Abb. 4.1: Arbeitsumgebung Geomagic Studio 9

Transkript

1 Abb. 4.1: Arbeitsumgebung Geomagic Studio Aufbau des Programms Die graphische Umgebung des Programms ist in verschiedene Bereiche unterteilt. Neben den Menüleisten am oberen und rechten Rand des Fensters und dem Hauptfenster in der Mitte, steuert der Benutzer das Programm über das Manager-Paneel im linken Bereich, welches über fünf verschiedene Registerkarten verfügt: Modell-Verwaltung Alle geladenen Daten werden hier hierarchisch aufgelistet. Die während der Arbeit entstehenden Elemente werden ebenfalls hinzugefügt. Unterschieden werden muss zwischen Punkt-, Polygon- und Kurvenelementen. Datentyp-Display hier können die Eigenschaften des Anzeigebereichs, die sich speziell auf die Darstellung verschiedener Objekte beziehen, geändert werden. Textur-Manager sind keine Bilder des Objekts vorhanden, kann hier eine Überlagerung vordefinierter Texturen mit dem Objekt gesteuert werden Daniel Wahl 64

2 Zubehör-Verwaltung hier können Einstellungen zur Anzeige getroffen werden. Zur schnelleren Durchführung der Arbeit sollte bei großem Datenvolumen sowohl die dynamische, als auch die statische Anzeige auf einen geringen Prozentsatz verringert werden. Dialogfeld-Verwaltung Häufig lassen sich bei der Anwendung einzelner Werkzeuge detaillierte Einstellungen treffen. Die Parameter können in diesem Fenster verändert werden Der Programmablauf lässt sich generell in drei bzw. vier unterschiedliche Phasen aufteilen (Abb. 4.2). In welcher Phase sich der Benutzer gerade befindet, wird durch Symbole in der oberen Menüleiste sichtbar gemacht. Über diese kann auch manuell in eine vorherige Epoche gewechselt werden. Jedoch muss hierbei beachtet werden, dass Informationen, die das Modell betreffen, verloren gehen können. Da in jeder Phase unterschiedliche Werkzeuge zur Bearbeitung der Daten benötigt werden, passt Geomagic Studio beim Wechsel in eine andere Phase die Menü- und Symbolleisten an. Abb. 4.2: Die Arbeitsphasen bei Geomagic Studio [Geomagic INC. 2006] In der Punkt-Phase hat der Benutzer die Möglichkeit, die erfassten Scandaten zu optimieren. Es steht ihm frei, inwieweit die Daten reduziert und angepasst werden. Je stärker ein Objekt bereinigt wird, umso rascher lässt es sich in ein Polygon-Objekt transformieren. Es muss aber auch bedacht werden, dass das Bereinigen gleichzeitig eine Veränderung der Daten bedeutet. Daher gilt es hier genau abzuwägen, inwieweit das Objekt generalisiert werden darf, ohne die Daten signifikant zu verändern und doch eine schnelle Arbeitsweise zu ermöglichen Daniel Wahl 65

3 Im letzten Schritt der Punktphase wird aus den Punktdaten ein Polygon-Objekt gebildet, in Geomagic Studio auch Wrap genannt. Bei ungeordneten Punktwolken (Punkten, die kein regelmäßiges Raster darstellen) hat der Benutzer bei der Berechnung die Wahl zwischen zwei Wrap-Typen: Standardgemäß wird ein Oberflächen-Wrap gebildet, das besonders bei ausreichend hoher Punktdichte und großen Datenmengen eingesetzt wird. Nach Abschluss der Berechnung gelangt der Benutzer direkt in die Polygon-Phase. Handelt es sich bei den Daten um stark zerstreut liegende Punkte, ein Objekt, welches auch eine innen liegende Oberfläche besitzt oder liefert die Berechnung eines Oberflächen-Wraps kein befriedigendes Ergebnis, sollte ein Volumen-Wrap erstellt werden. Bei dieser Methode wird das Polygonnetz durch jeden einzelnen Datenpunkt gelegt, was in der Regel mehr Rechenzeit und Speicher in Anspruch nimmt, die Form des Objekts aber realer wiedergibt. Nach erfolgreicher Berechnung gelangt der Benutzer in die Wrap-Phase. Die Wrap-Phase dient allein der Verfeinerung und Korrektur der Ergebnisse der Oberflächenberechnung. Über den Menüpunkt Wrap lassen sich Feinabstimmungen am Modell durchführen, die notwendig sind für die einwandfreie Überführung in ein echtes Polygon-Objekt. In der Polygon-Phase liegen die Daten als vermaschtes Polygon-Objekt vor. Sind die bereits erzielten Ergebnisse nicht zufriedenstellend, kann in dieser Phase die Polygonoberfläche angepasst und Fehler behoben werden. Die Arbeit mit einigen Werkzeugen bewirkt eine Veränderung der ursprünglichen Punktwolke und ggf. die Berechnung neuer Punkte, was für die Verbesserung der Qualität der Oberfläche zwar erforderlich ist, die Echtheit des Objekts aber verfälscht. Die Shape-Phase dient der Überführung eines Polygon-Modells in ein präzises NURBS-Objekt. Hierbei handelt es sich um ein Modell, welches allein durch mathematisch definierte Kurven und Flächen beschrieben wird. Ein anschließender Soll-Ist-Vergleich visualisiert die Differenzen zwischen Polygonund NURBS-Modell Daniel Wahl 66

4 4.1.2 Importieren von Daten Geomagic Studio unterstützt den Import diverser Dateiformate, darunter auch Formate unterschiedlicher Hersteller. Da der Import der Dateiformate der Firmen Zoller & Fröhlich (.zfs) und Riegl (.3dd) jedoch nicht möglich war, mussten die registrierten Daten als ASCII-Datei (.asc) gesichert werden, um sie in Studio importieren zu können. Über den Menüpunkt Datei - Import lassen sich die Punktdaten im jeweiligen Format laden. Bevor die Daten geöffnet werden, hat der Benutzer die Möglichkeit, die Anzahl der zu importierenden Punkte auf einen geringeren Prozentsatz zu reduzieren. Da Geomagic Studio besonders bei sehr großen Datenmengen Schwierigkeiten bei der raschen Bearbeitung aufweist, ist dies bei Punktwolken über 2 GB (ca. 60 Mio. Punkte) zu empfehlen. Beim Export aus Z+F LaserControl wurde bereits die Menge der Punkte der einzelnen Scans reduziert (Sub-Sample). Daher musste dies beim Import in Geomagic Studio nicht mehr durchgeführt werden. Während sich Punktwolken in der Punktphase bis zu dieser Größe ohne größere Probleme bearbeiten lassen, sollte das Datenvolumen für den Übergang in die Wrap bzw. Polygonphase stark reduziert werden, da schon Datenmengen von einem halben Gigabyte zu einer langsamen Prozessbearbeitung führen. Weiterhin muss der Anwender beim Import die Einheit festlegen, in der die Koordinaten der Punkte angegeben sind. Insgesamt wurden zur Modellierung des Asklepios-Heiligtums 18 Punktwolken importiert. Folgende Dateiformate können in Geomagic Studio importiert werden: ASCII - Punkte (.asc) ShapeGrabber (.3pi) Steinbichler (.ac) Perceptron (.bin;.swl) Breuckmann (.bre) Minolta (.vvd;.cam;.cdm) Kreon (*.cwk) Digibotics (.dbt) Dimensional Photonics (.dpi) GOM (.g3d;.surf) Genex (.gti) Hymarc (.hym) Metron (.met;.mtn) InSpeck (.net) Open Technologies (.opt) Roland (.pix) 3D Digital (.pmj;.pmjx) 3D Scanners (.sab2) LDI/Datascuplt (.scn;.pcn) Opton (.xyz) Geomagic-Punkt-Daten (.gpd) Tab. 4.1: Formate für den Import von Punktdaten [GEOMAGIC INC. 2006] 2008 Daniel Wahl 67

5 4.1.3 Bereinigung der Punktwolken Bevor die Messdaten sinnvoll bearbeitet werden können, müssen die einzelnen Scans zunächst optimiert werden. Dazu gehört neben dem Ausdünnen der Punktwolken die Beseitigung von Ausreißerpunkten, welche nicht zur Objektbildung des Modells beitragen, und das Eliminieren des Messrauschens des Scanners. In den folgenden Abschnitten wird näher auf die einzelnen Bereinigungsschritte in Geomagic Studio eingegangen Ausreißer löschen / getrennte Komponenten löschen Nach dem Import einer oder mehrerer Punktwolken werden zunächst die Punkte eliminiert, die weit außerhalb des Objekts liegen und nicht zur geometrischen Formbildung beitragen (Abb. 4.3). Diese Punkte werden als Ausreißer bezeichnet und entstehen durch Erfassung im Hintergrund befindlicher Objekte, die nicht Gegenstand des Interesses sind. Zur Auswahl der Punkte können unterschiedliche Werkzeuge genutzt werden. Neben einem Rechteck-, Ellipsen- und Linienwerkzeug können die Punkte mit einem Freiform- oder Lassowerkzeug ausgewählt werden. Ausgewählte Elemente, Punkte wie auch Polygone, werden rot markiert. Mit der Entfernen-Taste oder der Schaltfläche lassen sich die Punkte löschen. Neben dieser Methode, bei welcher der Benutzer manuell Ausreißer löscht, kann das System Punkte, die getrennt von der Hauptpunktwolke liegen, auch automatisiert erkennen. Hierfür wird die Funktion Getrennte Komponenten auswählen benutzt. Durch Drücken der Schaltfläche wird im Manager-Paneel ein neues Fenster geöffnet, in welchem der Grenzwert definiert wird, den die Punkte maximal vom Objekt entfernt sein dürfen, um nicht als Ausreißer markiert zu werden. Daneben muss außerdem die maximale Größe des Punkthaufens festgelegt werden, damit die Punkte als Ausreißer deklariert werden. Sind die richtigen Punkte markiert, können diese mit entfernt werden. Abb. 4.3: Automatisierte Auswahl von Ausreißern 2008 Daniel Wahl 68

6 Rauschen verringern Unter dem Begriff des Rauschens versteht man allgemein die Streuung von Messwerten bezüglich eines Mittel- oder Referenzwertes. Beim Messrauschen handelt es sich um einen zufälligen Fehler der Strecken- und Winkelmessung des Scanners. Charakteristisch für verrauschte Scandaten ist eine raue, unebene Erscheinung der Oberfläche (Abb. 4.4). Abb. 4.4: Polygonmodell mit Rauschen Abb. 4.5: Polygonmodell mit reduziertem Rauschen Geomagic bietet eine Funktion zur Verringerung dieser Unsicherheit. Hierbei werden abweichende Punkte auf eine gemittelte Position verschoben. Das Ergebnis ist eine konstant angeordnete Punktmenge, aus welcher nach der Triangulation eine glattere Oberfläche mit weniger Dreiecken resultiert (Abb. 4.5). Nach Ausführen des Befehls Punkte Rauschen verringern oder dem Drücken der Schaltfläche erscheint ein Dialogfenster im Manager-Paneel, in welchem Einstellungen zur Verringerung des Rauschens vorgenommen werden können (Abb. 4.6). Zunächst muss festgelegt werden, um welche Art von Oberfläche es sich bei dem zu modellierenden Objekt handelt. Der Benutzer hat die Wahl zwischen drei unterschiedlichen Oberflächentypen: 2008 Daniel Wahl 69

7 Freiform Objekte beschreiben einen Körper mit starken Unregelmäßigkeiten, z.b. organische Objekte. Hier geht die Software besonders vorsichtig bei der Reduktion des Rauschens vor und verändert die Oberflächenstruktur nur gering. Die Punkte werden nur um kleine Beträge verschoben, so dass die ursprüngliche Form der Oberfläche möglichst erhalten bleibt. Bei Prismatischen Formen (konservativ) werden Kanten und scharfe Kurven erhalten. Die Reduktion des Rauschens beschränkt sich hier auf große Flächen und Ebenen und schließt Kanten und Ränder aus. Abb. 4.6: Rauschverringerung Die dritte Möglichkeit ist die Wahl der Prismatischen Formen (aggressiv), bei der alle Punkte in die Reduktion einbezogen werden. Hierbei muss jedoch beachtet werden, dass der echte Charakter der Oberfläche verloren gehen kann. Die Stärke der Glättung der Oberfläche kann mit einem Schiebregler variiert werden. Der Anwender hat hier die Wahl zwischen fünf Stufen. Je niedriger die Einstellung des Reglers, umso weniger werden die Daten verändert. Bevor die Anwendung auf das Modell erfolgt, kann der Benutzer sich eine Voransicht der Ergebnisse, sowie eine farbliche Darstellung der Abweichungen zu den Originaldaten anzeigen lassen Reduktion von Punktdaten Geomagic Studio bietet unterschiedliche Möglichkeiten zur Reduzierung der Punktdaten an. Besonders bei großen Datenmengen sollte die Punktwolke ausgedünnt werden, da so eine raschere Arbeitsweise ermöglicht wird und Polygone schneller berechnet werden können Daniel Wahl 70

8 Krümmungsreduktion - Die Punktwolke wird auf einen bestimmten Prozentsatz reduziert. Die Charakteristik der Oberfläche bleibt erhalten. Gitterreduktion Eliminiert alle Punkte, die sich nicht auf einem vom Anwender festgelegten Raster parallel zu den Koordinatenachsen befinden. Zufällige Reduktion Eine zufällige Auswahl an zu eliminierenden Punkten wird getroffen. Der Benutzer gibt einen Prozentsatz an, auf den die Punktwolke reduziert werden soll. Gleichmäßige Reduktion - Hierbei wird der Raum in ein Raster, parallel zu den Koordinatenachsen, eingeteilt. Der Benutzer kann neben dem absoluten Abstand zwischen den Punkten auch die Gesamtzahl der Punkte festlegen. Studio ermittelt die Distanz zwischen den Punkten und legt den Abstand fest. An unebenen Stellen und Kanten können weniger Punkte eliminiert werden, so dass die ursprüngliche Form des Objekts erhalten bleibt. Besonders Kanten und Ecken sollen so ihre Schärfe behalten Zum Ausdünnen der Punktwolken wurde beim Asklepios-Tempel eine gleichmäßige Reduktion angewandt. Die Anzahl der Punkte wurde auf die Hälfte verringert. Die Krümmungspriorität wurde auf einen hohen Wert gesetzt. Daraus resultierte, dass in Bereichen von Kanten und scharfen Kurven weniger Punkte eliminiert und so die ursprüngliche Form des Objekts erhalten blieb. Die nachfolgende Tabelle gibt Auskunft über die Punktanzahl und die daraus resultierende Dateigröße nach den unterschiedlichen Arbeitsschritten: Punktanzahl Dateigröße (.wrp) Ausgangsgröße MB nach Löschen von Ausreißern MB nach gleichmäßiger Reduktion MB Tab. 4.2: Punktanzahl nach Generalisierung 2008 Daniel Wahl 71

9 4.1.5 Polygone bilden Nachdem die Punktwolke bereinigt und ausgedünnt worden ist, kann aus den Daten ein Polygonobjekt erstellt werden. Die Punkte können nach der Triangulation beibehalten oder verworfen werden. Ist nur eine Punktwolke in Geomagic Studio geladen, kann über den Befehl Punkte - Wrap der Dialog zur Vermaschung der Punkte aufgerufen werden. Sind mehrere Punktwolken in Geomagic Studio vorhanden, steht es dem Anwender frei, ob er sie einzeln vermascht oder ob er alle Punktwolken mit dem Befehl Punkte - Vereinigen zu einem Polygonmodell zusammenfließen lässt. Vorteil bei der Vermaschung jeder einzelnen Punktwolke ist die schnellere Arbeitsweise von Studio, da Objekte, die nicht bearbeitet werden, ausgeblendet werden können, so dass sie keinen Speicher benötigen. Zudem lassen sich einzelne Punktwolken mit unterschiedlich starker Generalisierung vermaschen. Bei der Modellierung des Asklepios-Heiligtums wurden alle Punktwolken miteinander vereinigt, da Löcher zwischen separaten Polygonobjekten nicht geschlossen werden können. Zunächst muss festgelegt werden, ob ein Oberflächen- oder Volumen-Wrap gebildet werden soll. Standardmäßig wird ein Oberflächen-Wrap gebildet, das besonders bei ausreichend hoher Punktdichte und großen Datenmengen eingesetzt wird. Liefert die Berechnung eines Oberflächen-Wraps kein befriedigendes Ergebnis, sollte ein Volumen-Wrap erstellt werden. Bei dieser Methode wird das Polygonnetz durch jeden einzelnen Datenpunkt gelegt, was in der Regel mehr Rechenzeit und Speicher in Anspruch nimmt, die Form des Objekts aber realer wiedergibt. Der Benutzer hat nun die Wahl, den Abstand der Punkte zu wählen, der für die Bildung eines Dreiecknetzes verwendet werden sollen, Abb. 4.7: Polygone bilden (Wrappen) oder er kann die Anzahl der Ziel- Dreiecke festlegen, die aus der Vermaschung der Punktwolken hervorgehen sollen Daniel Wahl 72

10 Modellierung - Visualisierung Natürlich können die Daten auch ohne Reduktion in ein Polygonmodell überführt werden. Die Häkchen bei Punktabstand und Ziel-Dreiecke müssen hierfür entfernt werden. Fällt die Entscheidung auf die Reduktion auf eine bestimmte Anzahl an Ziel-Dreiecken, kann über einen Schiebregler festgelegt werden, ob die Leistung (Performance) oder Qualität (Quality) im Vordergrund der Berechnung steht. Entscheidet man sich für Leistung, wird die Punktwolke einer automatisierten Reduktion unterzogen, bei der Geschwindigkeit und Speicherbedarf im Vordergrund stehen. Fällt die Wahl auf die Qualität wird zunächst die gesamte Punktmenge konvertiert und anschließend das Polygonmodell auf die gewählte Anzahl an Dreiecken reduziert. Bei der Modellierung des Tempels wurde eine Reduktion der Dreiecke mit einer Einstellung gewählt, die sowohl die Qualität, als auch die Leistung berücksichtigt (Abb. 4.7). Bei der Einstellung der Anzahl der Ziel-Dreiecke mussten einige Versuche durchgeführt werden, bis das Ergebnis des Polygonmodells zufrieden stellend war. Die wahre Struktur des Objekts sollte erhalten bleiben, wobei das Datenvolumen so stark wie möglich reduziert werden sollte (Abb. 4.8). Abb. 4.8: Polygonmodell nach unterschiedlichen Generalisierungsschritten Bild a) Dreiecke (149 MB), Bild b) Dreiecke (30 MB), Bild c) Dreiecke (8 MB) und Bild d) Dreiecke (4 MB) 2008 Daniel Wahl 73

11 Da in den verschiedenen Bereichen der Punktwolke ein unterschiedlicher Grad an Detailwiedergabe Sinn machte, wurden die Front und die Räume des Tempels separat bearbeitet und unterschiedliche Anzahlen von Zieldreiecken zur Generalisierung der Punktwolken angegeben. Vergleicht man die Anzahl der Dreiecke der beiden Teile des Modells in Tabelle 4.3 mit ihrer Flächengröße, ist zu erkennen, dass der vordere Teil des Modells, also Portal und Vorplatz, wesentlich stärker generalisiert wurden (ca Dreiecke / m²), als die Räume im inneren des Berges (ca Dreiecke / m²). Dreiecke Fläche Dateigröße (.wrp) Eingangsfront m² 18 MB Räume m² 70 MB Tab. 4.3: Unterschiedlicher Detailgrad zwischen Modellteilen Obwohl die Punktwolken durch die oben beschriebenen Maßnahmen auf die Triangulation vorbereitet wurden, entstanden nach der Bildung der Polygonflächen Datenlöcher oder fehlerhafte Polygone. Der folgende Abschnitt befasst sich mit der Verbesserung dieser Triangulationsfehler Normalen reparieren Geomagic Studio ist in der Lage, zwischen der Vorder- und Rückseite eines Polygons oder Polygongefüges zu unterscheiden. Hierfür muss der Rückseitenmodus in der Zubehör-Verwaltung im Manager-Paneel aktiviert sein. Mit Hilfe unterschiedlicher Farben werden dem Anwender die Seiten kenntlich gemacht. So wird die Vorderseite von Polygonen blau und die Rückseite grün eingefärbt. Bei Modellen mit unruhigem Verlauf, wie es auch beim Asklepios-Heiligtum der Fall ist, kann es passieren, dass die Seiten falsch zugeordnet werden (Abb. 4.9). Unter dem Menüpunkt Polygone - Normalen umkehren lassen sich die Fehler korrigieren. Die falsch zugeordneten Polygone müssen lediglich markiert werden. Sind alle Polygone falsch definiert, kann dies durch Drücken des Buttons Alle umkehren im Dialogfester behoben werden Daniel Wahl 74

12 Abb. 4.9: Falsch definierte Vorderseite und reparierte Normale eines Polygonmodells (v.l.) Löcher füllen Bevor die Löcher geschlossen werden können, muss die Mannigfaltigkeit des Polygonmodells hergestellt werden. Hierbei grenzt ein Dreieck mit allen drei Seiten an jeweils ein anderes Dreieck. Es muss mit den anliegenden Polygonen verbunden sein, so dass eine geschlossene Fläche entsteht. Bei der Herstellung der Mannigfaltigkeit muss zwischen zwei Varianten unterschieden werden: bei einer geschlossenen Mannigfaltigkeit werden alle Polygone, die nicht zur Bildung eines Volumenkörpers beitragen, gelöscht. Bilden die Polygone keinen Volumenkörper oder ist dieser Körper nicht geschlossen, muss eine offene Mannigfaltigkeit hergestellt werden. Diese Variante wurde auch bei der Modellierung des Tempels verwendet. Ist die Mannigfaltigkeit hergestellt worden, kann über den Befehl Polygone - Löcher füllen mit der Ergänzung der Daten fortgefahren werden. Alle im Modell vorhandenen Löcher werden mit einem roten Rand markiert und die Anzahl im Manager-Paneel angezeigt. Löcher entstehen durch fehlende oder nur spärlich vorhandene Punktdaten am Objekt. Geomagic Studio lokalisiert die vorhandenen Löcher im Polygonmodell und bietet unterschiedliche Möglichkeiten zur Reparatur an (Abb. 4.10). So können Datenlöcher entweder krümmungsbasiert oder flach gefüllt werden. Bei der krümmungsbasierten Methode berechnet Studio anhand der umliegenden Polygone die Lage der Dreiecke im Bereich des Lochs. Setzt man im Dialogfenster kein Häkchen, wird das Loch flach gefüllt. Es stehen unterschiedliche Füllmethoden zur Verfügung. Einzelne Löcher können durch Auswahl des jeweiligen Randes repariert werden. Beim automatisierten Füllen legt der Anwender fest, ob alle Löcher oder nur kleine Löcher, mit einem zu definierenden maximalen Umfang geschlossen werden sollen. Entscheidet man sich für das Füllen aller Löcher, beginnt Studio mit der Reparatur des größten Lochs und arbeitet sich bis zum Kleinsten vor. Da bei dem Modell des Fels-Tempels Ein- und Durchgänge vorhanden sind, die Studio ebenfalls als Löcher lokalisiert, die aber nicht gefüllt werden sollen, ist die 2008 Daniel Wahl 75

13 Funktion Größtes aufheben sehr hilfreich. Nach Drücken dieses Buttons entfernt Studio die Auswahl des größten Loches, was an der entfernten Markierung am Rand zu erkennen ist. Dieses Loch wird dann bei der Bearbeitung ausgeschlossen und bleibt ungefüllt. Neben der automatisierten Korrektur der Daten, kann der Anwender die Löcher auch manuell füllen. Unterschieden werden muss hier zwischen dem partiellen Füllen von Löchern (Abb. 4.11) und dem Bilden von Polygonbrücken (Abb. 4.12). Bei der partiellen Methode wählt der Benutzer ein Loch aus und definiert die zu füllende Fläche durch Setzen zweier Punkte auf dem Rand des Lochs. Das Loch wird in dem festgelegten Abschnitt gefüllt. Abb. 4.10: Dialog zum Füllen von Löchern Liegt ein sehr großes Loch vor, empfiehlt sich die Konstruktion einer oder mehrerer Polygonbrücke. Dadurch wird das Loch in mehrere Segmente unterteilt, welche es dann zu füllen gilt. Neben den Funktionen des Füllens der Löcher bietet das Programm auch zwei Funktionen zur Bereinigung der Datenlöcher an. Mit der Funktion Säubern lassen sich die Polygone am Rand eines Lochs löschen. Dieses Vorgehen ist sinnvoll, wenn der Rand sehr unruhig verläuft und Studio das Loch nicht richtig füllt. Häufig passiert es auch, dass Löcher aufgrund am Rand liegender, einzelner umgekehrter Polygone nicht gefüllt werden können. Diese Funktion schafft hier Abhilfe. Sind die Positionen und der Verlauf der neu gesetzten Polygone in einem Loch nicht zufrieden stellend, kann mit dem Werkzeug Polygone Bewegen die Lage und die Größe der Dreiecke verändert werden Daniel Wahl 76

14 Durch Schieben der Polygone lässt sich die Form des gefüllten Lochs korrigieren. Nach Abschluss aller Reparaturen wird mit OK das Ergebnis bestätigt und die Veränderungen werden übernommen. Abb. 4.11: Partiell gefülltes Loch Abb. 4.12: Polygonbrücke über ein Loch Texturierung Als Textur wird das Bild bezeichnet, das auf die Oberfläche eines virtuellen Objekts projiziert wurde. Meist handelt es sich hierbei um Fotos des modellierten Gegenstands. Die einzelnen Pixel der Textur werden als Texel bezeichnet. Der Vorteil einer auf einem Modell angebrachten Textur liegt in der detaillierten Darstellung der Oberfläche des Objekts, was mit der alleinigen Bildung eines Polygonmodells nicht möglich wäre bzw. sehr viel Arbeit und Speicherplatz in Anspruch nehmen würde. Je besser die Auflösung der angebrachten Bilder, umso höher auch die Detailerkennbarkeit am Modell. Außerdem wirkt das virtuelle Modell mit einer Textur realer und gibt mehr über sein Wirkliches Aussehen Preis als (Abb. 4.13). Bei der Auswahl bzw. Erstellung der Bilder, die für eine Texturierung herangezogen werden, sollte darauf geachtet werden, dass die Kontrast- und Tonwerte der einzelnen Bilder nur leicht voneinander abweichen, da ansonsten Kanten und Brüche in der Textur zu erkennen sind Daniel Wahl 77

15 Abb. 4.13: Polygonmodell ohne Textur (oben) und Polygonmodell mit aufgemappten Fotos der Oberfläche (unten) Geomagic Studio bietet die Möglichkeit, beliebig viele Bilder an ein Polygonmodell anzubringen. Zunächst müssen die Eigenschaften der Bilder angeben werden, die als Textur verwendet werden sollen. Durch den Befehl Werkzeuge - Farbe - Textur erzeugen öffnet sich ein Dialogfenster, in dem die Auflösung der Bilder abgefragt wird und die Anzahl der zu mappenden Bilder angegeben werden muss. Nachdem die Einstellungen getroffen wurden kann mit dem Mappen begonnen werden. Hierfür muss der Befehl Werkzeuge - Farbe - Bild projizieren ausgeführt werden. Das Hauptfenster teilt sich daraufhin in drei Teile und ein neues Dialogfeld im Manager-Paneel öffnet sich. Oben links im Hauptfenster wird das Polygonmodell dargestellt, rechts daneben das zu projizierende Bild. Im unteren Fenster werden beide Elemente zusammen dargestellt (Abb. 4.14). Im Dialogfenster kann die Transparenz des Fotos im unteren Fenster verringert oder erhöht werden, so dass beide Objekte stets zu erkennen sind, auch wenn sie übereinander liegen Daniel Wahl 78

16 Modellierung - Visualisierung Hat der Anwender ein Bild geladen, kann durch Markierung identischer Punkte im Bild und am Modell die Textur an der richtigen Position aufgemappt werden. Bei Wahl der Verknüpfungspunkte sollte darauf geachtet werden, dass sie sowohl im Modell als auch im Bild eindeutig zu identifizieren sind. Abb. 4.14: Mappen der Bilder auf das Polygonmodell Durch Drücken des Buttons Registrieren werden beide Elemente zusammengeführt und das Ergebnis im unteren Fenster angezeigt. Liegt die Textur an der richtigen Position wird mit OK der Arbeitsschritt bestätigt, und das Bild wird endgültig auf das Polygonmodell aufgemappt. Soll eine Textur an ein Modell angebracht werden, muss bei der Auswahl der Bilder auf die Auflösung geachtet werden, da diese den Speicherbedarf der Modelldatei wesentlich beeinflusst. So wurden für den vorderen Teil des Modells (Eingangsportal, Vorplatz) Bilder mit einer hohen Auflösung von 4096 x 4096 Pixel und für den hinteren Teil (Räume im Inneren des Berges) Bilder mit einer geringen Auflösung von 512 x 512 Pixel verwendet. Wichtig ist vor allem die Einstellung in Geomagic Studio beim Import der Bilder, wenn die Auflösung der Bilder abgefragt wird. Wird eine geringere Auflösung angegeben als das Bild besitzt, rechnet das Programm die Auflösung des Bildes herunter. Nachfolgende Tabelle zeigt den Anteil der Geometrie und der Textur am gesamten Speicherbedarf. Wichtig hierbei sind außerdem die unterschiedlichen Flächengrößen der einzelnen Teile. Das Eingangsportal mit dem Vorplatz besitzt 2008 Daniel Wahl 79

17 ungefähr 180 m² Fläche, während die Räume insgesamt ungefähr 270 m² Fläche aufweisen, die es zu texturieren galt: Gesamtgröße Anteil Geometrie Anteil Bildmaterial Räume 87 MB 69 MB 18 MB Eingangsportal 134 MB 18 MB 116 MB Tab. 4.4: Anteil der Textur am Speicherbedarf Schnitte bilden - Export von Kurven Für die Erstellung einer Grundrisszeichnung des Asklepios-Heiligtums, sowie der dazugehörigen Längs- und Querschnitte des Tempels, wurden Ebenen in Geomagic Studio erzeugt und die resultierenden Schnittkurven mit dem Modell zur weiteren Verarbeitung in das Programmsystem MicroStation exportiert. Abb.: 4.15: Ebenenbildung für Export des Grundrisses Durch Wahl des Befehls Polygone - Kurve durch Schnitt öffnet sich ein neues Dialogfenster im Manager-Paneel. Hier muss der Anwender zunächst eine Ebene erstellen, die das Modell an gewünschter Position schneiden soll (Abb. 4.15). Zunächst wird die Drehung festgelegt, die die Ebene besitzt. Es besteht neben der Möglichkeit der manuellen Rotation in X- und Y-Richtung, die Ausrichtung der Ebene parallel zur Lage der Systemachsen. Zudem kann die Ebene durch drei beliebige Punkte definiert werden. So wurden z.b. für die Erstellung der Grundrissebene des Modells drei Punkte auf dem eben verlaufenden Boden des Tempels gewählt, die die Ebene aufspannen. Ist die Drehung der Ebene zum Modell richtig festgelegt worden, kann sie daraufhin parallel verschoben werden. Befindet sich die Ebene an der richtigen Position, wird durch Ausführen des Befehls Berechnen das Modell mit der Ebenen geschnitten. Der Verlauf der Schnittkurve wird durch eine blaue Linie markiert Daniel Wahl 80

18 Ist der Verlauf korrekt, kann der Arbeitsschritt mit OK bestätigt werden. Die Schnittkurve wird durch eine schwarze Linie am Modell kenntlich gemacht (Abb. 4.16). Außerdem wird die Kurve in der Struktur der Modell-Verwaltung als neues Symbol hinzugefügt. Soll die erstellte Schnittkurve separat zum Projekt gespeichert werden, kann über einen Rechtsklick auf die Kurve ein Kontextmenü aufgerufen werden, in welchem der Befehl Speichern ausgeführt werden muss. Welches Format zum Speichern der Schnittkurve gewählt werden sollte, wird im nachfolgenden Kapitel erläutert. Abb. 4.16: Schnittkurven auf der Modelloberfläche markiert Exportformate Geomagic Studio bietet eine große Zahl an unterschiedlichen Formaten für den Export an. Die Wahl des richtigen Formats ist von der Art der Daten abhängig, die aus Geomagic Studio exportiert werden sollen. Dabei muss zwischen Punktdaten, Linien und Polygonen mit und ohne Textur unterschieden werden. Die in der Diplomarbeit verwendeten Exportformate zur Sicherung der Modelldaten und für die Überführung dieser in andere Applikationen sind das herstellereigene wrp-format sowie das obj- (Kapitel ) und wrl-format. Mit diesen drei Formaten besteht die Möglichkeit, neben den Polygondaten die zum Modell gehörige Textur zu sichern. Formate wie beispielsweise.dxf sind lediglich in der Lage die Geometrien des Modells zu speichern. Die Textur geht bei der Sicherung verloren und muss bei Bedarf in einer anderen Applikation neu angebracht werden. Zur Sicherung der gebildeten Schnittkurven diente das iges-format. Die Datei enthält neben Punktdaten auch Spline-Linien als Verbindungselemente der einzelnen Punkte. Die nachfolgende Tabelle führt von Geomagic Studio unterstützte Exportformate auf: 2008 Daniel Wahl 81

19 Geomagic Wrap (.wrp) 3D Studio (.3ds) AutoCAD DXF (.dxf) IGES (.igs;.iges) Wavefront (.obj) STL - ASCII und Binär (.stl) Vertex (.asc) VRML (.wrl) STEP (.stp;.step) Open Inventor (.iv) PLY (.ply) Tab. 4.5: Exportformate aus Studio [GEOMAGIC INC. 2007] Wavefront OBJ Format Ein gebräuchlicher Standard zur Sicherung und zum Austausch von dreidimensionalen Daten ist das Wavefront OBJ Format. Ursprünglich diente das Format zur Überführung geometrischer Objekte aus diversen Applikationen zu Wavefront Software Produkten. Objektdaten können im Binär- und ASCII-Format gespeichert werden, wobei hier lediglich auf Letzteres eingegangen wird. Die Dateien im ASCII-Format müssen als Erweiterung des Dateinamens ein.obj besitzen. Sie lassen sich in einem gewöhnlichen Editor öffnen und ändern. Das Format unterstützt neben polygonalen Objekten, bestehend aus Punkten, Linien und Flächen auch Freiform-Objekte, die im Gegensatz zu den Polygonobjekten durch Kurven und Oberflächen beschrieben werden. Der wesentliche Unterschied zu Formaten, die ebenfalls dreidimensionale Daten speichern können, liegt in der Fähigkeit, die auf Flächen angebrachten Texturen zu sichern. Die Formate einzelner Hersteller sind häufig nur in der Lage, die in der eigenen Software angebrachte Textur zu speichern. Soll das modellierte Objekt jedoch in eine Applikation eines anderen Herstellers exportiert werden, können nur die geometrischen Elemente übertragen werden. Die Textur muss in der neuen Umgebung wiederholt angebracht und bearbeitet werden. Besitzt das zu speichernde Objekt eine Textur, wird diese in Form von mehreren JPEG-Dateien im selben Ordner gespeichert, in der auch die ASCII-Datei zu finden ist. Im Quelltext der ASCII-Datei wird der Pfad der zugehörigen Bilder angegeben, so dass beim Import des Modells auf die JPEG-Dateien zugegriffen werden kann Daniel Wahl 82