3D und Virtual Reality

Im Gegensatz zu statischen zweidimensionalen Bildern k√∂nnen dreidimensionale Repr√§sentationen von Objekten aus jeder Richtung betrachtet, skaliert und rotiert werden. Ein Punkt in einem 3D-Modell wird von seiner Lage auf der x-, der y- und der z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems beschrieben, wobei die z-Achse in diesem Zusammenhang √ľblicherweise die Tiefe, seltener die H√∂he, angibt.

Virtual Reality (Virtuelle Realität) bezeichnet digitale dreidimensionale Welten, mit welchen in Echtzeit interagiert werden kann.

3D-Inhalte k√∂nnen auf unterschiedliche Weise entstehen: durch manuelle Modellierung, wie Rekonstruktionen von Geb√§uden, durch Aufnahme, wie etwa einem 3D-Scan von Objekten, oder durch automatisierte Berechnung aus Fotos, wie etwa Photogrammetrie oder Structure from Motion. Von der Entstehungsweise h√§ngen weitere Angaben f√ľr die Dokumentation ab, die √ľber die hier angegebenen hinausgehen. Zus√§tzlichen Angaben sind in den jeweiligen Abschnitten in dem Kapitel Forschungsmethoden zu finden, wobei vor allem die Abschnitte Bauforschung, Geod√§sie, Geodatenanalyse und Materialaufnahme von Interesse sind. Au√üerdem bieten die Ergebnisse des Projektes 3D ICONS umfangreiche Informationen zur Dokumentation von 3D-Aufnahmemethoden und die anschlie√üende Verarbeitung.

Langzeitformate

3D-Inhalte sollten in einem offen dokumentierten, textbasierten Format (ASCII) gespeichert werden. Dies erm√∂glicht bei Bedarf die R√ľckentwicklung unabh√§ngig von einem bestimmten Programm.

Das zu verwendende Format h√§ngt von der Entstehungsweise und dem Zweck des 3D-Inhaltes ab, da unterschiedliche Formate unterschiedliche Eigenschaften und Elemente speichern, wie beispielsweise Geometrie, Texturen, Lichtquellen oder Standpunkt und Bildausschnitt (auch Viewport genannt). Eine √úbersicht √ľber die Speichereigenschaften von den hier empfohlenen 3D-Formaten wird in der Tabelle im Abschnitt Vertiefung gegeben.

Das vom Web3D Consortium entwickelte Format X3D (eXtensible 3D Graphics) ist seit 2006 unter ISO/IEC 19775/19776/19777 zertifiziert und eignet sich sowohl zur Speicherung von einzelnen 3D-Modellen, als auch komplexer 3D-Inhalte, wie etwa Virtual Reality. Es ist das Nachfolgeformat von dem seit 2007 unter ISO/IEC 14772-1 zertifizierten VRML-Format und sollte diesem daher vorgezogen werden.
    
Ein weiteres f√ľr komplexe 3D-Inhalte geeignetes Format ist das von der Khronos Group entwickelte COLLADA (collaborative design activity, DAE), das seit 2012 unter ISO 17506 standardisiert ist.

Das U3D-Format bietet einen √§hnlichen Funktionsumfang wie X3D und COLLADA und ist insbesondere f√ľr das Teilen von 3D-Inhalten in PDF-Dokumenten gedacht. Es ist nicht f√ľr die Langzeitarchivierung geeignet.

Die Formate OBJ, PLY und STL eignen sich nicht f√ľr komplexe Szenen mit Lichtquellen oder gar Animationen, bieten aber alle Eigenschaften, um die visuellen Oberfl√§cheneigenschaften eines 3D-Objektes zu speichern.

Aus dem CAD-Bereich stammt das Format DXF, welches neben 2D-Inhalten auch 3D-Inhalte speichern kann. Dieses Format sollte nur verwendet werden, wenn die 3D-Inhalte mit CAD-Software erstellt wurden. In der Industrie werden als alternative Formate auch IGES und STEP verwendet.

Nicht f√ľr die Langzeitarchivierung geeignet sind programmspezifische oder bin√§re Formate, wie beispielsweise FBX, 3DS, MAX, SKP, BLEND, PRC oder NXS.

Um zuk√ľnftigen Nutzern einen schnellen √úberblick √ľber die 3D-Inhalte zu bieten, ist die zus√§tzliche Speicherung von Bild- oder Videodateien, die einen ersten Eindruck des Modells vermitteln, zu empfehlen.

Hinweis: Bei der Konvertierung von einem 3D-Format in ein anderes k√∂nnen bestimmte Informationen verloren gehen, wenn sie von dem Zielformat nicht unterst√ľtzt werden. Zus√§tzlich zu dem gew√§hlten Archivierungsformat sollten die originalen Quelldateien, verwendete Texturdateien, Visualisierungen und alle weiteren Dateien, die f√ľr die Benutzung und das Verst√§ndnis des 3D-Modells relevant sind aufgehoben werden. In den entsprechenden Abschnitten in dem Kapitel Forschungsmethoden sind n√§here Details zu finden.

Die Abk√ľrzungen in der folgenden Tabelle geben die unterst√ľtzten Eigenschaften der 3D-Formate an: DG = Drahtgittermodell, P = Parametrisch, F = Farbe, X = Textur mittels Bild, B = Bumpmapping, M = Material, V = Viewport und Kamera, L = Lichtquellen, T = Transformationen, G = Gruppierung. Diese Begriffe werden in dem Abschnitt Vertiefung erl√§utert.

 

Format Begr√ľndung
  X3D Das X3D-Format wurde vom Web3D Consortium entwickelt und ist seit 2006 ISO-zertifiziert. Es darf nicht mit dem proprietären Format 3DXML verwechselt werden. Speichert: DG, P, F, X, B, M, V, L, T, G und Animationen.
COLLADA COLLADA (.dae) wurde von der Khronos Group entwickelt und ist seit 2012 ISO-zertifiziert. Es basiert auf XML und speichert: DG, P, B-Rep, F, X, B, M, V, L, T, G und Animationen.
OBJ Das offene OBJ-Format wurde von Wavefront Technologies entwickelt und hat eine weite Verbreitung gefunden. Material oder Texturen werden in gesonderten MTL- oder JPG-Dateien gespeichert, die auch archiviert werden m√ľssen. Speichert: DG, P, F, X, B, M und G.
PLY Das Polygon File Format (acuh Stanford Triangle Format) ist ein einfaches Format, das an der Universit√§t Stanford f√ľr Daten von 3D-Scannern entwickelt wurde. Mittels Erweiterungen k√§nnten weitere Eigenschaften gespeichert werden, die aber nicht von jedem Programm unterst√ľtzt werden. F√ľr die Langzeitarchivierung sollte die ASCII-Version verwendet werden. Speichert: DG, F, X, B und M.
¬† VRML Die Virtual Reality Modeling Language ist das Vorg√§ngerformat von X3D. Die j√ľngste Version wurde 1997 unter dem Namen VRML97 ver√∂ffentlicht. Speichert: DG, P, F, X, B, M, V, L, T, G und Animationen.
STL Das Format STL wurde von 3D Systems entwickelt. Es steht f√ľr stereolithography oder Standard Tessellation Language und findet weite Verbreitung im Bereich von 3D-Druckern und digitaler Fabrikation. Die ASCII-Variante des STL-Formats kann nur die Geometrie eines 3D-Modells speichern. Die Bin√§rvariante des Formates ist weniger speicherintensiv und kann mit einer entsprechenden Erweiterung auch Farben des 3D-Modells speichern, ist aber nicht f√ľr die Langzeitarchivierung geeignet.
DXF Das von Autodesk entwickelte Drawing Interchange Format stammt aus dem CAD-Bereich und sollte nur f√ľr 3D-Inhalte verwendet werden, die mit CAD-Software erstellt wurden. Speichert: DG, P, CSG, B-Rep, F und G.
¬† U3D Das Universal 3D Format ist ein 2005 von der Ecma standardisiertes 3D-Format, das vom 3D Industry Forum mit Mitgliedern wie Intel und Adobe Systems entwickelt wurde. Dieses Format ist nur f√ľr die Integration von 3D-Modellen in ein 3D-PDF relevant. Speichert: DG, F, X, B, V, L, T, G und Animationen.
FBX Ein propriet√§res Format von Autodesk, f√ľr den Datenaustausch mit anderen kommerziellen 3D-Programmen.
3DS, MAX Proprietäre binäre Formate von AutoDesk.
SKP Natives Format von Google SketchUp.
BLEND Natives binäres Format von Blender.
¬† PRC PRC (Product Representation Compact) ist ein stark komprimiertes Format f√ľr den CAD-Bereich und f√ľr die Verwendung in 3D-PDFs, das unter ISO 14739-1 standardisiert ist.
¬† PDF 3D-PDFs mit eingebetteten Modellen in U3D oder PRC eignen sich f√ľr einen unkomplizierten Datenaustausch, jedoch nicht f√ľr die Langzeitarchivierung.
¬† NXS Nexus ist ein von CNR-ISTI offen entwickeltes Format, f√ľr die Web-Visualisierung von 3D-Modellen.

Dokumentation

F√ľr die Dokumentation von 3D-Inhalten sollten die Leits√§tze der Londoner Charta ber√ľcksichtigt und eingehalten werden. Dabei ist insbesondere "Leitsatz 4: Dokumentation" wichtig, dessen erster Absatz lautet:

"Es sollen gen√ľgend Informationen dokumentiert und weitergegeben werden, um das Verstehen und Bewerten der computergest√ľtzten Visualisierungsmethoden und -ergebnisse in Bezug auf die Zusammenh√§nge und Absichten, f√ľr die sie eingesetzt werden, zu erm√∂glichen."

Dazu gehören unter anderem die Dokumentation der Forschungsquellen, die zur Erstellung des 3D-Modells herangezogen wurden, die Dokumentation der Prozesse, die im Verlauf der Modellerstellung durchlaufen wurden, die Dokumentation der angewendeten Methoden und eine Beschreibung der Abhängigkeitsverhältnisse zwischen den unterschiedlichen Bestandteilen.

Wenn das Dateiformat es erlaubt, sollte ein Teil der Metadaten zusätzlich dort integriert werden. Allerdings kann der Großteil der Metadaten nur extern abgelegt werden.

Die hier angegebenen Metadaten sind als minimale Angabe zu betrachten und erg√§nzen die angegebenen Metadaten f√ľr Projekte und Einzeldateien in dem Abschnitt Metadaten in der Anwendung.

Metadatum Beschreibung
Anzahl Eckpunkte Aus wie vielen Eckpunkten besteht das 3D-Modell?
Anzahl Polygone Wie viele Polygone hat das 3D-Modell?
Geometrietyp Welcher Geometrietyp wird verwendet (Drahtgittermodell, parametrisch, CSG, B-Rep etc.)?
Maßstab Welcher Maßstab liegt vor bzw. was stellt eine Einheit dar?
Koordinatensystem Wird ein geographisches Koordinatensystem oder ein beliebiges verwendet?
Modellstatus Handelt es sich bei dem Modell um das urspr√ľnglich erzeugte und unverarbeitete Modell (den Master) oder ist es ein Modell, das mittels weiterverarbeitenden Schritten, wie F√ľllen von L√∂chern, Vereinfachung oder Gl√§ttung aus dem Master erzeugt wurde?
Detaillierungsgrad (LOD) oder Auflösung Wie detailliert ist das Modell oder welche Auflösung wurde beim 3D-Scan verwendet?
Ebenen Werden Ebenen verwendet? Wie viele?
Farbe und Textur Werden Farben oder Texturen verwendet? Wie werden diese gespeichert? M√ľssen zus√§tzliche Texturdateien archiviert werden?
Material Informationen √ľber die Materialeigenschaften des Modells und ob sie physikalisch korrekt sind.
Licht Informationen √ľber die Lichtquellen und ob sie physikalisch korrekt sind.
Shader Werden spezielle, erweiterte Shader verwendet?
Animation Ist das Modell animiert? Welche Art von Animation wird verwendet (Keyframe, motion capture)?
Externe Dateien Eine Liste aller externen Dateien, die f√ľr das √Ėffnen der Datei notwendig sind (z.B. Texturen).

Weitere Metadaten sind methodenabhängig und können in den jeweiligen Abschnitten nachgelesen werden.

Weitere Inhalte

Polygone · Eckpunkte, vertices · Drahtgittermodell · Punktwolke · Geometrie · Parametrische Darstellung · Konstruktive Festkörpergeometrie · Begrenzungsflächenmodell · Oberflächeneigenschaften · Texturen · Materialeigenschaften · Bumpmapping · Shader · Szene · Lichtquellen · Kamera · Viewport · Detaillierungsgrad · Level of Detail (LOD) · Animation · Speichereigenschaften · London Charter · Konvertierung · 3D-PDF

3D_VerticesPolygone.png

Die gelb markierten Eckpunkte beschreiben das hervorgehobene Dreieck in dem 3D-Modell.
Die gelb markierten Eckpunkte beschreiben das hervorgehobene Dreieck in dem 3D-Modell.

Ein √ľbliches 3D-Modell besteht aus Eckpunkten (vertices), die Polygone beschreiben. Meistens handelt es sich dabei um Dreiecke. Sind die Eckpunkte und die zu den Polygonen geh√∂renden Kanten erfasst, spricht man von einem Drahtgittermodell (wire-frame model oder mesh). Sind nur die Eckpunkte erfasst, handelt es sich um eine Punktwolke, welche beispielsweise von 3D-Scannern erzeugt wird. Um eine Punktwolke weiter zu verarbeiten, muss diese vorher meist in ein Drahtgittermodell umgewandelt werden.

Die Inhalte von 3D-Modellen können in drei Kategorien eingeteilt werden: Geometrie, Oberflächeneigenschaften sowie Belichtungs- und Kameraparameter. Zusätzlich kann noch eine Animation oder eine Interaktion hinterlegt sein. Aus diesen Angaben wird die Visualisierung berechnet. Dieser Vorgang wird als Bildsynthese bezeichnet (rendering) und resultiert in statischen Rastergrafiken, Videos oder interaktive Modelle.

 

3D_DrahtgitterPunktwolke.png

Das Stanford Bunny links als Drahtgittermodell und rechts als Punktwolke.
Das Stanford Bunny links als Drahtgittermodell und rechts als Punktwolke.

Geometrie

Die Form eines 3D-Modells kann mit vier verschiedenen Methoden beschrieben werden: durch ein Drahtgittermodell oder Facetten, parametrisch mit mathematisch beschriebenen Kurven und Flächen, mittels geometrischen Körpern, der sogenannten Konstruktiven Festkörpergeometrie, oder durch die begrenzenden Oberflächen, dem sogenannten Begrenzungsflächenmodell.

Drahtgittermodell: Hierbei wird die Form des 3D-Modells durch dessen Eckpunkte beschrieben, welche wiederum eine Reihe von Polygonen bilden, die zusammen die Oberfläche des Modells darstellen. Drahtgittermodelle sind einfach und schnell zu rendern, jedoch sind bei Detailansichten von konkaven oder konvexen Oberflächen immer die Flächen und scharfen Kanten der einzelnen Polygone erkennbar. Mittels sogenannten Shading-Algorithmen kann beim Rendern der Eindruck von gleichmäßigen Oberflächen generiert werden. Jedoch ist dann an der Kontur immer noch die polygonale Herkunft zu erkennen, wie in der Abbildung im Abschnitt Oberflächeneigenschaften dargestellt.

Eine Annäherung an eine gleichmäßige Oberfläche kann auch durch eine größere Anzahl an kleineren Polygonen erzielt werden, was aber zur Folge hat, dass die Dateigröße des Modells wächst.

Parametrische Darstellung: Viele Kurven und Fl√§chen k√∂nnen mathematisch mit wenigen Parametern errechnet werden. Im Bereich der 3D-Grafik werden f√ľr die parametrische Darstellung h√§ufig NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines, nicht-uniforme rationale B-Splines) verwendet. Die Verwendung von mathematisch beschriebenen Kurven und Fl√§chen erlaubt eine in der Detailliertheit der Oberfl√§che verlustfreie Skalierbarkeit. Wird ein 3D-Modell mit parametrischen Fl√§chen in einem Format gespeichert, das diese nicht unterst√ľtzt, muss das Modell in Polygone umgerechnet werden, was dazu f√ľhrt, dass Informationen der Oberfl√§chenstruktur verloren gehen, was vergleichbar mit dem Informationsverlust bei der Konvertierung von einer Vektorgrafik in eine Rastergrafik ist.

Konstruktive Festk√∂rpergeometrie: 3D-Modelle k√∂nnen, anstatt durch Eckpunkte, Fl√§chen oder Kurven auch mit Hilfe von geschlossenen geometrischen K√∂rpern konstruiert werden. Dabei kann die Vereinigung, die Differenz oder die Schnittmenge der K√∂rper gebildet werden. Beispielsweise kann ein Verkehrsh√ľtchen aus der Vereinigung eines Kegels und eines flachen Quaders konstruiert werden. Daher wird diese Vorgehensweise als Konstruktive Festk√∂rpergeometrie (Constructive Solid Geometry, CSG) bezeichnet. Sie erfordert die Speicherung sowohl der einzelnen geometrischen K√∂rper, als auch der angewendeten Methoden, um eine sp√§tere Bearbeitung der Modelle einfach zu erm√∂glichen. Insbesondere Dateiformate aus dem CAD-Bereich ber√ľcksichtigen dies. Eine Konvertierung von Formaten, die CSG unterst√ľtzen, zu denen, die keine unterst√ľtzen, f√ľhrt zu Einschr√§nkungen bei der Bearbeitbarkeit, da nur noch Polygone und deren Eckpunkte ver√§ndert werden k√∂nnen. Eine Konvertierung von einem Polygonformat zu einem CSG-Format ist nur schwer m√∂glich.

Begrenzungsflächenmodell: Eine weitere Form der Speicherung der Geometrien von 3D-Modellen aus dem CAD-Bereich stellt das Begrenzungsflächenmodell (Boundary Representation, B-Rep) dar. Dabei wird das Modell durch dessen begrenzende Oberflächen beschrieben.

Oberflächeneigenschaften

Neben der Form m√ľssen f√ľr ein 3D-Modell auch Obefl√§cheneigenschaften gespeichert werden, die das Aussehen des Modells bestimmen. Neben der Farbe geh√∂ren dazu Texturen und Materialeigenschaften, die kombiniert zu einem sehr realistisch wirkenden 3D-Modell f√ľhren k√∂nnen.

Jedem Punkt einer Punktwolke oder den Eckpunkten und Polygonen können Farbwerte zugeordnet werden. Texturen können abstrakt als eine auf das Modell aufgebrachte Tapete verstanden werden. Beispielsweise kann auf einen einfachen Zylinder ein Bild von Holzmaserung aufgebracht werden, um einen Baumstamm fotorealistisch darstellen zu können. Dabei wird jedem Punkt im 3D-Modell ein Punkt aus dem zweidimensionalen Bild zugewiesen.

Auch die Materialeigenschaften k√∂nnen in einem 3D-Modell modelliert werden, um dem Objekt die gew√ľnschten Reflexionseigenschaften zuzuweisen, denn ein Holztisch weist bei Beleuchtung andere Eigenschaften auf als ein Glastisch. Hierf√ľr werden in dem Modell verschiedene Parameter gespeichert, welche diffuses Streulicht, spiegelndes Spekularlicht, Umgebungslicht, Transparenz, Lichtbrechung, Lichtemission etc. beschreiben.

Eine weitere Technik, um das Aussehen einer Oberfl√§che zu beeinflussen ist das Bumpmapping. Dabei werden mittels einer Textur die Normalenvektoren der einzelnen Polygone ver√§ndert, was dazu f√ľhrt, dass die Schattierungen und Reflexionen auf der Oberfl√§che ver√§ndert werden und somit Oberfl√§chenunebenheiten simuliert werden, die geometrisch eigentlich nicht vorhanden sind. Weitere Beispiele √§hnliche Techniken sind Normal Maps oder Transparency Maps, welche den Schattenwurf, die Reflektion und die Transparenz eines Objektes beeinflussen k√∂nnen.

3D_Bump.png

Links: Eine Textur und deren Anwendung auf ein 3D-Modell. Rechts: Mittels Bumpmapping wurde das IANUS-Logo auf ein 3D-Modell aufgebracht. Es erweckt den Anschein einer dreidimensionalen Veränderung der Oberfläche, jedoch hat sich in der Geometrie des Modells nichts verändert, was an den Umrissen zu erkennen ist.
Links: Eine Textur und deren Anwendung auf ein 3D-Modell. Rechts: Mittels Bumpmapping wurde das IANUS-Logo auf ein 3D-Modell aufgebracht. Es erweckt den Anschein einer dreidimensionalen Veränderung der Oberfläche, jedoch hat sich in der Geometrie des Modells nichts verändert, was an den Umrissen zu erkennen ist.

Die Oberfl√§cheneigenschaften werden mit Shadern beim Rendern visuell umgesetzt. Shader (dt. Schattierer) sind Programme, die mittels verschiedener Algorithmen unter Ber√ľcksichtigung der Lichtquellen die Farbe f√ľr jeden darzustellenden Pixel berechnen, um das Aussehen des 3D-Modells in der gerenderten Darstellung zu bestimmen. Ein Shader kann beispielsweise den Eindruck von gleichm√§√üigen Oberfl√§chen erzeugen, wie in der Abbildung dargestellt.

3D_Render.png

Das linke Modell wurde ohne speziellen Shader gerendert, weshalb die einzelnen Polygone zu erkennen sind. Wird auf das gleiche Modell ein glättender Shader angewendet, entsteht der Eindruck von gleichmäßigen Oberflächen, wie im rechten Teil der Abbildung.
Das linke Modell wurde ohne speziellen Shader gerendert, weshalb die einzelnen Polygone zu erkennen sind. Wird auf das gleiche Modell ein glättender Shader angewendet, entsteht der Eindruck von gleichmäßigen Oberflächen, wie im rechten Teil der Abbildung.

 

Belichtungs- und Kameraparameter

Wie einem Nutzer ein 3D-Modell angezeigt wird, hängt von dem Szenenaufbau ab. Dazu gehören die Größe des Viewports, die Positionierung des 3D-Modells darin, die Position der Kamera und die Lichteinstellungen.

Der Viewport ist dabei vergleichbar mit einer B√ľhne, die den f√ľr die Darstellung zur Verf√ľgung stehenden Bildausschnitt in seiner H√∂he, Breite und Tiefe definiert. F√ľr die Kamera muss nicht nur die Position, sondern auch die Blickrichtung gespeichert werden.

Werden 3D-Inhalte ohne Licht gerendert, wird ein schwarzes Bild erzeugt. Daher sind Lichtquellen notwendig, um die Szene auszuleuchten. Werden keine Angaben zu Anzahl, Position, Intensit√§t und Art der Lichtquellen gespeichert, bleibt dies dem Nutzer √ľberlassen oder sie werden gegebenfalls automatisch vom Programm gesetzt.

Die Szene kann ein oder mehrere Modelle umfassen, welche auch gruppiert werden können. Gruppierungen sind insbesondere dann notwendig, wenn ein Modell aus mehreren Teilen besteht. Dabei muss außerdem die Lage der Teile zueinander gespeichert werden. Es handelt sich dabei um Transformationen, die Verschiebungen, Drehungen oder Skalierungen der Objekte betreffen.

Bei der Darstellung von umfangreichen Szenen k√∂nnen unterschiedliche Detailstufen f√ľr die einzelnen Objekte verwendet werden. Beispielsweise kann eine Mauer im Vordergrund, nahe der Kamera sehr detailliert dargestellt werden, w√§hren ein Baum weit im Hintergrund nur grob angedeutet werden muss, wobei der Detailgrad von 3D-Modellen dabei von der Anzahl der Polygone abh√§ngt. Dieser Detaillierungsgrad wird als "Level of Detail" (LOD) bezeichnet und findet insbesondere dann Anwendung, wenn das Rendern von 3D-Modellen effizienter werden soll.

3D_LOD.png

Auswirkungen von verschiedenen Detaillierungsgraden (LOD) auf ein 3D-Modell. Das Stanford Bunny mit 69451, 3851 und 948 Polygonen.
Auswirkungen von verschiedenen Detaillierungsgraden (LOD) auf ein 3D-Modell. Das Stanford Bunny mit 69451, 3851 und 948 Polygonen.

Animation und Interaktion

F√ľr Animation und Interaktion ist die Speicherung von zus√§tzlichen Parametern erforderlich. Dies muss bei der Wahl eines Archivierungsformates ber√ľcksichtigt werden und erfordert zus√§tzliche Angaben in der Dokumentation. Werden Animationen beispielsweise als Videodateien exportiert, sollten die Hinweise in dem Abschnitt Bewegte Bilder, Videos ber√ľcksichtigt werden.

Speicherung der verschiedenen Eigenschaften

Nicht jedes 3D-Format unterst√ľtzt die Speicherung aller eben genannten Eigenschaften. Daher muss bei der Wahl des Speicherformates bedacht werden, welche Eigenschaften unbedingt erhalten bleiben sollen. Beispielsweise ist f√ľr ein gescanntes Objekt die Speicherung von Lichtquellen oder Animationen nicht unbedingt erforderlich, wohingegen bei einer Architekturrekonstruktion zur Darstellung von Lichtverh√§ltnissen die Lichtquellen unerl√§sslich sind.

Eine √úbersicht √ľber die Speichereigenschaften der hier empfohlenen Formate zur Langzeitarchivierung gibt die folgende Tabelle. Sie beruht auf "K. McHenry, P. Bajcsy, An overview of 3D data content, file formats and viewers".

Unterst√ľtzte Eigenschaften von verschiedenen 3D-Formaten. DG = Drahtgittermodell/Facetten, P = Parametrisch, F = Farbe, X = Textur mittels Bild, B = Bumpmapping, M = Material, V = Viewport und Kamera, L = Lichtquellen, T = Transformationen, G = Gruppierung. Leere Zellen bedeuten entweder fehlende Speichereigenschaften oder es wurden keine Angaben in der jeweiligen Formatspezifikation gefunden.

Format Geometrie Aussehen Szene Anim.
  DG P CSG B-Rep F X B M V L T G  
X3D ‚úď ‚úď ¬† ¬† ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď
COLL. ‚úď ‚úď ¬† ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď
OBJ ‚úď ‚úď ¬† ¬† ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ¬† ¬† ¬† ‚úď ¬†
PLY ‚úď ¬† ¬† ¬† ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ¬† ¬† ¬† ¬† ¬†
VRML ‚úď ‚úď ¬† ¬† ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď
STL ‚úď ¬† ¬† ¬† (‚úď) ¬† ¬† ¬† ¬† ¬† ¬† ¬† ¬†
DXF ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ¬† ¬† ¬† ¬† ¬† ¬† ‚úď ¬†
U3D ‚úď ¬† ¬† ¬† ‚úď ‚úď ‚úď ¬† ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď ‚úď

Die Tabelle ist nicht erschöpfend, da es noch viele weitere spezielle Eigenschaften von 3D-Inhalten gibt, die aber oft nur in spezialisierten, häufig proprietären Anwendungen und 3D-Formaten zum Tragen kommen. Daher ist außerdem zu empfehlen, dass die originalen Dateien ebenfalls archiviert werden, falls es sich dabei nicht schon um eines der hier angegebenen Formate handelt.

Im Umgang mit 3D-Inhalten m√ľssen in der Praxis einige Details beachtet werden. Dazu geh√∂ren die Hinweise aus der Londoner Charta und dass bei der Konvertierung von einem Format in ein anderes Informationsverlust auftreten kann. Die Weitergabe von 3D-Modellen kann mittels verschiedenen Portalen oder auch mit 3D-PDF erfolgen, deren Erstellung in diesem Abschnitt erl√§utert wird.

London Charter

Die Londoner Charta wurde 2006 ins Leben gerufen, um die digitale Visualisierung von Kulturgut so intellektuell und technisch rigoros wie andere etablierte Forschungsmethoden zu machen. Die Londoner Charta strebt danach, strenge Regeln im Umgang mit computergest√ľtzten Visualisierungsmethoden zu definieren. Es gibt sechs Leits√§tze:

  • Leitsatz 1 adressiert den Umgang mit der Londoner Charta.
  • Leitsatz 2, Ziele und Methoden, regt dazu an, dar√ľber nachzudenken, ob die computergest√ľtzte Visualisierungsmethode auch die geeignetste verf√ľgbare Methode f√ľr den gew√ľnschten Zweck ist.
  • Leitsatz 3, Forschungsquellen, thematisiert die Auswahl und Dokumentation des Quellmaterials f√ľr eine Visualisierung.
  • Leitsatz 4, Dokumentation, gibt wertvolle Hinweise dar√ľber, was bei dem Entstehungsprozess des 3D-Inhaltes alles dokumentiert werden sollte, um das Verstehen und den Umgang mit den Inhalten zu erleichtern.
  • Leitsatz 5, Nachhaltigkeit, behandelt die langfristige Zukunftsf√§higkeit und vor allem die langfristige Benutzbarkeit von 3D-Inhalten.
  • Leitsatz 6 thematisiert einen wichtigen Aspekt im Umgang mit Kulturg√ľtern, n√§mlich den Zugang zum Kulturgut mittels computergest√ľtzten Visualisierungen. Auch der Zugang zu den Visualisierungen selbst wird besprochen.

Konvertierung

In dem Abschnitt Vertiefung wurden die Speichereigenschaften von verschiedenen 3D-Formaten besprochen und in der Tabelle zusammengefasst. Die Speichereigenschaften spielen insbesondere dann eine Rolle, wenn von einem Format in ein anderes konvertiert werden muss, um beispielsweise von einem proprietären Format verlustfrei zu einem langzeitarchivfähigen offenen Format zu gelangen.

Wenn die Software, mit der das 3D-Objekt erstellt wurde, einen Export in eines der hier empfohlenen Formate zul√§sst, so ist diese Variante vorzuziehen. In manchen F√§llen kann es jedoch sein, dass das gew√ľnschte Zielformat nicht unterst√ľtzt wird und zun√§chst ein Export in ein Zwischenformat vorgenommen werden muss, welches anschlie√üend mit einem weiteren Programm in das Zielformat √ľberf√ľhrt werden kann. Soll beispielsweise ein 3D-Objekt aus Blender in ein 3D-PDF integriert werden, k√∂nnte dieses etwa im OBJ-Format gespeichert werden und anschlie√üend mit MeshLab in U3D konvertiert werden. Mit der ConversionSoftwareRegistry k√∂nnen Programme gefunden werden, die von einem Format in ein anderes konvertieren k√∂nnen, wobei eventuelle Zwischenformate auch ber√ľcksichtigt werden. F√ľr die Konvertierung von umfangreichen 3D-Inhalten gibt es auch spezialisierte kommerzielle Programme, wie beispielsweise Polytrans und NuGraph der Firma Okino.

Weitergabe von 3D-Modellen

Die Weitergabe von 3D-Modellen kann √ľber das Internet erfolgen. Dazu gibt es eigene Dienste, wie beispielsweise Sketchfab, wo 3D-Modelle hochgeladen, ver√∂ffentlicht und visualisiert werden k√∂nnen. Zus√§tzlich kann der Inhalt von Sketchfab auch in andere Webseiten eingebettet werden.

Eine weniger kommerzielle Alternative stellt die Plattform 3DHOP (3D Heritage Online Presenter) dar, die von CNR-ISTI entwickelt wurde und frei zur Verf√ľgung gestellt wird. Der Viewer verwendet ein eigenes Format (Nexus), wodurch auch gro√üe Modelle effizient dargestellt werden k√∂nnen.

Eine weitere M√∂glichkeit, um 3D-Modelle unkompliziert mit Dritten zu teilen, ist die Einbettung in ein 3D-PDF. Dabei k√∂nnen neben dem eigentlichen Modell zus√§tzliche Informationen in Form von Text, Bildern und Links eingef√ľgt werden. Zus√§tzliche Programme zur Betrachtung des 3D-PDFs sind in der Regel nicht notwendig, da diese Funktion in Adobe Reader bereits integriert ist und dieser eine breite Anwenderbasis hat. Im Reader k√∂nnen Annotations- und Messwerkzeuge verwendet werden, um Strecken, Radien und Winkel an dem Modell auszumessen.

Ein 3D-PDF kann am komfortabelsten mit Adobe Acrobat Pro erstellt werden. Dabei muss das Modell bereits im U3D-Format vorliegen, welches √ľber "Werkzeuge > Multimedia > 3D-Werkzeug" in das zu erstellende PDF eingef√ľgt werden kann. Die Firma tetra4D arbeitet eng mit Adobe zusammen und bietet neben dem Programm 3DPDF Converter eine Reihe an Plugins f√ľr professionelle 3D-Software wie AutoCAD oder Maya an. Eine g√ľnstigere Alternative bieten die Produkte von PDF3D. Freie Alternativen gibt zurzeit es wenige und auch nur mit eingeschr√§nktem Umfang. Ein Beispiel w√§re CutePDF.

Problematisch ist dabei aber, dass 3D-PDFs aktuell nur mit dem Adobe Reader betrachtet werden k√∂nnen und das Programm aktuell nur f√ľr Windows, Mac und Android angeboten wird. Alternativen f√ľr Linux fehlen im Moment noch. Bedacht werden muss auch, dass gro√üe Modelle viel Arbeitsspeicher ben√∂tigen, der nicht auf jedem System vorhanden ist.

S. Boeykens - E. Bogani, Metadata for 3D models. How to search in 3D model repositories? (2008)
https://lirias.kuleuven.be/bitstream/123456789/202356/1/boeykens-bogani.pdf

K. McHenry - P. Bajcsy, An overview of 3D data content, file formats and viewers (2008)
http://isda.ncsa.illinois.edu/drupal/sites/default/files/NCSA-ISDA-2008-002.pdf

K. McHenry - P. Bajcsy, 3D+Time File Formats. Technical Report NCSA-ISDA10-001  (2010)
http://isda.ncsa.uiuc.edu/peter/publications/techreports/2010/NCSA-ISDA-...

D. Pletinckx - D. Haskiya, D5.1 Functional specification of requirements for preparing 3D/VR for Europeana (2011)
http://www.carare.eu/eng/content/download/2026/15338/file/D5_1_Functional_specification_3DVR_final.pdf

J. Slick, 3D Basics - Getting started in 3D
http://3d.about.com/od/3d-101-The-Basics/u/3d-Basics-Getting-Started-In-3d.htm

M. Trognitz -- K. Niven -- V. Gilissen, 3D Datasets in Archaeology: A Guide to Good Practice, in: ADS (Hrsg.) Guides to Good Practice (2016)
http://guides.archaeologydataservice.ac.uk/g2gp/3d_Toc

3D ICONS Projekt
http://www.3dicons-project.eu

Stanford Bunny aus dem Stanford Computer Graphics Laboratory
http://graphics.stanford.edu/data/3Dscanrep/

Formatspezifikationen

Tools und Programme

3D und Virtual Reality - Diskussion

Haben Sie Anregungen, √Ąnderungsw√ľnsche oder Erg√§nzungen zu dem Kapitel? Dann k√∂nnen Sie diese als Diskussionsbeitrag formulieren. Um die Funktion zu nutzen, ist eine Anmeldung erforderlich.

Bitte geben Sie möglichst genau an, worauf Sie sich beziehen.

Das IANUS-Team pr√ľft die Diskussionsbetr√§ge regelm√§√üig und arbeitet diese bei Relevanz in die IT-Empfehlungen ein.

 

Letzte Änderung: 22. November 2016