Virtuelle Präsentation von Schuhmodellen

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1 Virtuelle Präsentation von Schuhmodellen Ausgangssituation Die Schuhindustrie ist ein sehr modeabhängiger Industriezweig, dessen Produkte für jede Saison neu entwickelt werden. Wurden in der Vergangenheit nur zwei Kollektionen pro Jahr erstellt (Sommer- und Winterkollektion), steigt heute die Anzahl der Kollektionen an. Die Schuhindustrie muss schnell auf die häufig wechselnden Modetrends reagieren, um ständig aktuell auf dem Markt vertreten zu sein. Bei der Produktionsvorbereitung spielt der Faktor Zeit eine wichtige Rolle. So können die Schuhmodelle, Sohlen, Absätze, Brandsohlen usw. erst dann gefertigt werden, wenn der Leisten als reales Objekt bei den Firmen vorliegt. Auch die Zusammenstellung der kompletten Schuhmodelle ist erst möglich, wenn die anderen Komponenten geliefert wurden. Heute benötigen die Schuhhersteller ca. 5 Monate für die Entwicklung einer Kollektion. Nur wer schneller mit den neuesten Modellen auf dem Markt ist, kann die Nachfrage der Kunden zuerst befriedigen. Eine enorme Zeiteinsparung kann durch die parallele Entwicklung der einzelnen Komponenten erreicht werden. In den Schuhfirmen und den Zulieferbetrieben wird mit modernen CAD-Systemen gearbeitet, die meist auch eine 3D-Arbeitsweise ermöglichen. Dies wird jedoch selten mit allen gebotenen Möglichkeiten genutzt, da sowohl die Darstellung der Objekte nicht stereoskopisch erfolgt (damit fehlt der Tiefeneindruck) als auch ihre Lageveränderung während des Betrachtungsvorgangs meist nur mit der Computermaus oder Tastatureingaben bewerkstelligt werden kann. Dies ist für die bisher sehr konventionell und objektbezogen arbeitenden Designer und Modelleure eine unbefriedigende, ungenügende und ungewohnte Darstellung, zumal neben dem nicht vorhandenen Tiefeneindruck in den Darstellungen meist auch der Fotorealismus fehlt. Sie sind es gewöhnt, den Schuh oder die Komponente für die Begutachtung in die Hand zu nehmen und sie von allen Seiten und beliebigen Entfernungen zu betrachten. Bei den CAD-Systemen ist außerdem auch oft nur eine Einzeldarstellung des jeweiligen Schuhteils möglich und nicht die Komplettdarstellung des gesamten Schuhes mit allen Schuhkomponenten im Zusammenspiel. Aus diesem Grund sind zwar die 3D-Daten der einzelnen Komponenten vorhanden, werden aber nicht für die Modellentwicklung und Präsentation der Schuhmodelle in ihrer Endform genutzt. Für die Entwicklung sind die Firmen immer noch auf die Lieferung der realen Schuhkomponenten angewiesen. Zielstellung Ziel des Projektes war es, die Grundlagen für das Virtuelle Prototyping im Bereich der Schuhproduktion durch Anwendung der innovativen Techniken der Virtuellen Realität zu schaffen. Virtuelles Prototyping heißt in diesem Zusammenhang, dass bereits in den der Fertigung vorgelagerten Prozessen, die von der Produktidee über den Entwurf bis zur Fertigungsvorbereitung reichen, realitätsnahe visuelle Produktpräsentationen zur Produktbewertung vorgenommen werden. Das ermöglicht Fehlentwicklungen möglichst früh zu erkennen und somit Zeit und Kosten einzusparen. Außerdem ist mit einer solchen virtuellen Produktpräsentation von verschiedenen Modellvarianten vor den Einkäufern des Handels eine begründete Selektion der Modelle mit hoher Akzeptanzerwartung noch vor der Musterschuhherstellung möglich. Zur Realisierung der Projektzielstellung sollten die von den verschiedenen CAD-Systemen kommenden 3D-Schuhkomponentendaten zu einem Virtuellen Modell (Szenegraph) zusammengeführt, um VR-spezifische Informationen ergänzt und mit VR-typischen Sichtgeräten stereoskopisch dargestellt werden. Sowohl der Betrachterstandpunkt, seine Blickrichtung als auch die Position und Drehlage des virtuellen Schuhs sollen mit intuitiven Aktionen des Betrachters beliebig wählbar und stetig veränderbar sein. Ziel war es, dass

2 darauf die stereoskopische Visualisierung des virtuellen Schuhs ohne Verzögerung und mit stetigen, ruckelfreien Bildsequenzen (d.h. in Echtzeit) reagiert. Durch Kombination der 3D-Daten verschiedener, maßlich zusammenpassender Schuhkomponenten, kann eine Vielfalt möglicher Schuhmodelle dargestellt und begutachtet werden, ohne sie dazu erst fertigen zu müssen. Ebenso wurde angestrebt, den virtuellen Schuh mit genau den Materialien (Lederart und -farbe, Ösen, Accessoires u.a.) zu visualisieren, welche bei seiner späteren Herstellung verwendet werden. In Abhängigkeit VR-typischer Visualisierungshardware wie Monitore mit Shuttertechnik, Head Mounted Displays (Datenhelme), 3D-Bildschirme und Projektionssysteme sollten im Projekt verschiedene Präsentationsformen realisiert und ihre Eignung bewertet werden. So werden Präsentationen für Einzelpersonen vorzugsweise mit 3D-Bildschirmen oder Datenhelmen durchgeführt, während für Gruppenpräsentationen Großbildschirme oder Projektionssysteme zum Einsatz kommen. Zur Steuerung des Präsentationsvorgangs sollten neben den üblichen VR-spezifischen Interaktionsinstrumenten wie Mouse und Spacemouse oder Datenhandschuh, spezielle dem Designer und Modelleur vertraute Interaktionsformen zur Verfügung gestellt werden. Nur auf diese Weise kann eine gute Benutzerakzeptanz bei den Anwendern erreicht werden, die keinen oder nur wenig Umgang mit dem Computer haben. Lösungen Zur Verwirklichung der oben formulierten Leistungsmerkmale wurde ein Softwareexperimentalsystem zur virtuellen Schuhpräsentation mit den Systemkomponenten o Konverter o InOut-Komponente o Visualisierungskomponente o Motion Tracking Komponente o Interaktionskomponente o Applikationskomponente und o Steuerkomponente entwickelt (Bild 1). Bild 1: Systemstruktur

3 Der Anwender kann seinen Standpunkt, seine Blickrichtung als auch die Position des virtuellen Schuhs beliebig wählen und stetig verändern. Die Visualisierung des virtuellen Schuhs reagiert darauf ohne Verzögerung (d.h. in Echtzeit) mit stetigen ruckfreien Bildsequenzen. Ebenso ist es möglich, die Erscheinungsform des Schuhes in Abhängigkeit verschiedener Materialien, Farben und Oberflächenbeschaffenheiten bereits am virtuellen Schuhmodell zu beurteilen. Interaktion Zunächst wurde eine Benutzerschnittstelle entworfen, implementiert und getestet (Bild 2), die in besonderer Weise der Forderung nach intuitiver Steuerung der Systemfunktionen Rechnung trägt. So hat sich als Instrument zur Veränderung der Position und Winkellage des dargestellten virtuellen Schuhs ein Schuhleisten in den Händen des Betrachters bewährt. Gleiches gilt für einen Stift, welcher zur Auswahl einzelner Schuhbestandteile für nachfolgende Manipulationen als auch zur Steuerung der Systeminteraktion genutzt wird (Bild 3). Durch diese Multifunktionalität ist der Anwender nicht mehr gezwungen, zwischen verschiedenen Eingabegeräten zu wechseln. Bild 2: Benutzerinteraktion Bild 3: Interaktionsgeräte

4 Motion Tracking Die implementierten Interaktions- und Motion Tracking Komponenten des Softwaresystems zur Bewegungsverfolgung der Augen des Betrachters und seiner Interaktionsgeräte ermöglichen die Verwendung optischer und magnetischer Trackingsysteme. Im Test hat sich gezeigt, dass die magnetischen Trackingsysteme FASTRACK und ISOTRACK II von Polhemus sowie MotionStar von Ascension zur Navigation des dargestellten virtuellen Schuhs ausreichend genaue Messwerte zur Verfügung stellen. Bei Interaktionen, die das Identifizieren von Schuhelementen erfordern, sind sie jedoch nur bedingt verwendbar. Besonders problematisch wird ihr Einsatz, wenn metallische Gegenstände oder elektrische Geräte in den Arbeitsraum der VR-Applikation gelangen. Erwartungsgemäß ist die Anfälligkeit des Gleichstromtrackingsystems MotionStar gegenüber äußeren Einflüssen geringer. Auf Grund der geringen Reichweite von 1,5 m bei Fastrack und Isotrack II sind diese nur für Bildschirm- und HMD-Apllikationen geeignet. Für die Großbildprojektion kommen nur Trackingsysteme in Frage, die eine Reichweite bis zu 3 m bewältigen können. Hierzu haben wir erfolgreich mit MotionStar und dem IR-optischen Trackingsystem ARTtrack gearbeitet. Im Vergleich lieferte das optische Trackingsystem die genaueren Messwerte. Visualisierung Die Anforderungen an die Visualisierungskomponente des VR-Experimentalsystems hinsichtlich der Realitätsnähe des dargestellten Virtuellen Schuhs sind höher als bei üblichen VR-Applikationen. Es wird eine High Quality Visualisierung benötigt, die jedoch die Echtzeitfähigkeit des Systems nicht gefährden darf. Diese Forderung wird von der Visualisierungskomponente des im Projekt entwickelten Experimentalsystems weitestgehend erfüllt. Insbesondere war zu entscheiden, ob die Darstellung der verschiedenen Schuhdetails auf der Basis einer Geometrieverfeinerung oder durch spezielle Texturierungstechniken durchgeführt werden sollte. Im Rahmen des Projektes wurden beide Ansätze verfolgt und jeweils abhängig von den zu visualisierenden Schuhbestandteilen die jeweils effizientere Methode angewendet. Bei der Visualisierung gewölbter polygonaler Oberflächen dürfen die Polygonkanten optisch nicht wahrnehmbar sein. Dem kann man begegnen, indem man das Gitternetz der polygonalen Oberfläche verfeinert. Da eine Verfeinerung über die gesamte darzustellende Fläche den Berechnungsaufwand bei der Visualisierung deutlich erhöht, ist im System eine Subdivisiontechnik implementiert. Sie nimmt eine Verfeinerung nur dort vor, wo sie erforderlich ist. Die Detailtreue bei Durchbrüchen (wie Lochmustern im Schaftleder), Nähten, Schmuckelementen, Schnürungen usw. ist im CAD-Modell zu gering. Nähte und Lochmuster werden von CAD lediglich als Raumkurven oder Folgen von Raumpunkten geliefert, deren Visualisierung nicht sehr realitätsnah wirkt. Deshalb fiel im Projekt die Entscheidung, Nähte und Lochmuster im Schaft durch lokale Verfeinerung der Geometrie in das Virtuelle Schuhmodell einzubringen. Ebenso wird der Faden einer Naht als Geometrie dem Schuhmodell hinzugefügt. Auch Lochmuster und verschiedene Schmuckelemente können in gleicher Weise sichtbar gemacht werden.

5 Bild 4: Schattierte Darstellung der gesetzten Naht Die entwickelte Software erlaubt das Kreieren verschiedener Nahttypen (siehe Bild 5). Bild 5: Nahttypen Fotorealismus durch Strukturtexturen Eine fotorealistische Darstellung der Schuhoberflächen ist nur durch die Verwendung spezieller Texturarten und Texturierungsmechanismen möglich. Zusätzlich besteht die Forderung, dass die texturierten Oberflächen genau den physisch vorliegenden Materialien entsprechen. Hierzu wurde eigens ein Gerät zur fotographischen Erfassung von Ledermaterial entwickelt.

6 Stereoskopische Erfahrbarkeit Eine stereoskopische Erfahrbarkeit fordert die korrekte (d.h. betrachtergenaue) stereoskopische Präsentation, die den Einsatz von Trackingsystemen zur Bewegungsverfolgung der Betrachteraugen notwendig macht. Die Integration solcher Trackingsysteme in Großbildprojektionsumgebungen (etwa der Powerwall und der Curved Screen) ist im Experimentalsystem realisiert. Eine weitere und durchaus akzeptable Präsentationsform ist die Visualisierung der Schuhmodelle mit einem 3D-Bildschirm (Bild 6), wobei zur Bewegungsverfolgung des Schuhleistens und des Zeichenstiftes ein einfaches magnetisches Trackingsystems (Fastrack oder Isotrack2 von Polhemus mit jeweils zwei Sensoren) zum Einsatz kommt. Wie sich gezeigt hat, ist bei dieser Präsentationsform die Verfolgung und Auswertung der Betrachteraugen und die Berechnung betrachtergenauer Bilder nicht zwingend. Die Qualität der stereoskopischen Erfahrbarkeit ist wegen des geringeren Immersionsgrades etwas schlechter als bei der stereoskopischen Großbildprojektion. Bild 6: Schuhpräsentation am 3D-Bildschirm mit magnetischem Trackingsystem Material-, Sohlen- und Accessoirebibliothek Zum Austausch bestimmter Schuhbestandteile (Schaftmaterial, Sohle, Schmuckelemente usw.) wurde eine erweiterbare Bibliothek geschaffen, aus der der Benutzer über ein 3D- Menü seine gewünschten Elemente auswählen kann. Dieses räumliche Auswahlmenü ist für alle wählbaren Sortimente identisch. Die vier Farbbereiche auf dem Leisten (Bild 7 oben) dienen hierbei als kontextabhängige Schaltflächen, mit denen die jeweils möglichen Aktionen gesteuert werden können.

7 Bild 7: Auswahl eines Materials aus der Datenbank Zusammenfassung Die erreichten Ergebnisse des Forschungsprojektes liefern eine Qualität der Schuhpräsentation, die eine echte Begutachtung und Bewertung des digitalen Schuhmodells noch während der Fertigungsvorbereitung ermöglichen. Dadurch kann schnell auf Modetrends reagiert und Fehlentwicklungen, noch vor der Musterschuhherstellung, vermieden werden. Damit sind schnell und frühzeitig Modellkorrekturen bzw. Modellselektionen möglich, womit sich Entwicklungszeit und -kosten bei der Schuhproduktion erheblich reduzieren lassen. Dieses Projekt stellt den Einstieg in die Nutzung der virtuellen Realität in der Schuhindustrie und ihrer Zulieferbetriebe dar. Bereits während der Projektbearbeitung zeigten sich die nächsten zu gehenden Schritte, um diese Technik für diesen Industriezweig nutzbar machen zu können. Ein entsprechendes Folgeprojekt wurde bereits begonnen. Wir möchten uns auf diesem Wege bei allen Firmen bedanken, die uns bei unserer Arbeit unterstützt haben. Das Forschungsprojekt wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.v. (AiF) gefördert. Der Abschlussbericht kann beim PFI unter folgender -adresse angefordert werden: