Virtuelle Rekonstruktion einer Klosteranlage Animation und Informationssystem

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1 VDI-Fotschrittsberichte, Reihe 4,Nr.163, S , VDI_verlag, Düsseldorf, 1997 Virtuelle Rekonstruktion einer Klosteranlage Animation und Informationssystem Dipl.-Ing. Martin Keller, Dr.-Ing. Karsten Menzel, cand.-ing. Petra Schulz Institut für ComputerAnwendungen im Bauingenieurwesen, TU Braunschweig Kurzfassung: Der Einsatz von CAD und Visualisierungstechniken bei der Gestaltung und der Präsentation von Bauwerken wird immer verbreiteter. Diese Techniken können aber auch genutzt werden, um zerstörte bzw. zerfallende Gebäude virtuell wieder auferstehen zu lassen. In einem weiteren Schritt ist es dann möglich dem CAD-Modell Informationen anzuhängen. Diese Informationen können durch einen Besucher bei einem virtuellen Rundgang abgerufen werden. Einleitung Ausgehend von den technischen Neuerungen im Bereich der Visualisierungstechniken ist es möglich, Bauwerke heute nahezu photorealistisch darzustellen. Dies bedeutet nicht nur eine Unterstützung der Planungsaktivitäten für Neubauten oder im Bereich Facility Management, sondern in gleicher Weise können auch historische Bauwerke, welche ganz oder teilweise zerstört sind, mit Hilfe von CAD- und Visualisierungssoftware als digitale Rekonstruktion wieder auferstehen. Durch zusätzliche Animations- und VR-Techniken kann der Betrachter sich auf eine Reise durch das virtuell rekonstruierte Gebäude begeben und so einen Eindruck über den ursprünglichen Zustand bekommen. Neben der visuellen Darstellung des Gebäudes kann das virtuelle Modell auch als Metapher für die Nutzeroberfläche eines Informatiossystem genutzt werden. In einer Kombination aus Information und Unterhaltung sind verschiedene Nutzungsmodi möglich. In diesem Beitrag soll dargestellt werden, welche Schritte bei einer digitalen Rekonstruktion vollzogen werden müssen, um als Ergebnis einerseits einen Videofilm sowie andererseits ein interaktives Informationssystem zu erhalten. Als Beispiel zur Erläuterung der Thesen dient ein aktuell bearbeitetes Projekt, der Rekonstruktion des teilweise nur noch als Ruine vorhandenen Klosters Walkenried im Südharz.

2 Beispielobjekt Das Kloster Walkenried im Südharz besteht bereits seit dem 12ten Jahrhundert und gehört zu den eindrucksvollsten monumentalen Kirchenbauten der Gotik in Niedersachsen. Auf Grund der wirtschaftlichen Macht des Klosters entstanden in den anschließenden Jahrhunderten immer neue Gebäude. Zentraler Mittelpunkt war die im Jahre 1253 fertiggestellte Klosterkirche mit dem angeschlossenen Kreuzgang. Die Gesamtlänge der Kirche betrug 92 m, die maximale Breite m und die lichte Höhe des Mittelschiffes 22,30 m. Die Grundrißposition läßt auf eine einheitliche Planung schließen, die noch in der Spätromantik wurzelt, während einige Baudetails der Frühgotik angehören. Im 14. Jahrhundert erfolgte ein spätgotischer Umbau. Nach einer Verwüstung der Klosterkirche im Jahre 1525 diente die Ruine bis zum 19. Jahrhundert als Steinbruch. Erhalten geblieben sind nur die westliche Giebelfassade, Partien des südlichen Querhauses und Teile des Chorpolygons. Da aus der Bauzeit keine genauen Unterlagen über die Klosterkirche existieren, ist die Raumgestaltung umstritten. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts haben mehrere Forscher versucht die Klosterkirche zu rekonstruieren. Wobei sie zum Teil zu unterschiedlichen Ergebnissen kamen. Die detaillierteste Beschreibung stammt aus dem Jahr 1910 von Karl Steinacker [5]. Dessen Aufzeichnungen dienen auch als Vorlage für das CAD- Modell. Datenaufnahme Abbildung 1: Klosteranlage Walkenried Vor der virtuellen Rekonstruktion historischer Bauwerke ist es notwendig eine Analyse über die vorhandenen (historische) Aufzeichnungen zu machen. Ausgehend von der

3 Tatsache, daß viele historische Unterlagen nicht mehr zur Verfügung stehen, ist zu betrachten, welche Genauigkeiten und Informationsdichte für die einzelnen Nutzungsmöglichkeiten erforderlich sind. Dabei ist darauf zu achten, daß die computergetützte, virtuelle Rekonstruktionen nicht zu unerwünschten Fehldarste llungen führen. Zeitgenössische Darstellungen bieten häufig nur Anhaltspunkte für das dreidimensionale Modell, und müssen in vielen Details an die in der Zeit üblichen Bauweise angepaßt werden. Dieses Beinhaltet eine Untersuchung der unterschiedlichen Baustiele der einzelnen Epochen. Durch eine Analyse der Proportionen des Projektes kann zu Beginn der Modellierung ein dreidimensionales Gerüst der Systemlinien des Bauwerkes bestimmt werden. In Anlehnung an dieses Gerüst können die unterschiedlichen Bauteile in ihren Dimensionen an das Gesamtbauwerk angepaßt weden. CAD-Modellierung Ausgangspunkt einer Visualisierung ist das CAD-Modell. Dieses beschreibt die räumlichen Zusammenhänge das Gebäudes durch Oberflächen- und Volumenmodelle (siehe Abbildung 2). Dabei sind insbesondere die (scheinbar) divergierenden Anforderungen, die sich einerseits aus der angestrebten, möglichst detailgetreuen Darstellung und andererseits aus einer effizienten und schnellen Berechnung der Visualisierung ergeben, zu beachten. Dieses schließt Überlegungen zum Grad der Detaillierung, der Oberflächengestaltung, der Nutzung von Lichtquellen usw. ein. lines wire-frame surface solid surfaces volumes surface, surface, solid solid from 3D wire-frame model surface model B-Rep model Constructive Solids Geom. Abbildung 2: Modellierugstechniken

4 Da bei diesem Projekt die Visualisierung des Gebäudes im Vordergrund steht, und es sich weniger um ein technisches Modell handelt, können Kompromisse in der Detailierung und Genauigkeit eingegangen werden. Weiterhin kann durch die Identifizierung von baugleichen Bauteilen und Bauteilgruppen der Arbeits- und Rechenaufwand reduziert werden. Virtuelles Modell Abbildung 3: Maschenmodell vom Kloster Cluny [1] Die virtuelle Realität modelliert die Attribute der physischen Welt, die mit den Sinnen des Menschen faßbar sind [2]. Über entsprechende Darstellungstechniken ist es möglich die künstliche, virtuelle Welt der physischen, realen Welt vergleichbar präsent erscheinen zu lassen. Die virtuelle Rekonstruktion als Videofilm soll potentiellen Nutzern einen Eindruck über das ursprüngliche Erscheinungsbild der Klosterkirche vermitteln. Über einen vordefinierten Kamerapfad bewegt sich der Betrachter durch und um das Gebäude. Dabei ist auf eine möglichst natürlichen Sichtweise eines gehenden Menschen zu achten. Der gesamte Film besteht aus Einzelbildern, die in Größe und Bildabfolge auf das Bild eines PAL-Bildschirmes (768*576 Pixel bei 25 Bilder/Sec) abgestimmt werden müssen. Um einen CAD-Datensatz sichtbar zu machen, können unterschiedliche Visualisierungstechniken angewendet werden. Zu diesen Verfahren zählen: Flat Shading, Gouraud Shading, Phong Shading, Ray-Tracing und Radiosity. Diese Algorithmen stellen meistens Annäherungen an physikalische Gesetzmäßigkeiten dar und verwenden unterschiedliche Verfahren der Physik als Berechnungsgrundlage [4]. Die Ergebnisse der unterschiedlichen Algorithmen unterscheiden sich sowohl in Qualität, als auch in dem Rechenaufwand. Das für den Film verwende Visualisierungsverfahren ist Ray-Tracing. Dabei werden von einer synthetischen Kamera (dem Bildschirm) aus die theoretisch eintreffenden Lichtstrahlen bis zur Lichtquelle verfolgt. Dadurch reduziert sich die Anzahl der möglichen

5 Lichtstrahlen auf die für die Darstellung notwendigen. Jeder Lichtstrahl wird bis zur Lichtquelle verfolgt, wodurch sich Brechnungen, Spiegelungen und Schatten darstellen lassen. Spiegel Lichtquelle Objekt Schatten Betrachter Bildschirm Abbildung 4: Ray-Tracing Während Ray-Tracing Berechnungen noch relativ hart wirken kann der Algorithmus für das Radiosity sowohl Reflexion als auch Absorption an Oberflächen bestimmen. Dadurch lassen sich diffuse Licht- und Schattenerscheinungen darstellen. Nachteil der Methode ist das Fehlen jeglicher Spiegelungen. Eine Kombination aus Radiosity und Ray-Tracing führt zu sehr realitätsnahen Ergebnissen, wobei sich der Rechenaufwand in den meisten Fällen nur bei Einzelbildern lohnt. Abbildung 5: Altenberger Dom [Uni Dortmund Fachgebiet Baugeschichte]

6 Informationsmodell Neben der reinen Visualisierung der Klosteranlage wird in ein einem weiteren Schritt ein Informationsmodell des Klosters entstehen. Einerseits hat der Nutzer dabei die Möglichkeit selbständig durch den Informationsraum Gebäude zu navigieren und dabei willkürlich Informationen über das Bauwerk abzurufen. Andererseits lassen sich im voraus erstellte Sequenzen im Sinne eines Rundganges nachvollziehen. Dabei werden Informationen dem Nutzer gezielt aus bestimmten Perspektiven oder Sichtweisen präsentiert. In beiden Fällen dient das visualisierte Gebäudemodell als Nutzerschnittstelle im Sinne einer Raummetapher. Die verschiedensten Arten von Information, wie Bilder, Texte, Datenströme (Video, Audio) sind mit den Bauteilen des Modells verbunden. Über die Bauteile erfolgt der Zugriff zur eigentlichen Information. Auf der Grundlage dieses Wahrnehmungsmodells werden im Sinne einer Raummetapher die Beschreibung des physikalischen Modells, der Informationsverarbeitung und der Benutzerinteraktion zusammengeführt. Sowohl Architektur als auch Informationstechnologien werden mit Hilfe der Raummetapher auf die gleiche Art dem Nutzer zugänglich gemacht. Die im Datenmodell getrennte räumliche- und Informationssicht werden an der Nutzerschnittstelle vereinigt und schaffen dadurch ein komplexes Informationssystem. Zusammenfassung Die virtuelle Rekonstruktion einer nicht mehr existierenden Klosteranlage gliedert sich in drei Projektabschnitte. In der Datenaufnahme werden die Dimensionen der Gebäude bestimmt und die entsprechenden Baustiel definiert. In der anschließenden CAD- Modellierung wird das Gebäude durch Oberflächen- und Volumenmodelle abgebildet. Das Ergebnis der Modellierung kann nach der Definition von Oberflächen und Beleuchtungsmodellen mit unterschiedliche Visualisierungsalgorithmen visualisiert werden. Durch ein Informationsmodell können den einzelnen Bauteilen des virtuellen Modells Nutzerinformationen hinterlegt werden. Literatur [1] Cramer, Horst; Koob, Manfred: Cluny Architektur als Vision, Edition Braus, Heidelberg 1993, ISBN [2] Hovestadt, Volkmar: Informationsgebäude Ein Integrationsmodell für Architektur und Informationstechnologien, Fortschritt-Brerichte VDI, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf 1998, ISBN [3] Maier, Konrad; Keibel-Maier, Maria: Kloster Walkenried, Deutscher Kunstverlag München Berlin, 1997

7 [4] Sassmannshausen, V.: Architektur und Simulation Animation als manipulierbares Darstellungswerkzeug in der Architektur -, Wissenschaft und Technik Verlag, Berlin 1998, ISBN [5] Steinacker, K.: Die Bau- und Kunstdenkmäler des Kreises Blankenburg, Wolfenbüttel 1922, Nachdruck H.Th. Wenner, Osnabrück 1979, ISBN

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