Studienarbeit - Interaktiv begehbarer Lageplan in VRML

Studienarbeit
Interaktiv begehbarer Lageplan in VRML
Möglichkeiten von VRML, Modellierung eines Gebäudes in VRML
Frank Meier
Universität Freiburg
11. Februar 2002

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 3
1.1 Ziel der Studienarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Was ist VRML? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Wozu VRML? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Entwicklung von VRML (VRML 1.0, VRML 2.0 und VRML97) . . 4
1.5 VRML NextGeneration - Extensible 3D (X3D) . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6 Browser/Plug-ins zur Darstellung von VRML97 . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Einführung in VRML 7
2.1 Grundsätzlicher Aufbau einer VRML-Datei . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Anchors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Texturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Unterschiedliche Viewpoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Auswahl der VRML-Tools 11
3.1 Kriterien für die Auswahl der Modellierungssoftware . . . . . . . . . . 11
3.2 Testen des VRML-Exports bei Softimage und 3D Studio Max . . . 12
3.3 Andere Programme und Auswahl der Modellierungssoftware . . . . 13
3.4 Repräsentation von komplexen Objekten in VRML . . . . . . . . . . . . 14
4 Vorbereitung zur Modellierung des Gebäudes 051 16
4.1 Prüfen der Grundrisspläne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5 Modellierung in 3D Studio Max 19
5.1 Fenster und Türen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.2 Info-Objekt mit Anchor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.3 Textur für den Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.4 Einbau des benutzbaren Fahrstuhls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.5 Zusammensetzung des Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.6 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
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1. Einleitung
1.1 Ziel der Studienarbeit
Mit dieser Studienarbeit soll erkundet werden, in wie weit man mittels der
Modellierungssprache VRML (Virtual Reality Modeling Language) einen
interaktiv begehbaren Lageplan erzeugen kann.
Neben der Auswahl geeigneter Werkzeuge zum Erstellen der VRML-Objekte
sollten auch die Möglichkeiten getestet werden andere Inhalte, z.B. HTML-
Seiten, mit der VRML-Welt zu verknüpfen.
Abschließend sollte exemplarisch das Gebäude 051 der Informatik in VRML
modelliert werden, um einen Eindruck der Darstellungsmöglichkeiten zu erlangen.
1.2 Was ist VRML?
Bei der Virtual Reality Modeling Language (VRML) handelt es sich um eine
Modellierungssprache für dreidimensionale Objekte. Diese Objekte können dann
zu Szenen und komplexeren Welten zusammengefügt werden, in denen man sich
interaktiv bewegen kann.
Mit Hilfe des World Wide Web (WWW) können solche Welten schnell Verbreitung
erfahren und prinzipiell ist mit einem geeigneten Browser bzw. einer
geeigneten Browser-Erweiterung jeder in der Lage, Zugang zu erlangen.
Ähnlich wie beim HTML-Standard sorgt ein Komitee, das Web3D Consortium
[2], ehemals die VRML Architecture Group (VAG) [3], für die einheitliche
Definition und Erweiterungen der Sprache.
1.3 Wozu VRML?
Überall dort wo zweidimensionale Bilder eher unzureichend Informationen
vermitteln bietet sich eine Verwendung von VRML an. Der große Vorteil von
VRML ist die Interaktivität. Der Blickwinkel, wie der Benutzer sich die Welt
ansieht, ist frei wählbar und nicht durch eine statische Aufnahme vorgegeben. Der
Benutzer kann so die Darstellung an die eigenen Bedürfnisse anpassen.
Bei der Zusammenbau-Anleitung eines Tisches in VRML ist es z.B. möglich, das
ganze Objekt von allen Seiten anzusehen, was gegenüber der statischen, herkömmlichen
Darstellung in Form einer Explosionszeichnung, Vorteile bietet.
Auch zur Verdeutlichung kristallographischer Strukturen, z.B. bei Silizium, kann
ein vom Betrachter drehbares Modell von Vorteil sein.
Durch die effiziente Repräsentation der dreidimensionalen Modelle bietet sich
VRML gerade auch zur Nutzung über Netzwerke an. Bei der Online-Reservierung
von Karten für Theater, Kino oder ähnliche Veranstaltungen, kann mittels einer
3

VRML-Darstellung des Theater- bzw. Kinosaales jeder Kunde sich selbst ein Bild
machen, wie der Blick von den Plätzen ist, bevor er die Reservierung abschließt.
Die Anwendungsmöglichkeiten für VRML sind prinzipiell so vielfältig wie es
dreidimensionale Objekte in unserer Welt gibt. Es gilt allerdings bei jedem
einzelnen Objekt immer abzuwägen, ob eine dreidimensionale Darstellung in
VRML Vorteile gegenüber einer Zweidimensionalen bringt.
1.4 Entwicklung von VRML (VRML 1.0, VRML 2.0 und VRML97)
Zur "First International Conference on World-Wide-Web", im Mai 1994, bat Tim
Berners-Lee, die zentrale Figur bei der Erschaffung des WWW, Mark Pesce ein
Papier vorzustellen [4]. Er hatte mit seinem Partner Tony Parisi ein 3D Interface
für das Web entwickelt. Nach der Präsentation war man sich auf der Konferenz
einig, dass eine Notwendigkeit darin bestand, eine gemeinsame Sprache zur
Beschreibung dreidimensionaler Szenen zu entwickeln.
Aus "Labyrinth", so der Name des vorgestellten Interface, entwickelten sich nach
der Konferenz rasch, mit Hilfe einer Mailing-Liste und Mitarbeit aus der ganzen
Welt, die VRML-Spezifikationen. Mit Hilfe von Silicon Graphics Inc. (SGI),
deren Inventor File Format für VRML angepasst wurde, entstand aus den Bemühungen
VRML 1.0.
1995 gründete sich aus den führenden Experten der Mailing-Liste die VRML
Architecture Group (VAG), die die Standardisierung der Sprache und die
Weiterentwicklung kontrollieren sollte.
VRML 1.0 bot die Möglichkeit, komplexe dreidimensionale Szenen mit
Materialien, Lichtern und verschiedenen Kameraperspektive zu modellieren. Was
allerdings fehlte war eine größere Interaktivität und bewegliche Objekte in den
VRML-Welten. Diese unter dem Begriff "moving worlds" angestrebten
Erweiterungen führten zu den ersten Anforderungen für VRML 2.0. Im August
1996 wurde auf der Siggraph 96, einer Messe rund um die Thematik
Computergrafik, VRML 2.0 vorgestellt. Gleichzeitig strebte man eine Standardisierung
durch die International Organization for Standardisation (ISO) an.
1997 war es soweit: Unter dem Begriff VRML97 wurde VRML zum ISO-
Standard (ISO/IEC 14772-1:1997) zur Beschreibung dreidimensionaler Inhalte im
WWW. VRML97 ist nahezu identisch mit den VRML 2.0 Spezifikationen. Seit
dem gab es keinen neuen Versionssprung von VRML. Auch heute noch ist der
aktuelle Stand VRML97, es wird allerdings an einer neuen Version gearbeitet.
Ein wichtiger Schritt für das VRML-Konsortium war der Beitritt von Sun
Microsystems 1998 [5]. Sun wollte die Zusammenarbeit zwischen ihrer Java 3D
API (Java3D) und VRML97 stärken. Mit Hilfe von Java3D sollte es zukünftig
einfacher möglich sein, Applikationen oder auch Applets für das Web zu
programmieren, mit denen VRML97-Inhalte problemlos dargestellt werden
können.
4

Ende 1998 benannte sich die VRML Architecture Group in das Web3D
Consortium um [6]. Die Aufgaben des Konsortiums sollten sich nicht mehr nur
auf die Weiterentwicklung von VRML konzentrieren, sondern sich allgemein um
die Erstellung von offenen 3D-Standards für das Web und dem Zusammenspiel
mit Applikationen für dreidimensionale Darstellungen kümmern.
1.5 VRML NextGeneration - Extensible 3D (X3D)
Auf der VRML'99, der vierten Internationalen Konferenz über VRML und 3D
Webtechnologien, wurde einiges an Unmut über VRML97 laut. In erster Linie
wurde die Komplexität der Sprache bemängelt, was besonders bei den Herstellern
von Browsern dazu führte, dass selbst nach 2 Jahren kein völlig Kompatibler
entwickelt werden konnte. Heiß diskutiert wurde daher über das sog. VRML
NextGeneration (VRML NG) [7], was dieses Manko und noch einige andere
Unzulänglichkeiten beseitigen sollte. Manchmal unter dem Begriff VRML99
zusammengefasst, lautet die Arbeitsbezeichnung für dieses VRML
NextGeneration nun Extensible 3D (X3D) [7].
X3D ist stärker in einzelne Komponenten unterteilt und kann somit leicht um
benötigte Funktionen erweitert werden. Je nach Anforderung kann auf Standard-
Sets zurückgegriffen werden, die für verschiedene Bereiche eine optimale
Auswahl der Komponenten zur Verfügung stellen.
Da das WWW-Konsortium (W3C) im Moment eine Menge Energie in die
Entwicklung und Verbreitung der Extensible Markup Language (XML) steckt, ist
X3D zudem XML-Konform, um Zukunftssicherheit zu gewährleisten. Neben
neuer Funktionalität gewährleistet X3D außerdem eine völlige Rückwärtskompatibilität
zu VRML97.
Momentan ist X3D allerdings noch in der Entwicklung, soll später aber als
Nachfolger zu VRML97 standardisiert werden. Wichtigste Entwicklung an der im
Moment gearbeitet wird ist ein Open-Source Browser für X3D-Inhalte, der in
Form von Xj3D [9] langsam Form annimmt.
1.6 Browser/Plug-ins zur Darstellung von VRML97
Es gibt eine Reihe von Browsern für VRML [10]. Wie schon im vorherigen
Kapitel erwähnt, ist eines der Hauptprobleme auch heute noch die Kompatibilität
zu VRML97, die sich teilweise in unterschiedlichen Darstellungen äußert.
Neben der Kompatibilität zu VRML97 war für diese Studienarbeit auch noch
wichtig, einen Browser zu haben, der auf vielen Plattformen läuft und speziell auf
SGI-Plattformen.
Der Cosmo-Player [11] von SGI schien mir von Anfang an die beste Lösung zu
sein, da er von vielen Seiten als Referenzbrowser angegeben wird und für
Windows, SGI (Irix) und Macintosh zur Verfügung steht. Ich wählte ihn daher als
Referenzbrowser für dieses Projekt aus.
Leider verkaufte SGI die Tochterfirma Cosmo Software, die den Browser programmiert
hatte. Platinum übernahm daraufhin Cosmo Software und kündigte an,
5

den Quellecode zu veröffentlichen, damit der Player von jedem weiterentwickelt
werden könne. Platinum wurde aber wiederum von Computer Associates
aufgekauft und die Pläne zur Veröffentlichung des Quellecodes liegen seitdem auf
Eis, so dass es schon seit geraumer Zeit nun keine weiteren Updates des Players
gibt. Wegen der sehr guten Darstellungseigenschaften und Kompatibilität
existieren allerdings Foren und Seiten mit Anleitungen, wie der Cosmo Player
auch mit neueren Browsern betrieben werden kann [12].
Als Alternative zur Darstellung bieten sich noch folgende VRML-Browser an:
Blaxxun Contact [13]:
Nur für Windows-Plattform verfügbar. Dafür eine sehr schnelle VRML-
Darstellung und leichte Installation.
Cortona VRML Client [14]:
Plugin für Netscape und Internet-Explorer. Verfügbar für Windows und
Macintosh. Sehr leichte Installation.
OpenVRML - Lookat Viewer [15]:
OpenVRML ist eine Runtime-Library für VRML-Darstellung, die auf
vielen verschiedenen Plattformen verfügbar ist (Digital Unix, HP-UX,
IBM AIX, Linux, SGI, Sun, Windows). Als Applikation zur Darstellung
wird Lookat mitgeliefert, ein sehr einfacher VRML Browser. Es gibt
bereits Plugin-Lösungen für gängige Browser. Nachteil ist die recht
komplizierte Installation.
6

2. Einführung in VRML
Eine VRML-Datei besteht aus einer Sammlung von Objekten, aus denen sich die
VRML-Welt zusammensetzt. Objekte haben dabei gewisse Eigenschaften, ähnlich
wie im realen Leben. Sie haben eine gewisse Form, Oberflächeneigenschaften und
Position im dreidimensionalen Raum. Es gibt auch spezielle VRML-Objekte wie
Sound und Licht, die alle ebenfalls eine konkrete Position im dreidimensionalen
Raum haben.
#VRML V2.0 utf8
Shape {
appearance Appearance {
material Material {
diffuseColor .5 0 .5
shininess .5
}
}
geometry Box {
size 2 2 2
}
}
Abbildung 2.1: Definition eines lila Würfels in VRML (links) und dessen Darstellung.
2.1 Grundsätzlicher Aufbau einer VRML-Datei
Nodes (Knoten) sind die fundamentalen Einheiten in einer VRML-Datei. Einige
Nodes sind Objekte, zum Beispiel Zylinder, Kugeln, Scheinwerfer etc. Andere
dienen lediglich als Container für weitere Nodes. So besteht der sog. Shape-Node
(Form-Knoten) aus zwei weiteren Nodes, die einmal das Aussehen und die
Geometrie definieren.
Neben den Nodes, die sichtbare Auswirkung auf die VRML-Welt haben, gibt es
auch noch einige Nodes, die spezielle Eigenschaften definieren. So wird z.B. das
Hyperlinking ermöglicht oder Berührungs-/Kollisionsabfragen von Objekten.
In Abbildung 2.1 sieht man anhand der Darstellung eines Würfels in VRML die
Grundeigenschaften beim Aufbau einer VRML-Datei. Zuerst der Header, #VRML
V2.0 utf8, der die Datei als eine VRML 2.0 bzw. VRML97 Datei identifiziert.
Danach kommt der Shape-Node, der sich in den Appearance-Node und den
Geometry-Node aufteilt.
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Der Appearance-Node legt das Aussehen fest. Er enthält dafür den Material-Node,
mit dessen Hilfe wir die Materialeigenschaften so einstellen, dass wir in unserem
Fall einen lila Würfel erhalten. Die diffuseColor wird dabei in Form eines RGB-
Wertes angeben. Shininess legt fest, ob es sich um eine Oberfläche ohne Glanz (0)
oder um eine hoch polierte Oberfläche mit viel Glanz (1.0) handelt. Wir haben
einen Mittelwert gewählt. Mit Hilfe des Gemoetry-Node erzeugen wir jetzt einen
einfachen Würfel mit der Kantenlänge 2.
2.2 Anchors
Der Anchor-Node ist sehr flexibel. Er dient dazu, Hyperlinks zu anderen VRML-
Szenen, HTML-Seiten, Sound oder Filmdateien herzustellen. Er ist vergleichbar
mit dem aus HTML bekannten Setzen von Links und Anchors.
#VRML V2.0 utf8
DEF Link Anchor {
url "http://www.informatik.uni-freiburg.de"
description "Startseite der Informatik"
children [
]
}
Shape {
appearance Appearance {
material Material {
diffuseColor .5 0 .5
shininess .5
}
}
geometry Box {
size 2 2 2
}
}
Abbildung 2.2: Erzeugen eines Anchors. Durch Klicken des Würfels kommt man auf die
in url angegebene HTML-Seite.
Über DEF definieren wir uns einen eigenen Anchor-Node mit dem Namen
"Link". Über url spezifiziert man die URL, die aufgerufen werden soll. Über die
description wird ein Kommentar angezeigt, wenn die Maus über den Würfel fährt.
Innerhalb der eckigen Klammern von children können nun die Objekte definiert
werden, die durch Anklicken die URL aufrufen sollen. Wir nehmen dazu den
Würfel aus Abbildung 2.1. Durch Anklicken gelangt man nun auf die Startseite
der Informatik-Homepage.
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2.3 Texturen
Es ist sehr leicht in VRML Texturen auf Objekte zu legen. Hierzu bedarf es nur
dem Hinzufügen der Texture-Node (Abbildung 2.3) unter der übergeordneten
Appearance-Node.
#VRML V2.0 utf8
Shape {
appearance Appearance {
material Material {
diffuseColor 1.0 0 0
shininess .5
}
texture ImageTexture {
url "texture.jpg"
}
}
geometry Sphere {
radius 3
}
}
#VRML V2.0 utf8
Abbildung 2.3: Durch Hinzufügen einer Textur wird aus einer roten Kugel die Erde.
VRML bietet außerdem die Möglichkeit einen Film im MPEG1 Format als Textur
zu verwenden, der dann auf dem Objekt abgespielt wird. In Abbildung 2.4 wird
gezeigt, wie über den lila Würfel aus Abbildung 2.1 ein Mpeg-Film als Textur
gelegt wird.
Shape {
appearance Appearance {
material Material {
diffuseColor .5 0 .5
shininess .5
}
texture MovieTexture {
url "texture.mpeg"
speed 1
loop TRUE
}
}
geometry Box {
size 2 2 2
}
}
Abbildung 2.4: In VRML kann auch ein MPEG-Film als Textur verwendet werden.
9

2.4 Unterschiedliche Viewpoints
In einer VRML Welt können verschieden Kameraperspektiven vorgegeben
werden, die als Einstiegspunkte zum Begehen der Welt dienen können. Mit Hilfe
des Anchor-Node ist es auch sehr einfach möglich, einen Wechsel zu einem
bestimmten Viewpoint durch Anklicken eines Objektes zu realisieren und damit
die Navigation in einer VRML-Welt zu erleichtern.
#VRML V2.0 utf8
DEF View1 Viewpoint {
position -4 1.5 3
orientation 0.3673 0.9158 0.1625 -0.9
fieldOfView 0.7854
description "Viewpoint 1"
}
DEF View2 Viewpoint {
position -10 9 3
orientation 0.3673 0.9158 0.5625 -0.9
fieldOfView 0.7854
description "Viewpoint 2"
}
DEF Link Anchor {
url "#View2"
description "Wechseln zum 2. Viewpoint"
children [
Shape {
appearance Appearance {
material Material {
diffuseColor .5 0 .5
shininess .5
}
}
geometry Box {
size 2 2 2
}
}
]
} Abbildung 2.5: Definieren von zwei Viewpoints und Wechseln mittels Anklicken des Würfels.
In Abbildung 2.5 werden bei dem lila Würfel aus Abbildung 2.1 zwei Viewpoints
definiert und mittels eines Anchor-Node ein Wechsel zum zweiten Viewpoint
durch Anklicken des Würfels realisiert.
Durch position wird die Position der Kamera definiert, orientation bestimmt die
Blickrichtung der Kamera und mit fieldOfView kann man die Linseneinstellungen
(Tele - Weitwinkel) der Kamera festlegen.
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3. Auswahl der VRML-Tools
Es wäre natürlich sehr mühsam, wenn man eine VRML-Datei immer von Hand
schreiben müsste. Bei komplexeren Welten wäre das sogar unmöglich. Hierzu
bedarf es eines Programms, welches das Designen einer VRML-Welt erleichtert.
Nach dem grundsätzlichen Einarbeiten in die Möglichkeiten von VRML machte
ich mich daher auf die Suche nach einem 3D-Grafikprogramm, das mir einen
einfachen Export nach VRML erlaubte.
3.1 Kriterien für die Auswahl der Modellierungssoftware
Für die Programmauswahl gab es einige Anforderungen. Einmal musste das 3D-
Programm einen VRML-Exporter besitzen und am besten einen, der VRML97
unterstützt, um direkt die erweiterten Interaktionsmöglichkeiten nutzen zu
können. Gleichzeitig musste das Programm auch komplex genug sein, damit ein
komplettes Gebäude nebst Innenraummodellierung damit realisierbar war.
Ein weiteres Kriterium war der direkte Import von WMF, DWG und DXF
Dateien. In diesen beiden Formaten lagen mir Grundrisspläne und Modelle des
Gebäudes 051 vor (siehe näheres zu den Formaten in Kapitel 4). Ein direkter
Import hätte den Vorteil, nicht über ein externes Konvertierungsprogramm gehen
zu müssen.
Als erstes sah ich mich unter den kostenlosen Designprogrammen für VRML [16]
um, musste aber schnell feststellen, dass diese eher ungeeignet für die
Studienarbeit waren. Mit Freeware-Programmen wie WinPlace [17] kann man
zwar einfache Szenen recht schnell erstellen, aber es fehlen erweiterte
Möglichkeiten, um eine Gebäudemodellierung in Angriff zu nehmen. Ähnliches
galt auch für die bereits schon komplexeren Shareware-Programme, wie AC3D
[18].
Ich sah mich daher bei den professionelleren Produkten genauer um. Zwei Programme
boten sich dank in der Universität vorhandener Lizenzen besonders an.
Softimage 3.51 [19], wofür auf den SGIs Lizenzen vorhanden waren und 3D
Studio Max 2.0 [20], was auf der Windows NT Plattform verfügbar war. Beide
Programme bieten einen VRML-Exporter, wobei Softimage lediglich VRML 1.0
unterstützt. Die restlichen Programme, die ich in die nähere Auswahl zog waren
Caligari TrueSpace [21] und Maxon Cinema 4D XL [22].
Allesamt unterstützen den Export nach VRML entweder direkt oder über ein
Plugin. Ich konzentrierte mich erst einmal auf die zwei vorhandenen Programme,
um zu testen, ob nicht bereits ein geeignetes Programmen vorhanden ist und somit
keine neuen Kosten entstehen würden.
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3.2 Testen des VRML-Exports bei Softimage und 3D Studio Max
Zum Testen der VRML-Exportfähigkeiten und der Bedienung, konstruierte ich in
beiden Programmen ein etwa vergleichbares Gebäude-Modell.
Abbildung 3.1: Das Testmodell im jeweiligen 3D-Programm gerendert. Softimage (links) und
3D Studio Max (rechts).
Da ich Softimage bereits etwas kannte, dauerte der Entwurf dort nicht sehr lange
[23]. Etwas mehr Zeit kostete die Einarbeitung in 3D Studio Max, mit dem man
aber sehr komfortabel arbeiten kann, wenn man sich erst einmal an die Bedienoberfläche
gewöhnt hat. 3D Studio Max dürfte im Vergleich mit Softimage,
gerade für Neueinsteiger, wohl auch das deutlich leichter zu erlernende Programm
sein. Es folgt der gewohnten Windows-Benutzerführung und erleichtert somit den
Einstieg gegenüber Softimage erheblich.
Nachdem ich die Szene in Softimage konstruiert hatte, benutzte ich den
eingebauten VRML-Export um eine VRML-Datei zu erzeugen. Das Ergebnis war
ernüchternd. Die Darstellung der VRML-Datei war fehlerhaft. Dort wo ich die
Abbildung 3.2: Darstellungsfehler des Softimage VRML-Exporters.
Türen mittels einer booleschen Operation (siehe Kapitel 5) erzeugt hatte, gab es
massive Darstellungsfehler (Abbildung 3.2).
12

Die Darstellungsfehler blieben auch bei Verwendung anderer VRML-Browser
und mehrfacher Überarbeitungen der Szene. Ich begann im Internet zu recherchieren,
ob jemand ähnliche Probleme hatte und wurde auch rasch fündig. Die
Probleme mit dem VRML-Export bei Softimage waren hinlänglich bekannt.
Im Gegensatz zu Softimage, das nur VRML 1.0 exportierte und dabei auch noch
fehlerhaft, unterstützte der Export von 3D Studio Max die vollen VRML 2.0 bzw.
VRML97-Spezifikationen. Die Darstellung des Testmodells war fehlerfrei
(Abbildung 3.3). Darüber hinaus bietet das Export-Interface von 3D Studio Max
sogar Möglichkeiten zum Feintuning der VRML-Datei anhand diverser Exporteinstellungen.
Abbildung 3.3: Einwandfreier VRML Export bei 3D Studio Max.
3.3 Andere Programme und Auswahl der Modellierungssoftware
3D Studio Max überzeugte nicht nur beim Export von VRML auf ganzer Linie, es
bot auch Importfunktionen für DXF und DWG (sieh Abschnitt 3.1). Lediglich das
Importieren von WMF fehlte.
Ebenso gut wie der Export nach VRML, schien die Einbindung von VRML-
Elemeten wie Anchors gelöst zu sein. Direkt beim Konstruieren können über eine
eigene Sammlung von VRML-Tools, Elemente wie Anchors leicht in die Szene
integriert und mit Objekten verknüpft werden.
Mir fiel daher die Entscheidung nicht schwer, 3D Studio Max für den weiteren
Gebrauch innerhalb des Projektes zu verwenden und die anderen Produkte nicht
mehr einer näheren Untersuchung zu unterziehen, obwohl sie durchaus auch
geeignet gewesen wären. Das vorhandene 3D Studio ersparte nicht nur Kosten,
sondern schien auch eine sehr geeignete Lösung zu sein. Kurz erwähnen möchte
ich die beiden anderen Produkte aber noch.
Caligari TrueSpace, inzwischen in der Version 5, ist ein Programm das sich
speziell durch seinen schnellen Renderer auszeichnet, der auch Echtzeitmanipulationen
bei kleineren Szenen zulässt und so Künstlern bei der Modellierung
viel Freiheit gibt. Das Programm kann VRML 2.0 exportieren. Beim
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Import werden nur DXF-Dateien unterstützt. VRML-Elemente wie Anchors
werden direkt im Programm unterstützt.
Maxon Cinema 4D XL, inzwischen in der Version 7.3, unterstützt den VRML 2.0
Export. Eine Importfunktion für DXF-Dateien ist ebenfalls vorhanden. Das
Programm ist ähnlich wie 3D Studio Max ein Allround-Talent und deckt viele
Bereiche ab. Die Unterstützung von VRML 2.0 beinhaltet auch das Umgehen mit
VRML-Elementen wie Anchors.
Auch 3D Studio Max liegt inzwischen in einer neuen Version 4.2 vor. An der
grundsätzlichen Bedienung hat sich nichts geändert. Allerdings hat der Funktionsumfang
des Programms deutlich zugenommen. Die VRML97 Unterstützung ist
nach wie vor vorhanden und es können wie gewohnt VRML-Elemente direkt im
Programm bearbeitet werden.
3.4 Repräsentation von komplexen Objekten in VRML
Anhand der booleschen Operation (Subtraktion) aus Abschnitt 3.2 lässt sich
verdeutlichen, wie in VRML komplexere Objekte dargestellt werden. Wenn also
die Konstruktion mittels Grundelementen wie Kugeln, Zylindern, Quadern etc.
nicht mehr möglich ist.
Abbildung 3.4: Öffnung in Quader mittels boolescher Operation erzeugt.
Zur Demonstration habe ich aus einem gelben Quader mit Hilfe einer booleschen
Operation (Subtraktion eines anderen Quaders) eine Öffnung geschnitten
(Abbildung 3.4).
Während für den gelben Quader (links) eine einfache Geometrie-Angabe mittels
geometry Box { size 6 2 1 }
gereicht hätte, muss man bei dem durch die Subtraktion entstandenem komplexeren
Objekt zu einem sog. Indexed Face Set zurückgreifen (Abbildung 3.4).
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#VRML V2.0 utf8
Shape {
appearance Appearance {
material Material {
diffuseColor 1 1 0
shininess .5
}
}
geometry IndexedFaceSet {
coord Coordinate { point [
-3 0 0.5, 3 0 0.5, -3 0 -0.5, 3 0 -0.5, -3 2 0.5, 3 2 0.5,
-3 2 -0.5, 3 2 -0.5, 1 0.4752 0.5, -1 0.4752 0.5, -1 0.4752 -0.5,
1 0.4752 -0.5, -1 1.475 0.5, 1 1.475 0.5, 1 1.475 -0.5,
-1 1.475 -0.5]
}
coordIndex [
0, 2, 3, -1, 3, 1, 0, -1, 4, 5, 7, -1, 7, 6, 4, -1, 1, 3, 7, -1,
7, 5, 1, -1, 2, 0, 4, -1, 4, 6, 2, -1, 5, 13, 8, -1,
1, 5, 8, -1, 0, 1, 8, -1, 0, 8, 9, -1, 4, 0, 9, -1,
4, 9, 12, -1, 5, 4, 12, -1, 13, 5, 12, -1, 6, 15, 10, -1,
2, 6, 10, -1, 3, 2, 10, -1, 3, 10, 11, -1, 7, 3, 11, -1,
7, 11, 14, -1, 6, 7, 14, -1, 15, 6, 14, -1, 8, 11, 10, -1,
10, 9, 8, -1, 13, 14, 11, -1, 11, 8, 13, -1, 14, 13, 12, -1,
12, 15, 14, -1, 9, 10, 15, -1, 15, 12, 9, -1]
}
}
Abbildung 3.4: VRML-Quellcode für die Darstellung des mittels boolescher Operation erzeugten Objektes.
Das Grundprinzip ist dabei einfach. Die Oberflächen eines Objektes werden mit
Hilfe von Polygonen (zum Beispiel Dreiecke oder Quadrate) beschrieben.
Dazu werden über Coordinate die sog Vertices definiert. Ein Vertex stellt einen
Eckpunkt des Objektes dar und wird mittels der XYZ-Koordinaten im Raum
definiert. Die einzelnen Vertices werden mit einem Komma voneinander getrennt.
Wir haben 16 Stück bei unserem Objekt.
Der zweite Teil eines IndexedFaceSet besteht aus coordIndex. Hier werden nun
die Polygone gezeichnet, in unserem Fall Dreiecke. Mittels einer Index-Angabe,
bezieht man sich auf die zuvor definierten Eckpunkte des Objektes. Die Indizes
gehen in unserem Beispiel mit den 16 Eckpunkten daher von 0-15.
Mit dem zuerst genannten Eckpunkt wird begonnen. Von dort wird eine
Verbindung zu dem zweit genannten Eckpunkt gezeichnet usw. Das Ende eines
Polygons wird Mittels der Index-Angabe "-1" markiert. Danach wird der letzte
Eckpunkt mit dem Ersten verbunden und das nächste Polygon begonnen.
Mit Hilfe dieser Technik können praktisch beliebig komplexe Objekte in VRML
dargestellt werden.
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4. Vorbereitung zur Modellierung des Gebäudes 051
Durch Dr. Krieger erhielt ich eine Reihe von Bauplänen des Gebäudes 051 in
elektronischer Form. Darunter befanden sich Grundrisspläne der einzelnen
Ebenen im WMF-Format (siehe Abbildung 4.1) und auch Ansätze für ein dreidimensionales
Modell im DXF- und DWG-Format.
Abbildung 4.1: Erdgeschoss des Gebäudes 051.
Beim Windows Metafile Format (WMF) handelt es sich um ein von Microsoft
entwickelten Standard für Vektorgrafiken. Es ist daher sehr verbreitet auf der
Windows-Plattform und wird dort zum Austausch zwischen Programmen oftmals
verwendet. Außerhalb der Windows-Plattform findet das Format allerdings wenig
Verwendung.
Bei dem AutoCAD Drawing Exchange Format (DXF) handelt es sich um ein
Format, das durch die CAD-Software AutoCAD bekannt wurde und extra
entwickelt wurde, um ein Austauschformat für das intern verwendete AutoCAD
Drawing File (DWG) zu haben. Da DWG-Dateien einige Vorteile gegenüber
DXF haben, wird mehr und mehr als Austauschformat direkt das DWG Format
bevorzugt [24].
Mit dem dreidimensionalen Modell (Abbildung 4.2) konnte ich leider nicht viel
anfangen, denn die Innenraummodellierung fehlte komplett. Die Datei hätte
außerdem auch von der Außenmodellierung noch nachbearbeitet werden müssen.
Ein Probeweiser Export nach VRML ergab, dass die Außenwände des Gebäudes
Probleme machten und sie nicht sichtbar waren.
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Abbildung 4.2: Dreidimensionales Modell des Gebäudes 051 mit fehlender Innenraummodellierung.
Deutlich erkennbar an der Außenmodellierung die Notwendigkeit der Nachbearbeitung.
Es erschien mir daher deutlich einfacher auf Basis der Grundrisspläne ein speziell
für VRML optimiertes Modell zu erstellen.
4.1 Prüfen der Grundrisspläne
Zu allererst prüfte ich, ob ich mittels Extrudieren in 3D Studio Max (siehe
Abbildung 4.3), die vorhandenen Grundrisspläne in der dritten Dimension
erweitern konnte. Dazu wandelte ich die WMF-Datei erst einmal in eine DXF-
Datei um, damit ich sie in 3D Studio Max importieren konnte. Ich benutzte dazu
AutoCAD Light für Windows, ein 2D CAD-Programm.
Abbildung 4.3: Prinzip des Extrudierens in 3D Studio. Aus einem geschlossenen Polygonzug kann
mittels Modify/Mesh Editing/Face Extrude das zweidimensionale Objekt leicht um die dritte
Dimension erweitert werden.
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Das Extrudieren erwies sich als recht knifflig, da die Linien oftmals nicht als
geschlossene Polygonzüge anerkannt wurden. Gerade bei Fenstern und Türen
erwies sich das als kompliziert.
Das Aus für diese Methode kam allerdings aus einem anderen Grund. Mir fiel
nämlich auf, dass die Grundrisspläne an einigen Stellen vom jetzigen Gebäude
abwichen. Als ich mich entschloss an einigen Stellen selbst nachzumessen, stellte
sich heraus, dass entweder die Grundrisspläne relativ grob waren und z.B. die
Dicke der Mauern nicht genau erfassten oder im Lauf der Jahre es einige bauliche
Veränderungen gegeben haben musste.
Ich entschloss mich, den Plan an den entsprechenden Stellen zu korrigieren und
begann probeweise dort direkt Mauern zu konstruieren. Ich erzeugte die Mauern
mittels der Box-Funktion und stellte die Dimensionen (Mauerdicke etc.) direkt bei
der Erzeugung per Tastatur ein. Das funktionierte so gut, dass ich mich
entschloss, auf diese Weise den ganzen Grundriss nachzubauen.
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5. Modellierung in 3D Studio Max
Nachdem ich nun die Methode gefunden hatte, wie ich die Grundrisse umsetzen
konnte, begann ich damit das Erdgeschoss zu modellieren. Das kostete einiges an
Zeit, mit steigender Routine ging die Arbeit aber immer besser voran, bis ich den
Grundriss soweit fertig hatte, um in die Mauern Öffnungen für die Türen und
Fenster zu integrieren.
5.1 Fenster und Türen
Abbildung 5.1: Erzeugen von Tür- und Fensterrahmen mittels boolescher Operation.
Nachdem ich die Höhe der Fenster und Türen im Gebäude nachgemessen hatte,
da diese Informationen in den Grundrissen fehlten, machte ich mich daran, die
Öffnungen mittels boolescher Operation (siehe Abbildung 5.1) in den Mauern zu
erzeugen.
Das erforderte einiges an Aufwand, da es sich um sehr viele Türen und Fenster
handelte. Ich fertige mir dazu quasi Stempelwerkzeuge in den passenden Formen
an, um rasch voran zu kommen.
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Abbildung 5.2: Erdgeschoss mit Tür- und Fensterrahmen.
Nachdem nun die Tür- und Fensterrahmen vorhanden waren (Abbildung 5.2),
überlegte ich ob ich Fenster und Türen einsetzen sollte. Die Geschwindigkeit der
VRML-Darstellung war allerdings bereits spürbar langsamer geworden. Daher
entschloss ich mich, nur die Türen einzusetzen und die Fenster draußen zu lassen.
Abbildung 5.3: Öffnende Tür bei Testgebäude. Realisiert über einen TouchSensor und Objekrotation.
Um das Modell interaktiver zu gestalten, wollte ich Türen im Gebäude realisieren,
die sich öffnen. Sobald man mit der Maus die Türklinke drückt sollte die Tür
aufschwingen. Ich versuchte das erst einmal bei meinem Testgebäude aus Kapitel
3. Die Realisierung war recht einfach. Ich erzeugte die Animation für die Tür.
Danach rotierte ich sie um den auf die Kante (wo die Türangeln sitzen würden)
verschobenen Schwerpunkt. Abschließend wählte ich bei den VRML-Optionen in
3D Studio den TouchSensor an, selektierte das auslösende Objekt (die Türklinke)
und dann den Gegenstand, der darauf die Aktion durchführen sollte (die sich
öffnende Tür). Das Ergebnis sieht man in Abbildung 5.3.
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Nachdem der Test erfolgreich verlaufen war, machte ich mich daran einen etwas
schöneren, aber trotzdem möglichst simplen Türgriff zu entwerfen. Ich stattete die
Tür ebenfalls mit Animation und TouchSensor aus, duplizierte sie und baute sie in
sämtliche Türrahmen ein (Abbildung 5.4).
5.2 Info-Objekt mit Anchor
Abbildung 5.4: Fertige, interaktive Tür für das Gebäude 051
Als Nächstes machte ich mich daran, eine Möglichkeit zu finden, wie ich
Informationen mit dem jeweiligen Raum verknüpfen konnte. Also das Anbringen
eines Anchors, der auf mehr Informationen über den jeweiligen Raum verweist.
Als einfachste und effektivste Möglichkeit erschien mir, im Raum selbst ein
Objekt anzubringen, was als Informations-Objekt leicht erkannt wird und woran
jeweils ein Verweis auf eine HTML-Seite angebracht werden kann.
Abbildung 5.5: Eine Kugel mit Textur überzogen bildet das Informations-
objekt hinter dem sich ein Anchor verbirgt.
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Ich wählte dazu eine einfache Kugel und überzog sie mit einer Textur, die aus
einer Bitmap-Grafik mit dem Textinhalt "Info" bestand. Durch Anklicken dieser
Kugel wird die verlinkte HTML-Seite aufgerufen. Das Einfügen eines Anchors in
3D Studio Max ist dabei recht einfach. Man wählt unter "Helpers" lediglich die
VRML97 Tools aus und fügt einen Anchor in die Szene ein. Für diesen Anchor
wählt man nun noch das Objekt (Pick Trigger Object) und die Aktion, die
ausgeführt werden soll, in unserem Fall der Aufruf einer HTML-Seite. Alternativ
kann man hier auch einen Perspektivenwechsel als Aktion angeben.
Sobald die Anchors einmal erstellt sind kann man die Änderungen der URLs, also
die Pflege der Datei, auch direkt über die VRML-Datei selbst machen. Da es sich
bei VRML-Dateien um reine Textdateien handelt, kann man auch direkt im
Quelltext eine geänderte URL zum Beispiel per Suchen und Ersetzen auf den
aktuellen Stand bringen.
5.3 Textur für den Boden
Um das Modell etwas realistischer zu gestalten, legte ich noch eine Textur über
den Boden. Es stellte sich heraus, dass das Anbringen von Texturen einiges an
Experimentieren und Zeit erfordert, um sie an die Objekte anzupassen. Was bei
Abbildung 5.6: Bodentextur in 3D Studio Max.
einfachen Objekten recht gut geht, wird bei komplexen Objekten rasch sehr
schwierig. Hinzu kam, dass die Texturen in 3D Studio Max (Abbildung 5.6)
anders aussahen, wie beim Export nach VRML. So erscheint im 3D Studio Max
Modell die Textur zu klein gekachelt, im VRML Modell hat sie dann aber die
richtige Größe (Abbildung 5.7).
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Abbildung 5.7: Bodentextur in der VRML-Darstellung.
5.4 Einbau des benutzbaren Fahrstuhls
Um noch mehr Interaktivität in das Modell zu integrieren bildete ich den
Fahrstuhl nach, um vom Erdgeschoss in den ersten Stock fahren zu können. Die
Schiebetüren öffnen sich beim Anklicken. Durch einen kleinen Schalter, der mit
"Up" bezeichnet ist, kann man mit dem Fahrstuhl nach oben fahren.
Abbildung 5.8: Fahrstuhl um in den ersten Stock zu fahren.
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5.5 Zusammensetzung des Modells
Ich konstruierte nun nacheinander die anderen Ebenen des Gebäudes 051, wobei
sich das Dachgeschoss (Abbildung 5.9) mit den vielen Fenstern und der Integration
des Daches als schwierig erwies, was auch sehr stark bei dem VRML-
Modell auf die Darstellungsgeschwindigkeit Einfluss hatte.
Abbildung 5.9: Erster und zweiter Stock, darunter das Dachgeschoss ohne Dach.
Der erste und zweite Stock (Abbildung 5.9) machte dagegen weniger Probleme,
da sie beide mit dem Erdgeschoss relativ identisch waren.
Ich versah nun die weiteren Ebenen mit den sich öffnenden Türen und Info-
Objekten, wobei ich nur ein paar der Info-Objekte mit einer HTML-Seite
verknüpfte. In erster Linie die Büros der Professoren, die dann zu dem jeweiligen
Lehrstuhl führen.
Die einzelnen Info-Objekte können aber leicht im Quelltext gefunden und mit
URLs versehen werden, da jedes die Raumbezeichnung als Namen enthält. Zum
Beispiel "Info 05102024" ist Gebäude 051 Stock 02 Raum 024.
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Zum Schluss setzte ich nun alle Ebenen als komplettes Modell zusammen
(Abbildung 5.10), versah die Welt mit verschiedenen Kameraperspektiven, die
einen direkt zu wichtigen Punkten in das Gebäude bringen können, zum Beispiel
zu den drei Haupteingängen.
Dann exportierte ich nach VRML und erzeugte zwei finale Varianten, ein Modell
ohne Dach, was etwas schneller in der Darstellung ist und ein Modell mit Dach
(Abbildung 5.11).
5.6 Fazit
Abbildung 5.10: Modelle ohne und mit Dach in 3D Studio Max.
Abbildung 5.11: Finalen VRML-Modelle.
VRML bietet eine Reihe von Möglichkeiten zur Realisierung einer interaktiv
begehbaren Welt, wie sich an dem Gebäudemodell zeigte. Durch Hinzufügen
weitere Details wie Texturen für die Wände und Ausarbeiten der Inneneinrichtung
einzelner Räume, könnte man das Gebäude noch realistischer gestalten.
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Allerdings zeigte sich auch, dass das Modellieren komplexer Szenen einiges an
Zeitaufwand mit sich bringt.
Die Verbindung zwischen der dreidimensionalen Welt und anderen Ressourcen,
die weiterführende Information bieten, funktioniert soweit problemlos. Hierin
liegt auch eindeutig die Stärke von VRML. Man kann trotz Benutzung einer
dreidimensionalen Welt wie gewohnt auf andere Dokumente verweisen. Für
Anwendungen die in Richtung von Web-Museen, Architektur-Projekten und
ähnlichem gehen, eine sicher interessante Möglichkeit Wissen zu vermitteln. Die
Informationen werden durch die dreidimensionale Darstellung für den Benutzer
greifbarer.
Komplizierter wird es schon, wenn man nun konkrete Anwendungen im
Informatik-Bereich sucht. Oftmals reichen hier zweidimensionale Darstellungen
aus und sind sogar deutlich effizienter als die Benutzung einer dreidimensionalen
Darstellung. Anwendungsgebiete können sich also nur dort erschließen, wo die
zweidimensionale Darstellung nicht ausreichend ist oder eine dreidimensionale
Darstellung entscheidende Vorteile bietet.
Zur Verdeutlichung der Studienarbeit sollte man sich die VRML-Modelle auf der
zugehörenden HTML-Seite unbedingt einmal selbst betrachten. Die zweidimensionalen
Bilder können davon nur einen begrenzten Eindruck vermitteln.
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Literaturverzeichnis
[1] Hartman, J. u. J. Wernecke: The VRML 2.0 Handbook.
Addison Wesley, 1996.
[2] Web3D Consortium: http://www.web3d.org
[3] VRML Architecture Group: http://www.web3d.org/vag/
[4] History of the VRML Specification:
http://www.web3d.org/aboutus/historyspec.htm
[5] Paper: Sun Microsystems joins VRML Consortium to promote compatibility
between VRML and Java 3D API. Sun Microsystems Press Contact, 1998.
http://www.web3d.org/consort/sun98.html
[6] Jahrmann, Margarete: Von VRML97 zu Web3D. Telepolis, 1999
http://www.heise.de/tp/deutsch/pop/topic_3/3357/1.html
[7] VRML'99 Workshop: VRML NG - VRML NextGeneration.
http://www.c-lab.de/vrml99/workshop.html
[8] X3D: Frequently Asked Questions (FAQ).
http://www.web3d.org/TaskGroups/x3d/faq/
[9] Xj3D Open Source Browser:
http://www.web3d.org/TaskGroups/source/xj3d.html
[10] The Web3D Repository: Browsers and Plug-ins.
http://www.web3d.org/vrml/browpi.htm
[11] Cosmo-Player:
http://www.cai.com/cosmo/
[12] Viveka's Cosmo Player Mirror:
http://www.karmanaut.com/cosmo/player/
[13] Blaxxun Contact:
http://www.blaxxun.de
[14] Cortona VRML Client:
http://www.parallelgraphics.com/products/cortona/
[15] OpenVRML - Lookat Viewer
http://openvrml.sourceforge.net
[16] Web3D Creation Tools:
http://www.web3d.org/vrml/wb31.htm
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[17] WinPlace, 2D and 3D modeling tool:
http://www.vbinformation.com/winplace.htm
[18] AC3D - 3D Graphics Modeller:
http://www.ac3d.org
[19] Softimage 3D
http://www.softimage.com
[20] 3D Studio Max
http://www.discreet.com/products/3dsmax/
[21] Caligari TrueSpace
http://www.caligari.com/
[22] Maxon Cinema 4D XL
http://www.maxon.net/
[23] Ruff, B. und G. Bodio: Softimage 3D Design Guide.
Coriolis Group Books, 1998.
[24] OpenDWG Alliance:
http://www.opendwg.org/
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