Visualisierung virtueller Produkte

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1 WHITEPAPER Visualisierung virtueller Produkte Effizientere Entwicklung und erfolgreichere Präsentationen Inhalt: Im Rennen bleiben...2 Darstellungen in der Konstruktion...2 Inventor Studio...3 Rendering für Einsteiger: Auf Knopfdruck...4 Inventor Studio für Fortgeschrittene...5 Bildgröße...5 Beleuchtung...5 Szenen...5 Rendertyp...6 Antialiasing und illustrative Darstellung...6 Visualisierung für Profis...7 Oberflächenstile...7 Beleuchtungsstile...7 Selbstleuchtende Komponenten...9 Weiche Schatten...9 Beispiel Beleuchtung...9 Szenenstile...11 Kamera...11 Animation...13 Fazit...15 Autodesk Showcase...16 CAD-Import...17 Realistische Materialien...18 Umgebungsschatten...18 Umgebungen erstellen und bearbeiten...18 Untersuchung von Entwurfsalternativen...19 Animation...19 Realtime Raytracing...20 Globale Design Reviews...21 Bessere Entscheidungen...21 Gute Bilder lohnen sich...21 Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

2 Im Rennen bleiben Die meisten Konstrukteure, die gelernt haben, mit einem leistungsfähigen 3D-System zu konstruieren, möchten die moderne Technik nicht mehr missen. Junge Anwender, die heute an den Ausbildungsstätten bereits die 3D-Konstruktion erlernen und kaum mehr in 2D arbeiten, haben sogar Schwierigkeiten, in orthogonalen Projektionen zu denken, wie das die Zeichner am Brett und die 2D-CAD-Anwender jahrzehntelang gewohnt waren. Mancher altgediente Recke, der sich seine ersten Sporen noch am Brett verdient hat, mag das als Verlust und mangelhaftes Training der räumlichen Vorstellung ansehen. Hoch zu Ross die unwegsamen deutschen Wälder zu durchqueren, war ja auch eine größere Leistung als auf der Autobahn von Nürnberg nach Köln zu brausen. Aber die neue Technologie bringt neben der Bequemlichkeit noch einige weitere Vorteile mit sich. Die Leistungsdichte moderner Maschinen muss immer höher werden. Innovationen im Maschinenund Anlagenbau bestehen heute oft darin, bei gleicher Leistungsfähigkeit und Funktionalität kompakter zu bauen. Nur mit einem 3D-System lassen sich die Bauräume effizient optimieren, immer enger und kleiner gestalten, die letzten Millimeter herausholen. Die perfekte 3D-Visualisierung hilft, Fehler zu vermeiden, die in der 2D-Konstruktion fast unvermeidlich waren, und früher erst beim Bau eines Prototyps ausgeräumt wurden. Heute lassen sich Ungereimtheiten schon am virtuellen Prototyp beseitigen. Unvollständige oder inkorrekte Stücklisten gibt es nicht mehr. Konferenzen, an denen oft viele Mitarbeiter einschließlich der Geschäftsleitung über Stunden teilnehmen, kommen schneller zu Ergebnissen, wenn alle Beteiligten sich etwas vorstellen können. Die 3D-Visualisierung oder Animation ist darüber hinaus eine unschätzbare Hilfe, teilweise sogar Voraussetzung, um überhaupt im Rennen um wichtige Aufträge zu bleiben. Darstellungen in der Konstruktion Inventor-Konstrukteure arbeiten bereits im Rahmen der Konstruktion mit den verschiedenen 3D- Darstellungsmöglichkeiten, die das System bietet: Das sind vor allem die schattierten Darstellungen von Körpern und Baugruppen, Kantendarstellung mit Ausblendung der verdeckten Kanten und mit Oberflächenfarben, die sich aus den Material- Einstellungen ergeben. Wahlweise stellt der Konstrukteur auf die Darstellung als Drahtmodell um, wenn er sich damit schnell einen besseren Überblick über verdeckte Details verschaffen kann, blendet Schatten ein oder schaltet inaktive Bauteile und Baugruppen transparent (Bild 2a bis d). Alternativ hat er die Möglichkeit, einzelne Komponenten über die Materialdefinition transparent darzustellen (Bild 3a) oder im Modellbrowser in der Baugruppenansicht die Darstellung von Komponenten oder Bauteilen zu unterdrücken (Bild 3b). Temporäre Schnitte durch eine Baugruppe mit Hilfe der Schnittbefehle im Baugruppenmenü (Bild 3c) dienen ebenfalls dazu, dem Betrachter oder Konstrukteur während seiner Arbeit einen Einblick in komplizierte Einbau- Verhältnisse bei Baugruppen zu verschaffen. Mit wenig Aufwand kann der Konstrukteur komplexe Schnittverläufe in den Zeichnungsableitungen seiner Modelle anlegen, um verdeckte Details für die Fertigung oder Montage zu visualisieren (Bild 3d). Alle diese Darstellungsmöglichkeiten, die Autodesk Inventor bietet, sind sehr hilfreich und werden von den Konstrukteuren und Anwendern in allen Unternehmensbereichen gerne genutzt, um leicht verständliche Produktdokumente zu erstellen. a) b) c) d) Bild 2: Unterschiedliche Darstellungsoptionen in der gewohnten Inventor-Konstruktion: a) schattierte Darstellung, b) Darstellung ohne verdeckte Kanten, c) Anzeige von Schatten, d) transparente Darstellung inaktiver Bauteile/Baugruppen. Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

3 a) b) c) Inventor Studio Von diesen Darstellungsfunktionen ist es nur noch ein kleiner Schritt zu fotorealistischen Renderings und Animationen mit Inventor Studio, dem Software- Modul, das die Visualisierung von Produkten und Bauteilen auf eine höhere Ebene hebt und eine Bildqualität zulässt, die auch Ansprüche professioneller Bildgestalter befriedigt. Diese Software ist ein regulärer Bestandteil des Inventor-Pakets ohne Aufpreis. Die Werkzeuge für die Erstellung perfekter Bilder stehen also an jedem Inventor-Arbeitsplatz zur Verfügung. Allerdings fehlt im Konstruktionsalltag meist die Zeit, sich mit der Studio-Software zu beschäftigen, und die Marketing-Kollegen, die solche Bilder dringend brauchen, haben in der Regel keinen Zugang zu den Inventor-Workstations oder keine ausreichenden Inventor-Kenntnisse. Dabei lassen sich einfache und wirkungsvolle Renderings mit wenig Extraaufwand nahezu auf Knopfdruck erzeugen. Der Bedarf an guten, realistisch wirkenden Abbildungen der virtuellen Prototypen ist groß. Gerade die Marketing- und Vertriebsabteilung braucht im Vorfeld, bevor das Produkt gebaut ist, bereits perfekte Bilder für Marketingbroschüren, um die Akquise und Verkaufsgespräche optimal zu unterstützen. Fotos des realen Produkts, die auf dem Werksgelände geschossen werden, kommen viel zu spät. Zu diesem Zeitpunkt soll das Produkt längst schon verkauft und auf dem Weg zum Kunden sein und nicht auf dem Hof herumstehen. Im Sondermaschinenbau musste der Verkäufer früher eine Maschine anhand von technischen Zeichnungen an den Mann bringen. Mit einer Inventor 3D-Konstruktion ist der Kunde schon wesentlich besser bedient und mit Bildern aus Inventor Studio oder gar einer Animation hat er den Eindruck, seine Maschine existiert bereits in der Realität. Er kann sie sich präzise vorstellen und alle wichtigen Details betrachten. Darüber hinaus transportiert die Qualität der Bilder das Image einer Firma, die Qualitätsdenken in allen Bereichen pflegt. d) Bild 3: Unterschiedliche Darstellungsoptionen in der gewohnten Inventor-Konstruktion: a) Transparenz durch Materialdefinition, b) Unterdrückung der Darstellung von Komponenten im Modellbrowser, c) temporäre Schnitte, d) Schnitte in der 2D-Zeichnungsableitung. Die weiterreichende Nutzung der Abbildungen des virtuellen Produkts in Montageanleitungen und Servicehandbüchern bietet sich an, damit diese produktbegleitenden Dokumente nicht nur rechtzeitig mit dem Produkt dem Kunden oder Partner übergeben werden können, sondern durch gute Abbildungen leicht verständlich sind und sich positiv vom Üblichen unterscheiden. Was unterscheidet nun das Rendering mit Inventor Studio von den schattierten Bildern, die jeder Inventor-Anwender von seinen Konstruktionen erzeugt? Es sind die Eigenschaften und Funktionsbereiche, die zunächst kurz mit den Begriffen Oberflächen, Beleuchtungen, Szenen und Kameras überschrieben sind. Das sind Begriffe, die man sonst eher in einem Foto- oder Filmstudio vernimmt. Sie erklären den Namen dieses Softwaremoduls Inventor Studio. Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

4 a) b) c) Bild 4: Rendering mit Inventor Studio in wenigen Schritten: a) Inventor Standard-Darstellung, b) mit Einstellung Globale Beleuchtung und XY- Grundebene reflektierend, c) Ergebnis des Schnell-Renderings mit Inventor Studio. Über die Voreinstellungen hinaus wurde nur die Beleuchtung verändert auf Globale Beleuchtung und die Szene auf XY-Grundebene reflektierend gesetzt. Rendering für Einsteiger: Auf Knopfdruck Hinter jedem dieser vier Begriffe verbirgt sich eine Vielzahl von Funktionen, Optionen und Einstellungen, die dem Profi die Möglichkeit bieten, visuelle Effekte zu nutzen, um das abgebildete Produkt realistisch und besonders wirkungsvoll zu präsentieren. Wie man es bei aktuellen Fotoapparaten gewohnt ist, gibt es aber auch bei Inventor Studio Standardeinstellungen, mit denen der Gelegenheitsanwender schnell zu passablen Bildern kommt, deren Qualität sich von simplen schattierten Inventor-Screenshots deutlich abhebt. Bereits mit den Voreinstellungen (Bild 5) oder mit nur zwei veränderten Parametern für die Beleuchtung und reflektierende Basisebene (Bild 4) liefert die Rendering- Software Bilder, die um vieles lebendiger und effektvoller erscheinen. a) b) Bild 5: Einfacher Klemmring: a) einfache schattierte Inventor-Darstellung, b) Rendering mit Inventor Studio auf Knopfdruck mit Standard- Einstellungen. Alleine die bessere Beleuchtung mit Standard-Einstellungen hebt bereits die Wertigkeit des Inventor Studio-Bildes. Bild 6: Inventor Studio: Die Schaltflächen-Leiste zeigt einen Überblick über die Funktionen der Rendering-Software Nach dem Start von Inventor Studio liefert ein Klick auf Bild rendern in der Schaltfläche Inventor Studio (Bild 6) das Fenster mit den Voreinstellungen. Sofern der Anwender damit zufrieden ist oder die Optionen im Detail nicht kennt, ist ein Rendering der aktuellen Darstellung mit einem Klick auf die Schaltfläche Rendern (Bild 7) sofort möglich. Die Voreinstellungen liefern ein Bild mit einer Größe von 640 x 480 Pixeln, der aktuellen Inventor-Ansicht, solange keine alternative Kamera-Position festgelegt ist, der voreingestellten Beleuchtung, dem aktuellen Inventor-Hintergrund und einer foto-realistischen Aufnahme. Bild 7: Rendern auf Knopfdruck mit Voreinstellungen Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

5 a) b) c) Bild 8: Rendern auf Knopfdruck mit Inventor Studio, Beispiele für Beleuchtungsstile: a) Globale Beleuchtung b) Schreibtisch-Beleuchtung, c) Sicherheitsbeleuchtung Inventor Studio für Fortgeschrittene Im Folgenden geht es darum, weitere Parameter der Software zu nutzen und anzupassen, um wirkungsvollere Bilder zu erzeugen. Bildgröße Hinsichtlich der Bildgröße ist zu beachten, dass die Anforderungen an Bilder für die Darstellung am Bildschirm, auf Webseiten oder im Druck, beispielsweise von Bedienungsanleitungen oder Marketingbroschüren, sehr unterschiedlich sind. In der Regel wird für den Druck eine Auflösung von 300 dots/inch oder 118 Pixel/Zentimeter gefordert. Das bedeutet: Ein Bild mit 640 x 480 Pixeln, das am Bildschirm fast die Größe einer A5-Seite einnimmt (bei üblicher Bildschirmauflösung), ergäbe im Druck ein Bild von maximal 5,4 x 4 Zentimeter. Das ist vergleichsweise winzig, gerade halb so groß wie eine Kreditkarte. Ein Bild, das im Druck eine halbe A4-Seite füllen soll, muss entsprechend eine Auflösung von 2500 x 1800 Pixel besitzen. Ein Titelbild (volle A4-Seite) verlangt mindestens 2500 x 3600 Pixel. Tipp: Für die Weiterverarbeitung von Bildern ist unbedingt darauf zu achten, dass JPG-Bildformate immer mit dem höchsten Qualitätsfaktor (100) abgespeichert werden. JPG-Bilder, die mit niedrigerer Qualität abgelegt werden, ergeben zwar kleinere Dateien, grieseln aber an Kanten und Linien und sind wegen minderer Qualität für die Wiedergabe und weitere Verwendung in Druckmedien nur bedingt geeignet. Bitmap-Formate (BMP, TIF) erzeugen große Dateien, kennen dieses Grieseln aber nicht, und lassen sich beispielsweise mit Winzip sehr gut komprimieren. TIF-Dateien werden auch mit der LZW-Komprimierung (das ist eine Option beim Abspeichern in vielen Grafikprogrammen) sehr effizient verkleinert. Beleuchtung Die Namen der auswählbaren Beleuchtungsstile erklären sich zum großen Teil selbst. Das Bild 8 zeigt drei Beleuchtungsstile beispielhaft: globale Beleuchtung, Schreibtischlicht, Sicherheitsbeleuchtung. Szenen Inventor Studio bietet einige Hintergründe sowie reflektierende und nicht reflektierende Raumebenen an, die entweder Schatten oder Spiegelungen zur Verstärkung der räumlichen Wirkung wiedergeben. Bild 9 zeigt einen Sternenfeld -Hintergrund (a) und eine Darstellung mit einer reflektierenden XY- Grundebene, die unterhalb des Bauteils angeordnet ist, um das gesamte Bauteil zu spiegeln (b). Die Schatten- oder Spiegelebenen können in allen Raumrichtungen und einer frei definierbaren Entfernung vom Bauteil angeordnet werden. Das erfordert allerdings zusätzliche Eingaben und Einstellungen im Fenster Szenenstile. Tipp: Ein leichter Farbverlauf im Hintergrund erhöht die räumliche Wirkung der Darstellung. Hintergründe mit Farbverlauf sind vorhanden. Einfache Hintergründe beruhigen das Bild und lenken weniger vom Objekt ab. a) b) Bild 9: Rendern auf Knopfdruck mit Inventor Studio, Beispiele für Szenenstile: a) Sternenfeld- Szene, b) XY-Grundebene reflektierend (Grundebene versetzt, knapp unterhalb des Bauteils) Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

6 Bild 10: Die Lichtreflexe von Fasen (rechts) erhöhen die plastische Wirkung von Bauteilen. Tipp: Lichtreflexe kleiner Fasen erhöhen die Plastizität der Objekte (Bild 10). Es empfiehlt sich, Fasen in den Konstruktionsdaten einzuführen, also am Modell zusätzliche Fasen anzubringen, wenn die Bauteile das zulassen. Rendertyp Inventor Studio bietet alternativ zum voreingestellten fotografischen Rendertyp realistisch die Option Illustration, mit einer Darstellung, wie sie ein Grafiker ausführen würde (Bild 11a und b). Die Gestaltungsvariante Illustration entspricht einer reduzierten und technischen Darstellung, die man von Bedienungsanleitungen oder technischen Handbüchern kennt. Antialiasing und illustrative Darstellung Im Dialogfenster "Bild rendern" befinden sich noch zwei Registerkarten mit den Bezeichnungen "Ausgabe" und Stil. In der Registerkarte "Ausgabe" lässt sich ein Kontrollkästchen aktivieren. Es veranlasst die Anzeige eines Dialogfelds für das Abspeichern des Bildes. Der Anwender gibt für das Rendering-Bild einen Namen an, wählt einen Speicherort und legt das Format BMP, JPG, PNG, GIF oder TIFF fest. Achten Sie auf den Qualitätsfaktor 100 bei der Abspeicherung als JPG, wenn das Bild für Druckmedien weiterverwendet werden soll. Die Auswahl Antialias stellt die Qualität des Antialiasing ein: Dies ist eine Technik zur Vermeidung des Treppeneffektes bei Kurven und diagonalen Linien, der durch die begrenzte Auflösung und die einzelnen Pixel am Ausgabegerät entsteht. In der Registerkarte "Stil" kann die korrekte Spiegelung von Objekten in der jeweiligen Szene deaktiviert werden. Das Rendern beansprucht dann weniger Zeit. Bild 11: Rendern auf Knopfdruck mit Inventor Studio: a) Realistisch oder b) Illustration Sofern der Rendertyp Illustration im Dialogfenster gewählt wurde, findet man auf dieser Registerkarte Einstellmöglichkeiten für Farben und Kantenlinien der illustrativen Darstellung des Objektes (Bild 11 b). Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

7 Visualisierung für Profis In diesem Abschnitt wollen wir noch weiter in die Details gehen. Oberflächenstile In der Oberflächenbibliothek sind alle wichtigen Materialien und Materialstile bereits hinterlegt. Falls es notwendig ist, können die einzelnen Parameter wie Farbwerte (gleichmäßig, diffus, spiegelnd, ausstrahlend), Reflexion mit wählbarem Spiegelbild, Deckkraft, Streuungs-Map (wählbare Muster) und Relief-Map (wählbare Oberflächenstrukturen) modifiziert oder neue Materialien erstellt werden (Bild 12). Tipp: Im Licht liegende Teile sollten bei der Farboption Gleichmäßig (im Dialogfenster Oberflächenstile /Basis) etwas heller eingestellt werden. a) Beleuchtungsstile Zum Erstellen oder Bearbeiten einer oder mehrerer Lichtquellen in den Beleuchtungsdefinitionen dient das Fenster "Beleuchtungsstile (Bild 13 a). Der anspruchsvolle Anwender kann sich eine angepasste, objektspezifische Beleuchtung aus mehreren Lichtquellen zusammenstellen. Die aktuelle Beleuchtung wird im Modellbrowser angezeigt (Bild 13 b). Über die Registerkarten Allgemein, Indirekt, Schatten, Position werden Umgebungslicht und Schatten festgelegt. In der Beleuchtungsbibliothek sind bereits verschiedene Beleuchtungen hinterlegt und stehen für Anwender, die keine Mühe auf eigene Beleuchtungen verwenden wollen, zum sofortigen Einsatz zur Verfügung. Die wählbaren Parameter in den Registerkarten des Dialogfensters Beleuchtungsstile (Bild 14) sind: Helligkeit (Intensität aller Lichter - funktioniert wie ein globaler Dimmer) Oberlicht (sorgt für eine einheitliche, richtungsunabhängige Szenenbeleuchtung, aktiviert auch indirektes Licht) Umgebungslicht (Intensität oder Stärke der Szenenbeleuchtung) Indirektes Licht (Aktivierung eines angenehmen indirekten Lichts für die globale Beleuchtung, das in der Szene von einem Objekt zum nächsten geworfen wird.) Schatten (Bild 15 links) mit der Typ-Auswahl: ohne, harter, weicher Schatten und Qualitätswahl: niedrige, mittlere und hohe Auflösung. Die Einstellung der Dichte steuert den Schatten zwischen hell und dunkel. Position der Beleuchtung (richtet Beleuchtung auf vorgegebene Grundebenen oder mit der Pfeilfunktion ausgewählte Arbeitsebenen aus.) Der Whitepaper Visualisierung - Jan / 21 b) c) Bild 12: Festlegung der Eigenschaften für Oberflächenstile: a) Reflexion, b) Streuungs-Map, c) Relief-Map

8 Schieberegler Skalieren verringert oder verstärkt die Beleuchtung. Mit einem Rechtsklick auf eine Beleuchtung bzw. einen Beleuchtungsstil initiiert der Anwender ein Popup-Menu (Bild 16 links) zur Bearbeitung von Beleuchtungsstilen und wählt Neues Licht. Er erhält das Dialogfenster für die Definition einer Lichtquelle (Bild 16 rechts). Darin legt er ihre Eigenschaften fest. Zu den Parametern gehören: a) b) Bild 13: Rendern auf Knopfdruck mit Inventor Studio: Voreinstellungen Typ Richtung (Schaltflächensymbol Sonne) definiert eine Lichtquelle mit parallelen Lichtstrahlen einer bestimmten Richtung im Raum, wie sie von einer Lichtquelle kommen, die sich in unendlich großer Entfernung vom Betrachter befindet, z.b. die Sonne. Typ Punkt (Schaltflächensymbol Glühbirne) definiert eine punktförmige Lichtquelle, die Licht in alle Richtungen abstrahlt. Typ Fleck (engl. Spot) definiert eine punktförmige Lichtquelle, die Licht nur kegelförmig in eine bestimmte Richtung strahlt, z.b. ein Scheinwerfer auf der Bühne, eine Taschenlampe. Weitere Parameter, die in den Registerkarten festgelegt werden, sind Intensität, Schatteneigenschaften, Richtung, bzw. für die punktförmige Lichtquelle: Position, Abnahme der Licht-Intensität mit wachsendem Abstand und - für den Spot zusätzlich - der Zielpunkt. Bild 14: Beleuchtungsstile: Helligkeit (links) und Umgebungslicht (rechts) Bild 15: Beleuchtungsstile: Schatten (links) und Position (rechts) Bild 16: Beleuchtung: Neues Licht definieren Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

9 Selbstleuchtende Komponenten (in Inventor Komponentenspezifische Beleuchtung 1 genannt) dienen der Definition von Bauteilen, die selbst Licht abgeben, beispielsweise beleuchtete Schalter oder Kontrollleuchten (Bild 17). Die komponentenspezifische Beleuchtung wird bei einer Animation mit der Komponente oder der Baugruppe bewegt. Erhält die Hauptbaugruppe eine komponentenspezifische Beleuchtung, dann kann sie als zusätzliche Lichtquelle dienen und auch animiert werden. Animierbare Lichtparameter sind: Ein/Aus- Schaltung, Position, Zielpunkt, Farbe und Intensität. Weiche Schatten Der Lichtparameter in der Registerkarte Schatten (Bild 15 links) definiert eine virtuelle Kugel um das Objekt, die das Licht streut 2. Das Ergebnis sind weiche Schatten. Ähnliche Wirkungen erzielt der Fotograf mit einem Reflexschirm. Im Allgemeinen sollte die Größe der Kugel etwas über der Größe eines virtuellen Rahmens um die Baugruppe liegen. Der Effekt wird in dem geteilten Bild 18 deutlich - auf der linken Seite sind weiche Schatten zu sehen, rechts harte Schatten. Bild 17: Darstellung selbstleuchtender Komponenten Bild 18: Weiche Schatten erzeugen durch virtuelle Kugel Bild 20: Beispiel Parameter für Beleuchtung einstellen Bild 19: Beispiel Erstellen eines neuen Beleuchtungsstils Beispiel Beleuchtung Erstellung eines einfachen globalen Beleuchtungsstils: 1. Neuen Beleuchtungsstil markieren (Bild 19) 2. Lichter in diesem Stil: Licht1 ausschalten, restliche Lichter löschen 3. Neuen Beleuchtungsstil markieren 4. In der Registerkarte Allgemein einstellen: Helligkeit 80, Oberlicht aktivieren, Intensität 90 (Bild 20) 5. In der Registerkarte Indirekt : Umgebungslicht 40, Qualität Mittel 6. In der Registerkarte Schatten : weicher Schatten, Dichte 80 1 Neu in Inventor Neu in Inventor 2009 Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

10 a) b) c) Bild 21: Beispiel Parameter für Dreifach-Beleuchtung. Der Quader im Bild steht für die Szene. a) Das Hauptlicht kommt seitlich links von schräg oben, b) Seitenansicht, c) Draufsicht Tipp: Dreifach-Beleuchtung Eine gute Beleuchtung erfordert immer mehrere Lichtquellen (wenigstens drei), um Schlagschatten und dunkle, schlecht erkennbare Konturen zu vermeiden. Dieses Beleuchtungsprinzip der Dreifach-Beleuchtung für Bilder von Einzelobjekten, Produkten oder auch Porträts in der Fotografie soll hier mit einer bewährten Lichtkonfiguration konkret ausgeführt werden: 1. Das Hauptlicht ist dabei das hellste Licht und leuchtet den Großteil der Szene aus (Bild 21a bis c). 2. Das Fülllicht erhellt dunkle, von Hauptlicht nicht beleuchtete Bereiche, vermeidet dunkle Schatten und zu starken Kontrast (Bild 22d und e). 3. Das Hintergrundlicht beleuchtet den Hintergrund und hilft das Objekt vom Hintergrund abzuheben. Es verstärkt so die räumliche Tiefe und räumliche Wirkung der Szene (Bild 22f). Um die Wirkung der Beleuchtung zu erkennen, empfiehlt es sich im Allgemeinen, mit dem Aufbau der Beleuchtung im Dunkeln zu beginnen und sukzessive Lichtquellen zu addieren. Ansicht/Kamera als beim Hauptlicht, nicht symmetrisch. In der Seitenansicht steht es etwa auf der Höhe des Objekts (nicht höher als das Hauptlicht). Die Intensität soll ca. 50% (für stärkere Schatten ca. 25%) des Hauptlichtwerts betragen. Bei mehreren Fülllichtern gilt die Gesamtsumme der Intensitäten als Richtwert. Schatten werden beim Füllicht meist nicht eingeschaltet. Für Reflexionen wird die Lichtfarbe des Fülllichts der Umgebungsfarbe angepasst. Für das Hintergrundlicht soll ebenfalls ein Typ Spot ( Fleck ) zum Einsatz kommen. Der Zielpunkt liegt in der Draufsicht, die Kameraposition liegt ca versetzt hinter dem Objekt, der Ansicht/Kamera gegenüberliegend, in der Seitenansicht über dem Objekt. Die Lichtintensität ist so zu wählen, dass die seitlichen Kanten des Objekts deutlich hervorgehoben werden. Schatten sind zu aktivieren. Tipp: Zum Aufhellen empfiehlt es sich, Punktlicht ohne Lichtabnahme zu verwenden (simuliert eine realistischere Darstellung). Als Hauptlicht bietet sich eine Lichtquelle vom Typ Spot ( Fleck bei Inventor) an. Der Zielpunkt liegt in der Draufsicht, die Position ist ca seitlich zur Ansicht bzw. Kamera, in der Seitenansicht ca höher als die Ansicht/ Kamera. Die Intensität des Hauptlichts ist hoch. Das Hauptlicht alleine sollte bereits ein ansprechendes Rendering, mit guter Balance zwischen Hell- und Dunkelwerten und unterschiedlichen Grautönen in den Schatten, ergeben. d) e) Das Fülllicht kann ebenfalls ein Licht vom Typ Spot ( Fleck ) sein. In der Draufsicht ist es dem Hauptlicht gegenüber liegend positioniert. Der Winkel ist seitlich kleiner gegenüber der f) Bild 22: Beispiel Parameter für Dreifach-Beleuchtung. d) Das Füllicht (3) kommt von der rechten Seite, b) Seitenansicht, c) Hintergrundlicht (2) Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

11 Szenenstile In der Szenenbibliothek sind verschiedene Hintergründe und Umgebungsdarstellungen gespeichert (Bild 23). Falls gewünscht, können neue Szenen erstellt und existierende modifiziert werden. Die Grundebenen sind Schatten- oder Spiegelebenen. Sie können in allen Raumrichtungen und einer frei definierbaren Entfernung vom Bauteil angeordnet werden, um durch Körperschatten oder Spiegelungen die realistische Präsentation eines Produkts oder einer Baugruppe zu verstärken. Bild 23: Rendern auf Knopfdruck mit Inventor Studio: Voreinstellungen Bild 24: Dialogfenster Kamera : Festlegung der Kamera- Position, des Zielpunkts (Bezug) und weiterer Parameter. Kamera Im Zusammenhang mit Inventor Studio bedeutet der Begriff "Kamera" die spezielle Einstellung einer Ansicht, die verschiedenen Aufgaben dienen kann: 1. zum Aufruf vordefinierter Ansichten in einer Baugruppe 2. um eine Ausrichtung innerhalb der Funktionen Bild rendern oder Animation rendern festzulegen 3. zur Ausführung der Funktion "Kamera animieren". Kamera-Einstellungen legt Inventor Studio im Modellbrowser ab. Bild 25: Einstellung einer Inventor Studio Kamera : Kamera-Position (oben), Zielpunkt (Mitte) und Zoomwinkel (schwarze Hilfslinien) Im Dialogfenster "Kamera" (Bild 24) definiert der Anwender den Bezug (Zielpunkt), die Position der virtuellen Kamera, die Art der Projektion (isometrisch oder perspektivisch), den Rollwinkel (Drehwinkel um die Kameraachse), den Zoom-Winkel, Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

12 die Tiefenschärfe 3 (nur bei perspektivischer Projektion) zur Bestimmung eines Bereiches, in dem Objekte scharf dargestellt werden (Beispiel Bild 26). Die Einstellung erfolgt durch zwei Grenzwerte (nah und fern) oder durch einen Blendenwert und eine Fokusebene. Die Tiefenschärfe dient wie bei der Fotografie dazu, ein Objekt oder Detail besonders hervorzuheben. Durch eine Verknüpfung der Fokusebene mit dem Kamerazielpunkt (Bezug) lässt sich die Einstellung vereinfachen. Tipp: Die Betrachtung sollte von links unten nach rechts oben erfolgen (das entspricht der gewohnten westlichen Leserichtung, vgl. Bild 25). Bild 26: Darstellung der Tiefenschärfe Tipp: Achten Sie bei gedrehten Ansichten darauf, dass vertikale Konturlinien exakt vertikal verlaufen. Tipp: Alle Stilinformationen befinden sich in der Inventorinstallation bzw. in dem zugewiesenen Pfad %INSTALLDIR%\Design Data\. In diesem Verzeichnis befindet sich auch ein Backup DesignData.exe der Installationsdaten zur Wiederherstellung. Unter Projekte sollte der Schreibschutz der Stilbibliotheken aufgehoben werden (Bild 27). Bild 27: Tipp zur Verwendung von Stilbibliotheken 3 Neu in Inventor 2009 Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

13 Animation Die einfachste Möglichkeit einer Animation bietet Inventor mithilfe der Orbit-Funktion (Drehen). Bei gleichzeitigem Drücken der Shift-Taste versetzt die Orbit-Funktion ein Bauteil oder eine Baugruppe in eine permanente Rotation bis zum nächsten Mausklick. Eine weitere einfache und schnelle Methode stellt Inventor mit der Präsentationsansicht zur Verfügung: In eine neue.ipn-datei lädt man eine Baugruppe und kann dabei manuell oder automatisch eine einfache Explosionsdarstellung erzeugen. Nun lässt sich entweder die automatische Explosion oder eine Explosion entlang manuell definierter Pfade animieren. Abhängigkeiten animieren Diese Funktion dient im Unterschied zur vorangegangenen zur Animation von Komponenten entlang vorhandener 3D-Abhängigkeiten, aber auch dem Unterdrücken oder Aktivieren von solchen Abhängigkeiten. In der Registerkarte "Animieren" (Bild 29) wird die gewünschte Abhängigkeit ausgewählt, unterdrückt oder aktiviert. Parameter animieren Diese Funktion dient zum Bewegen von Komponenten entsprechend vorher definierter Benutzerparameter. In der Registerkarte "Animieren" wählt der Anwender einen oder mehrere Benutzerparameter aus dem Bereich Animationsfavoriten im Modellbrowser aus. Eine professionelle Animation liefert allerdings erst Inventor Studio. Nach dem Umschalten stehen im Dialogfenster Inventor Studio eine Reihe von Funktionen zur Verfügung, um Komponenten, Abhängigkeiten, veränderliche Parameter, Kamerapositionen, Positionsdarstellungen oder Beleuchtungen animiert darzustellen. Die erzeugten Animationen speichert Inventor Studio innerhalb der Baugruppen ab und verwaltet sie zusammen mit der Baugruppe im Modellbrowser. Dort sind sie jederzeit wieder zu finden und können zu einem späteren Zeitpunkt modifiziert und bearbeitet werden. Komponenten animieren Einfache, bewegte Szenen (Translation, Rotation) von Komponenten, deren Freiheitsgrade in der Baugruppe noch nicht verbaut sind, lassen sich mithilfe der Funktion "Komponenten animieren" erzeugen. Im Dialogfenster "Komponenten animieren" (Bild 28) legt der Anwender dafür die notwendigen Parameter fest. In der Registerkarte "Animieren" sind dies die Angaben für die Zeit (Startseite, Endzeit oder Dauer der Szene), die Auswahl der zu animierenden Komponenten, die Position, mit Angabe von Abstand, Drehung, Umdrehung (in der Unterfunktion 3D-Verschieben/- Drehen wird die gewünschte Bewegung erzeugt) den Pfad, zur Festlegung, ob das Geschwindigkeitsprofil linearer oder geglättet verwendet werden soll. Bild 28: Komponenten animieren Bild 29: Abhängigkeiten animieren In der Registerkarte "Beschleunigung" wird das Geschwindigkeitsprofil festgelegt. Mit Klick auf die Schaltfläche (Vorgang abschließen und neuen Vorgang starten) schließt der Anwender die aktuelle Definition ab. Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

14 Fade-Animation Zur Animation des Ausblendens und Einblendens der Sichtbarkeit von Komponenten (engl. Fading) dient die Funktion "Fade-Animation. In der Registerkarte "Animieren" sind dafür eine oder mehrere Komponenten auszuwählen (untergeordnete Komponenten werden automatisch mit einbezogen). Positionsdarstellung animieren Diese Funktion animiert vorher (im Modellbrowser) definierte Positionsdarstellungen. In der Registerkarte "Animieren" wählt der Anwender die Startposition und Endposition aus. Bild 30: Kamera entlang eines Pfades animieren Kamera animieren Die Animation der Bewegung einer virtuellen Kamera erfolgt analog. In der Registerkarte "Animieren" (Bild 30) wählt der Anwender eine Kamera aus einer Liste, unter Definition legt er Kamera-Parameter fest (Blickrichtung, Position) (vgl. Bild 31), mit der Option Pfad (Bild 30) kann er eine Skizze für die Kamerafahrt festlegen. In der Registerkarte "Drehscheibe" (Bild 32) wird eine Achse gewählt, um die sich die Drehscheibe dreht, sowie die Anzahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit. Bild 31: Kamera-Definition Bild 32: Kamera auf einer Drehscheibe animieren Bild 33: Animation einer Kamerafahrt entlang eines Pfades Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

15 Animationsablaufprogramm Zur Darstellung der einzelnen Animationsvorgänge dient das Animationsablaufprogramm (Bild 35). Dieses Dialogfenster wird automatisch innerhalb jeder Animationsfunktion angezeigt. Ein Browser zeigt die Struktur der animierten Objekte, Kameras und Parameter an. Die Symbole zur Ablaufsteuerung entsprechen den üblichen Symbolen eines Recorders. Die Funktion (Animationen aufzeichnen) ruft auch die Funktion "Animation rendern auf. Die Schaltfläche (Animationsoptionen) öffnet ein Dialogfenster (Bild 34), in dem das Geschwindigkeitsprofil der Animation festgelegt wird Videoerstellung Der sogenannte Videoersteller 4 (Bild 36) unterstützt die zeitliche Aneinanderreihung und das Rendern mehrerer Aufnahmen und die Erstellung von Übergängen zwischen den zuvor erzeugten Aufnahmen (Ausund Einblenden). Dabei stellt jede Aufnahme eine Kombination von Vorgängen dar. Standardmäßige Übergangsarten stehen vordefiniert zur Verfügung. Bild 35: Animationsablaufprogramm Bild 34: Animationsoptionen: Geschwindigkeitsprofil Bild 36: Videoerstellung Fazit Von der schattierten Darstellung in Inventor ist es nur noch ein kleiner Schritt zu fotorealistischen Renderings und Animationen mit Inventor Studio, zumal diese Software ein integierter Bestandteil des Inventor-Pakets ist. Die Werkzeuge für die Erstellung perfekter Bilder für Produktkataloge, Broschüren und Präsentationen sind also immer vorhanden. Einfache und wirkungsvolle Renderings lassen sich mit Standardeinstellungen auf Knopfdruck erzeugen. Aber auch ausgefeilte Präsentationen oder Animationen unterstützt Inventor Studio mit effizienten Werkzeugen. Eine Einweisung oder Schulung erscheint für anspruchsvollere Aufgaben als sinnvoll, weil das Selbststudium voraussichtlich deutlich mehr Zeit kostet. 4 Neu in Inventor 2009 Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

16 Autodesk Showcase Viele Unternehmen sehen in der Formgebung ihrer Produkte heute eine strategische Aufgabe. In Märkten, in denen Produktfunktionen und Preise kaum mehr als Differenzierungsmerkmale wahrgenommen werden, gelten die emotionale Bindung an eine Marke, das "Markengesicht", die Ästhetik der Form, Ergonomie und modische Trends als ausschlaggebende Gründe einer Kaufentscheidung. In diesen umkämpften Märkten stehen die Industriedesigner und Verantwortlichen in den Unternehmen permanent unter dem Druck, die Gestaltung ihrer Produkte weiter zu entwickeln, neue Trends frühzeitig zu erkennen oder zu prägen. Möglichst früh und parallel zur Festlegung der technischen Funktionen und Komponenten sollen die gestalterischen Gesichtspunkte und Elemente entwickelt und immer wieder mit den Verantwortlichen überprüft und diskutiert werden. die Optimierung der Produktergonomie die Bewertung und Auswahl von Farben und Materialien die Beurteilung und Bewertung von Gestaltungsentwürfen und Formen die funktionale Überprüfung von Konstruktionen die Präsentation von Produkten vor Entscheidungsgremien oder in der Verkaufsphase die digitale Fotoproduktion ohne aufwendige Foto- Shootings vor Ort die After Market-Aufgaben: Service, Instandhaltung, Dokumentation. Die Funktionen von Showcase gliedern sich in die Bereiche der Erstellung von Produktvisualisierungen, ihrer Bearbeitung und der Präsentation. Showcase erleichtert genau diese Prozesse und beschleunigt so die wichtigen Entscheidungen, die sich auf die Gestaltung beziehen. Die Software liest die unterschiedlichsten CAD-Formate ein und unterstützt Bild 37: Autodesk Showcase unterstützt die Produktentwicklung durch realistische, interaktive Visualisierung und erstklassige Echtzeit- Rendering-Qualität Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

17 CAD-Import Showcase-Anwender nutzen 3D-CAD-Modelldaten, die aus Systemen wie Autodesk Inventor, Autodesk AliasStudio, oder anderen CAD-Systemen kommen. Mithilfe der Autodesk-DirektConnect-Konvertierungsprogramme importiert Showcase Formate wie STEP, IGES, SGI Open Inventor, CSB, APF, STL, SolidWorks und ProENGINEER /Granite. Optional gibt es Unterstützung für weitere Formate wie JT, UGS NX, Catia V4 und V5 (Bild 38). Strukturinformationen über Layer, Material oder Hierarchie bleiben dabei erhalten. Showcase kann automatisch den Material-Informationen des CAD- Systems die passende Showcase-Materialdefinition zuordnen. Daten organisieren Mithilfe eines Strukturbrowsers für Baugruppendaten ist der Anwender in der Lage, Baugruppen neu zu organisieren, neu zu gruppieren oder umzubenennen. Die 3D-Modelle optimiert Showcase für die Visualisierung und stellt sie intern als tesselierte Flächen (Flächen, die aus Dreieckselementen bestehen) dar, um die Ergebnisse in hoher Qualität und in Echtzeit-Frame-Raten 5 zu präsentieren. Ein neuer Tesselator liefert Netze mit durchgehenden Bild 38: Showcase versteht eine große Zahl von CAD-Formaten Linien und hochwertige Oberflächen, dabei benötigt er 30 Prozent weniger Polygone als andere Tesselatoren. Anpassbare Tesselierungsregeln ermöglichen dem Benutzer eine Umstrukturierung des Modells für die Visualisierung. Bild 39: Mit dem Showcase Organizer verwaltet der Anwender Baugruppenstukturen 5 Bildraten, Bildgeschwindigkeit Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

18 Realistische Materialien Anhand einer Bibliothek hochwertiger, anpassbarer Materialien gibt der Anwender seinem virtuellen Prototyp ein realistisches Erscheinungsbild. Er wählt aus einer breiten Palette vorhandener und gängiger Materialien (z. B. Autolack, Glas, Leder, Metalle und Kunststoffe) aus oder passt die Materialien individuell an (Bild 40). Bild 40: Materialauswahl Umgebungsschatten Besonders realistische Ergebnisse erzielt Showcase durch die Simulation natürlicher Umgebungsschatten (Bild 41). Bild 41: Definition von Licht und Schatten Umgebungen erstellen und bearbeiten Der Anwender erstellt seine eigenen Umgebungen oder verwendet Szenenbilder aus der vorhandenen Umgebungsbibliothek, um neue Umgebungen zu erstellen oder vorhandene zu kombinieren (Bild 42). Er kann zudem hochwertige 360 -HDRI-Aufnahmen (High Dynamic Range Imaging 6 ) importieren, die Position, Größe und Geometrie einrichten, um seine Szenenbibliothek zu erweitern. Die Lichtverhältnisse des Szenenbildes werden dabei für die Beleuchtung des Objekts genutzt, um einen realistischen Gesamteindruck zu erhalten. 6 digitale Bilder mit hohem Kontrast, einem großen Wertebereich Bild 42: Definition von Licht und Schatten zwischen hell und dunkel Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

19 Untersuchung von Entwurfsalternativen Um über verschiedene Lösungen diskutieren und entscheiden zu können, verfügt Showcase über ein Alternativensystem, das die Vorbereitung komplexer Alternativen und den Wechsel zwischen ihnen sehr einfach macht (Bild 43). Es erleichtert den Austausch von Geometrievarianten, Materialien, Farben, Positionen und die unterschiedliche Kombination dieser Alternativen während einer Präsentation per Mausklick. Animation Durch die Simulation einer dynamisch bewegten Kamera wird ein Produkt lebendig. Details lassen sich besonders hervorheben. Mit wenigen Mausklicks definiert auch der weniger erfahrene Anwender Szenenübergänge (engl. Fading). Er wählt einfach den Übergangstyp und die Ansichten für Anfang und Ende der Aufnahme. Showcase erstellt die Sequenz dann automatisch (Bild 44). Während der Präsentation kann er solche Bildsequenzen einfach per Mausklick abrufen. Bild 43: Vorbereitung von Design-Alternativen Drehtisch Bei der Anwendung dieser Funktion wird das virtuelle Modell auf einen Drehtisch gestellt und die Bewegung des Drehtischs festgelegt. Die Verwendung des Drehtischs für mehrere Alternativen erleichtert die Beurteilung subtiler Unterschiede von Designalternativen (Bild 45). Storyboard Ein Storyboard ist die skizzierte Version eines Drehbuchs. Im Falle von Showcase bedeutet es die Erstellung eines Präsentationskonzeptes, bestehend aus einer durchdachten Abfolge animierter Szenen. Mehrere Varianten, etwa verschiedene Umgebungen, alternative Gestaltungen, Ablauf oder Kamerasteuerung können per Mausklick aktiviert werden. Bild 44: Dialogfenster für das Einblenden / Ausblenden animierter Szenen Bild 45: Dialogfenster für die Drehtisch-Simulation Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

20 Realtime Raytracing Showcase besaß bisher eine Rendering-Funktionalität auf der Basis von OpenGL. Diese war schnell, lieferte eindrucksvolle Bilder und konnte beispielsweise auch Spiegelungen der Umgebung darstellen. Für Kenner und höchste Ansprüche ist das nicht genug. Ohne Raytracing fehlen den 3D-Objekten beispielsweise Spiegelungen in sich selbst, etwa der beiden PDAs, die jeweils das benachbarte Objekt auf der eigenen Oberfläche spiegeln (Bild 46). Viele Software-Systeme beherrschen nur das Offline- oder Software-Raytracing. In einem langwierigen Prozess, der je nach verfügbarer Rechnerleistung und Objekt eine halbe Stunde oder Stunde dauern kann, erzeugen diese Systeme Bilder mit Raytracing-Unterstützung. Das neue Online- oder Realtime- Raytracing 7 erfordert Hardwareunterstützung und erfordert leistungsfähige Grafikprozessoren. Von Realtime-Raytracing spricht man, wenn ein Grafiksystem wenigstens 15 Frames pro Sekunde erzeugt. Die neue Showcase-Version wurde mit Nvidia-Grafikprozessoren entwickelt und ist für die Prozessoren der mittleren und oberen Leistungsklasse dieses Herstellers zertifiziert. Sie steuert die Bildqualität und die Tiefe" des Raytracing durch entsprechende Parameter, um beispielsweise die Transparenz und Reflexionen bei Glasobjekten realistisch zu simulieren. Sie erlaubt jetzt die Generierung von Raytracing- Bildern und Animationen in höchster Perfektion und Echtzeit, oder bei komplexen Objekten in Sekunden statt Stunden. Bild 46, oben: Visualisierung mit Realtime Raytracing. Nur Raytracing macht Spiegelungen von Objekten in sich selbst möglich. Unten: ohne Raytracing. 7 ab Showcase 2009/R1 Whitepaper Visualisierung - Jan / 21

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