Visualisierung von 3D-Modellen

  erste Fassung:
18.8.1997

 
Kapitelübersicht:

Schein oder Sein

vektororientierte Darstellungsmethoden

Rendering-Methoden

Methoden zur Bildverbesserung

bewegte Bilder

weiterführende Informationen im Glossar
 

kursiv markierte Links verweisen auf GLOSSAR.de

 
Schein und Sein

Es hat schon ein bißchen mit dem Blick in die Kugel einer Wahrsagerin zutun, dieser Wunsch von Technikern, Designern und Architekten, sich ihre Konstruktionen und Entwürfe so realistisch wie möglich anschauen zu können - bevor sie Realität werden. Und der Wunsch ist auch verständlich, werden doch an den Reißbrettern (aussterbend) und CAD-Anlagen (auf dem Vormarsch) vorrangig immer wieder nur Erstlinge entworfen, deren späteres Aussehen sehr häufig und sehr früh "Laien" (Managern, Banken, Bauherren,...) anschaulich gemacht werden müssen. Aber nicht nur zu Präsentationszwecken werden solche Ausblicke in die Zukunft benötigt, sie helfen auch direkt bei der Konstruktion, indem Details, Anschlüsse, Knoten oder Ecken, in denen z.B. gleich mehrere Planungsebenen aufeinandertreffen, realistisch dargestellt werden.

Waren es früher vorrangig maßstäbliche Modelle, so wird heute mehr und mehr die preiswerte Rechenleistung von Computern genutzt, um in Form von Standbildern, Animationen oder RealTime-Simulationen die Noch-nicht-Realität zu veranschaulichen. Dazu werden dreidimensional aufgebaute Computermodelle benötigt, die häufig noch ausschließlich für die Visualisierung aufgebaut werden. Besonders interessant wird die Visualisierung von Erstlingen mittels Computer aber natürlich dann, wenn die ganze Konstruktion bereits dreidimensional erfolgt. Denn einen Vorteil hat ein dreidimensionales CAD-Modell gegenüber dem altehrwürdigen Knet-, Papp- oder Styropor-Modell auf jeden Fall: es ist früher verfügbar und reagiert auf Änderung der Konstruktion automatisch (Bild von Animotion, Achim).

Daß solche Darstellungen bis zum Fotorealismus getrieben werden können, ist inzwischen in allen Publikationen zum Thema ausreichend zu begutachten. So weit muß man aber gar nicht gehen. Die technischen Möglichkeiten allein, sollten noch lange nicht zur unreflektierten Er- und Bearbeitung solcher hochwertigen, realitätsnahen Abbildungen verleiten. Diese können in vielen Fällen eine Mixtur aus Wissen, Erfahrung und Einfühlungsvermögen voraussetzen, die man sich nicht für ein bis zwei Anwendungsfälle pro Jahr aneignet. Es können nämlich Techniken und Know-how gefragt sein, die außerhalb normalen Ingenieurs- und auch landläufigen Computerwissens liegen – wie beispielsweise physikalische Kenntnisse über Lichtbrechung, Reflexionen sowie Farbenlehre, dann Materialkenntnisse über Oberflächen, Leuchtkörper und Beschaffenheit von durchsichtigen Stoffen (Glas, Wasser,...), und nicht zu vergessen das Gespür für die Wirkung von Licht und Schatten. Selbst wenn die neueste Generation von Rendering-Programmen (so nennt man die Software, die im weitesten Sinne bunte Bilder erzeugt) den Anwender hervorragend bei der Bilderstellung unterstützt, so wird vom Laien eine "Nebenbei-Visualisierung" bewußt oder unbewußt schnell daran gemessen, was er tagtäglich als Jingles im Fernseher zu sehen bekommt – und die werden von Grafik- und Video-Profis auf spezialisierten Hochleistungs-Computer errechnet und mit zusätzlicher Videobearbeitung aufgemotzt. Renderings (von Rendering-Programmen erstellte Bilder und Animationen), die dagegen mit den typischen Boardmitteln (Zusatzfunktionen des verwendeten CAD-Programm oder Beigaben von Grafikkarten) auf PCs so nebenbei erstellt werden, können somit auch das Gegenteil von dem erreichen, was mit der Präsentation eigentlich erreicht werden sollte - das muß nicht so sein, aber die Gefahr ist gegeben (siehe links). Um Erfolg zu haben, sollten sich also Art und Umfang einer Visualisierung nüchtern nach deren Zielen und Zweckmäßigkeiten richten – und nicht nach den technischen (aber möglicherweise nicht beherrschten) Möglichkeiten. Weniger ist dann häufig mehr.
 

vektororientierte Darstellungsmethoden

Die Varianten der 3D-Visualisierung sind ganz vielfältig. Die richtige herauszufischen, hängt vom Anlaß und den vorgegebenen technischen wie künstlerischen Möglichkeiten ab:

Immer ausgehend von einem bestehenden 3D-Modell (Flächen- / Volumenmodell) dürfte die einfachste Form der Visualisierung durch eine Verdeckte-Linien- (Be-) Rechnung (VLR). Um eine VLR-Darstellung zu erreichen, werden vom Computer die Elementkanten entfernt, die ganz oder teilweise von anderen Elementen verdeckt werden. Es entsteht dabei eine zweidimensionale Grafik, die in der Regel wieder aus Vektoren besteht und wie jede andere 2D-Zeichnung mit den üblichen CAD-Werkzeugen manipuliert werden kann. Dieses ist häufig auch nötig, da Durchstoßkanten bei nicht perfekt modellierten Details (z.B. wenn ein Schornstein durch die Dachfläche stößt) zur Zeit selten automatisch erzeugt werden. (Natürlich sollte sich der Bearbeiter überlegen, ob die paar Minuten, die pro VLR-Bild für das Nachbessern von Durchdringungen anzusetzen sind, eine konsequenten Durchmodellierung rechtfertigen. Zu bedenken ist dabei auch, daß selten alle Details, die durchmodelliert werden müßten, nach einer Verdeckten-Linien-Berechnung noch sichtbar sind.)

Während die Funktionen zur Berechnung eines VLR-Zeichnung in der Regel zum Standard-Leistungsumfang eines 3D-CAD-Systems gehören, sind ergänzende Zusatzprogramme meistens nur optional erhältlich – wie z.B. Programme zum Verfremden von VLR-Resultaten (siehe links - erstellt mit Skribbel von softTECH)

VLR-Bilder eignen sich nach dem Ausplotten besonders auch zur manuellen grafischen Aufbereitung mit beispielsweise Airbrush-Techniken oder zur Kolorierung mit Hilfe von Farbstiften.
 

Rendering-Methoden

Per Computer kommt die Farbe in´s Bild mit Hilfe der bereits erwähnten Rendering-Programme. Diese Programme berechnen keine skalierbaren Vektor-Grafiken sondern Pixel-Bilder mit einer frei einstellbaren Auflösung von beispielsweise 600x480 oder 1200x1000 Bildpunkten. Je nach Anspruch und Anwendungszweck, sowie technischen Ausstattung und eingesetzter Software unterscheidet man mehrere Rendering-Methoden:

Beim Flat-Shading werden alle Flächen (Polygone) eines Elementes auf der Grundlage der Original-CAD-Farbe und der Ausrichtung zu EINER imaginären, meist fest vordefinierten Lichtquelle mehr oder weniger schattiert dargestellt. Im Unterschied zu weiter unten beschriebenen Methoden, werden beim Flat-Shading alle Bildpunkte einer Fläche mit der selbe Farbschattierung dargestellt. Das fällt besonders bei Kugeln auf, die je nach Aufteilung in Einzelpolygone ziemlich eckig aussehen können.

Durch eine Technik, die man Z-Buffering nennt, wird während der Bearbeitung eines Polygons für jeden einzelnen der zur Darstellung notwendigen Bildpunkte festgestellt, ob dieser aus Sicht des Betrachter vor oder hinter einem bereits ermittelten Bildpunkt liegt. Dadurch werden im übrigen Durchdringungen auch ohne exakte Modellierung sichtbar.

Gouraud-Shading	Phong-Shading

Auf den ersten Blick sind das Gouraud- und Phong-Shading miteinander verwandt (nach den jeweiligen Entwicklern benannt). Durch mathematisch unterschiedliche Verfahren (Stichwort: Anordnung und Interpolation der Flächennormalen) erzeugen beide Methoden auf den Modellflächen Farbverläufe, wobei aber das Phong-Shading wesentlich plastischere Resultate liefert – besonders deshalb, weil Lichtreflexionen besser herausgearbeitet werden (siehe auch Shading).Berechnungszeiten, die zur Bilderstellung anfallen, sind beim Shading vorrangig abhängig von der Anzahl der Flächen im Modell. Begünstigt durch Hardware, in der Z-Buffering-Technologie implementiert ist und die von dem eingesetzten Programm unterstützt werden muß, reduziert sich die Berechnungszeit auch bei großen Modellen auf einige Sekunden.

Fotorealismus ist mit diesen bisher genannten Methoden nicht machbar. Texturen (Oberflächendarstellungen) sind zwar möglich, und auch Schatten werden von diversen Programmen mit einigen Tricks in die Bildberechnung einbezogen ("Z-Buffer-Schatten", auch als "unechte Schatten" verschrieen), aber die perfekte Darstellung erfordert Spiegelungen, Transparenzen und Licht-Brechungen - berechnet mittels Raytracing (Strahl-Verfolgung).

Diese aufwendige Berechnungsmethode ermittelt für jeden einzelnen Bildpunkt einen Farbwert, indem – bildlich gesprochen – vom Auge aus durch den zu ermittelnden Bildpunkt auf das Model geschaut wird. Trifft dieser Seh-Strahl auf einen "Gegenstand" wird die Beschaffenheit und die Ausrichtung zu den Lichtquellen ermittelt. Falls notwendig – z.B. wegen einer spiegelnden Oberfläche – läuft der Seh-Strahl weiter, um festzustellen, was sich in der Oberfläche spiegelt. Die Berechnungszeiten, die beim Raytracing anfallen, sind also sehr abhängig von der Modellbeschaffenheit. Viel Glas, viele spiegelnde Oberflächen, viele Lichtquellen und natürlich die Bildgröße treiben die Berechnungszeiten nach oben.

So gut das Raytracing-Verfahren auch ist, Radiosity ist noch ein bißchen besser und wird – falls verfügbar – besonders gerne bei der Darstellung von Innenräumen verwendet. Gegenüber dem Raytracing, das nur definierte Lichtquellen bei den Schattenberechnungen berücksichtigt, ist beim Radiosity-Verfahren mit Hilfe eines gesondert zu berechnenden Energie- bzw. Beleuchtungs-Modells jede Fläche Licht abstrahlend. Neben noch perfekteren Bildern eröffnet das Radiosity-Verfahren auch weitere Möglichkeiten – z.B. die Simulation indirekter Beleuchtung und Lichtumlenkungen – aber auf PCs wird das Radiosity-Verfahren kaum angewendet.
 

Methoden zur Bildverbesserung

Die Qualität von Rendering-Bildern wird aber nicht nur bestimmt von der eingesetzten Rendering-Methode, sondern auch von Sensibilität, mit der feine Strukturen – z.B. Fugen oder dünne Geländerstäbe – berücksichtigt werden. Besonders bei kleinformatigen Bildern können starke Treppeneffekte und zerrissene Konturen den ganzen Bildeindruck zerstören wie in den beiden folgenden Bildern nachzuvollziehen ist:

mit Treppeneffekt
ohne Treppeneffekt

Allerdings muß auch festgestellt werden, daß das rechte Bild mehr als doppelt solange berechnet wurde wie das linke (siehe auch Anti-Aliasing, Modell von BASYS, Berlin).

Auch der extensive Einsatz von Texturen zur Darstellung von beispielsweise Holzoberflächen führt nicht zwangsläufig zum besseren Bild (siehe auch 2. Bild in diesem Aufsatz): je kleinformatigen das Bild, desto mehr ist eine Abstraktion zu bevorzugen.

Zu bedenken ist auch, ob bereits das Rendering-Programm das perfekte Bild erzeugen muß, oder ob man nicht später erst mit reinrassigen Bildverarbeitungsprogrammen den Hintergrund dazu setzt - oder kleine Farbveränderungen vornimmt oder Lichtreflexe setzt oder Beschriftungen ergänzt oder ... (wie im ersten Bild ganz oben zusehen)

bewegte Bilder

Mit der Vorstellung der wichtigsten Rendering-Methoden ist natürlich das Thema der 3D-Visualisierung noch lange nicht erschöpft. Alle beschriebenen Verfahren können nicht nur für die Erstellung von Einzelbildern angewandt werden; zumindest theoretisch lassen sich damit natürlich auch umfangreiche Animationen entwickeln. Zu bedenken ist aber, daß mindestens 15 Einzelbilder (besser noch 20 oder 24 Bilder) für eine Sekunde Animation benötigt werden. Das Raytracing-Verfahren läßt sich dazu aufgrund der verhältnismäßig langen Berechnungszeiten eines einzelnen Bilder für Animationen wohl kaum einsetzen – sofern man nicht mit dafür abgestellter Rechnerleistung ausgestattet ist.

Im kommen ist die RealTime-Simulation besser bekannt als Virtual Reality. Dann setzen sich beispielsweise Architekt und Bauherr gemeinsam vor den Bildschirm und gemeinsam können sie mit Maus oder Joystick die Noch-nicht-Realität durchwandern und besprechen. Anders als bei einer vorbereiteten Animation passiert hier die Bildberechnung so, wie die Kommandos gegeben werden. Diese Bilder sind selbst auf Großcomputern nicht immer photorealistisch, ihre Qualität besteht in der unmittelbaren Ansteuerung durch den Bediener. Und das wird es in Zukunft auch im INTERNET geben. Per VRML-Technik kann sich dann ein Interessent auf der Homepage eines Immobilienmaklers seine künftiges Domizil unverbindlich erst einmal genau anschauen – bevor er den näheren Kontakt sucht (siehe auch "Illustrationen im Internet").

weiterführende Informationen im Glossar:

Darstellen und Visualisieren
Rendering-Effekte

CAD
Bildformate (GIF, JPEG, PNG, ...)
IBR (Image-based Rendering)
Modellbildung
 

© Alfons Oebbeke, Neustadt 1997 - 2001
  
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