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

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

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Ziel der Studienarbeit Was ist VRML? Wozu VRML? Entwicklung von VRML (VRML 1.0, VRML 2.0 und VRML97) VRML NextGeneration - Extensible 3D (X3D) Browser/Plug-ins zur Darstellung von VRML Einführung in VRML Grundsätzlicher Aufbau einer VRML-Datei Anchors Texturen Unterschiedliche Viewpoints Auswahl der VRML-Tools Kriterien für die Auswahl der Modellierungssoftware Testen des VRML-Exports bei Softimage und 3D Studio Max Andere Programme und Auswahl der Modellierungssoftware Repräsentation von komplexen Objekten in VRML Vorbereitung zur Modellierung des Gebäudes Prüfen der Grundrisspläne Modellierung in 3D Studio Max Fenster und Türen Info-Objekt mit Anchor Textur für den Boden Einbau des benutzbaren Fahrstuhls Zusammensetzung des Modells Fazit

3 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

4 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 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 war es soweit: Unter dem Begriff VRML97 wurde VRML zum ISO- Standard (ISO/IEC :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

5 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

6 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

7 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 shininess.5 geometry Box { size 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. 7

8 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 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 " description "Startseite der Informatik" children [ ] Shape { appearance Appearance { material Material { diffusecolor shininess.5 geometry Box { size 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. 8

9 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 shininess.5 texture ImageTexture { url "texture.jpg" geometry Sphere { radius 3 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. #VRML V2.0 utf8 Shape { appearance Appearance { material Material { diffusecolor shininess.5 texture MovieTexture { url "texture.mpeg" speed 1 loop TRUE geometry Box { size Abbildung 2.4: In VRML kann auch ein MPEG-Film als Textur verwendet werden. 9

10 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 orientation fieldofview description "Viewpoint 1" DEF View2 Viewpoint { position orientation fieldofview description "Viewpoint 2" DEF Link Anchor { url "#View2" description "Wechseln zum 2. Viewpoint" children [ Shape { appearance Appearance { material Material { diffusecolor shininess.5 geometry Box { size ] 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. 10

11 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. 11

12 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

13 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 13

14 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 gereicht hätte, muss man bei dem durch die Subtraktion entstandenem komplexeren Objekt zu einem sog. Indexed Face Set zurückgreifen (Abbildung 3.4). 14

15 #VRML V2.0 utf8 Shape { appearance Appearance { material Material { diffusecolor shininess.5 geometry IndexedFaceSet { coord Coordinate { point [ , , , , , , , , , , , , , , , ] 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 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. 15

16 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. 16

17 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. 17

18 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. 18

19 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. Abbildung 5.1: Erzeugen von Tür- und Fensterrahmen mittels boolescher Operation. 5.1 Fenster und Türen 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. 19

20 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

21 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). Abbildung 5.4: Fertige, interaktive Tür für das Gebäude Info-Objekt mit Anchor 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 Informationsobjekt hinter dem sich ein Anchor verbirgt. 21

22 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). 22

23 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. 23

24 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 " ist Gebäude 051 Stock 02 Raum

25 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. Abbildung 5.10: Modelle ohne und mit Dach in 3D Studio Max. 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). Abbildung 5.11: Finalen VRML-Modelle. 5.6 Fazit 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. 25

26 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. 26

27 Literaturverzeichnis [1] Hartman, J. u. J. Wernecke: The VRML 2.0 Handbook. Addison Wesley, [2] Web3D Consortium: [3] VRML Architecture Group: [4] History of the VRML Specification: [5] Paper: Sun Microsystems joins VRML Consortium to promote compatibility between VRML and Java 3D API. Sun Microsystems Press Contact, [6] Jahrmann, Margarete: Von VRML97 zu Web3D. Telepolis, [7] VRML'99 Workshop: VRML NG - VRML NextGeneration. [8] X3D: Frequently Asked Questions (FAQ). [9] Xj3D Open Source Browser: [10] The Web3D Repository: Browsers and Plug-ins. [11] Cosmo-Player: [12] Viveka's Cosmo Player Mirror: [13] Blaxxun Contact: [14] Cortona VRML Client: [15] OpenVRML - Lookat Viewer [16] Web3D Creation Tools: 27

28 [17] WinPlace, 2D and 3D modeling tool: [18] AC3D - 3D Graphics Modeller: [19] Softimage 3D [20] 3D Studio Max [21] Caligari TrueSpace [22] Maxon Cinema 4D XL [23] Ruff, B. und G. Bodio: Softimage 3D Design Guide. Coriolis Group Books, [24] OpenDWG Alliance: 28