuchung der jungsteinzeitlichen Kreisgrabenanlagen Niederösterreichs erbrachte tatsächlich klare Hinweise auf derart astronomisch motivierte Ausrichtung von Zugangstoren einiger dieser Anlagen, denen auch eine praktische Funktion zugeordnet werden kann. Die publikumsgerechte Aufbereitung der Ergebnisse durch Kombination virtueller Rekonstruktion mit der Himmelssimulation in einem modernen Planetarium ist Thema des folgenden Kapitels.<br />Der zweite Teil der Arbeit behandelt das Astrolabium, das astronomische Beobachtungs- und Recheninstrument des Mittelalters schlechthin. Zur Nachbildung dieses Paradebeispiels mathematisch-geometrisch konstruierter Instrumente mit Methoden der prozeduralen Modellierung wird die Konstruktionsanleitung in Prozeduren umgesetzt, die zur Erzeugung eines konkreten Instruments mit unterschiedlichen Parametern ausgeführt werden. Aus diesen 2D-Graphiken können 3D-Modelle und -- mittels Lasergravierer -- auch Instrumente aus Holz gefertigt werden.<br />Der dritte und längste Teil behandelt Methoden der Himmelssimulation, -darstellung und -erfassung aus dem Kernbereich der Computergraphik. Nach einer ausführlichen Literaturübersicht mit Querbezügen zur Literatur aus der Atmosphärenphysik wird anhand von Helligkeitsmessungen am klaren Himmel gezeigt, daß das derzeit meistverwendete analytische Himmelsmodell Mängel aufweist.<br />Danach wird ein kalibriertes photographisches Meßsystem zur Erfassung des Himmels präsentiert. Damit gewonnene ``High Dynamic Range''-Aufnahmen finden als Bildhintergrund für Außenszenen und ``image based lighting'' in der Computergraphik weite Anwendungen, können aber auch zur Untersuchung und Quantifizierung der nächtlichen Himmelshelligkeit und urbanen Lichtverschmutzung verwendet werden. Ergebnisse dieses Systems werden hier vorgestellt, die notwendigen Arbeitsschritte werden in einem Anhang beschrieben.<br />Die Arbeit schließt mit einigen Ideen für zukünftige Forschungen und einem Ausblick auf zu erwartende technische Entwicklungen.<br />