Visualisierung und Nutzung von komplexen 2D- und 3D-Inhalten im Web und auf mobilen Geräten

Transkript

1 Visualisierung und Nutzung von komplexen 2D- und 3D-Inhalten im Web und auf mobilen Geräten Benjamin Hagedorn Workshop 3D-Stadtmodelle

2 Nutzung komplexer Geodaten überall, jederzeit und auf allen Geräten Virtuelle 3D-Umgebungen (z.b. 3D-Stadtmodelle und 3D-Landschaftsmodelle) als universelle Plattform für die effektive Präsentation und Kommunikation raumbezogener Informationen und Prozesse Qualitativ hochwertige und interaktive Visualisierung auf Smartphones, Tablet-PCs und im Web Leichtgewichtige Clients Serverseitiges Rendering Interaktive Nutzung Multitouch-Interaktion Ad-hoc bedienbare Benutzungsschnittstelle Hochverfügbare Medien (Preis, Marktanteil) Hoher Verbreitungsgrad der Zielplattformen (Tablets, Smart Phones, Webbrowser) Geringer Aufwand bei Installation, Administration und bei der Nutzung 2

3 Herausforderungen bei der Bereitstellung massiver und komplexer 2D/3D-Geodaten Massivität und Komplexität Riesige Datenmengen Geländemodelle, 3D-Bauwerksmodelle (Gebäude, Verkehr, Vegetation, ), Texturdaten (z.b. Gelände- und Fassadentexturen), thematische Daten, Heterogenität der Daten Verteilung der Daten in Netzwerken Mobile Endgeräte: wenig Speicher 256 MB 2GB ~200 MB pro Applikation wenig Rechenleistung ca. 1,5 GHz Übertragung, Speicherung, Verarbeitung und Rendering dieser Daten stellen hohe Anforderungen an ein Netzwerk sowie an die Client-Hardware und Client-Software 3

4 Herausforderungen bei der Bereitstellung massiver und komplexer 2D/3D-Geodaten Datenintegration und Datensicherheit Integration von Fachdaten z.b. zur Unterstützung von Arbeitsprozessen Aktualität der Daten durch Single Point of Update Unterschiedlichste Quellen für Sach- und Fachdaten Web Map Service W3DS Sensordaten Proprietäre Informationssysteme Datensicherheit Die Herausgabe sensibler/wertvoller 3D-Geodaten muss steuerbar und kontrollierbar sein 4

5 Herausforderungen bei der Bereitstellung massiver und komplexer 2D/3D-Geodaten Grafische Qualität 3D-Renderingtechniken für eine hohe graphische Qualtiät (z.b. Ambient Occlusion, Multitexturing, Depth-of-Field, Abstraction, ) Heterogenität der Hardware und Software bei mobilen Geräten erschwert eine zuverlässige Implementierung von Renderingtechniken Hoher Entwicklungsaufwand für die Sicherung der Kompatibilität einer Anwendung für viele (Hardware-) Plattformen 5

6 Nutzung komplexer Geodaten überall, jederzeit und auf allen Geräten Ziele bei der Bereitstellung und Nutzung von komplexen 2D- und 3D-Geodaten: Überall abrufbar Sichere Übertragung Hohe grafische Qualität Maßgeschneiderte Darstellungsstile Interaktive, effiziente Nutzung Verfügbarkeit auf verschiedensten Geräten und Plattformen Hohe Verfügbarkeit Skalierbarkeit im Betrieb 6

7 Agenda 1. Herausforderungen bei der Bereitstellung massiver und komplexer 2D/3D-Geodaten 2. Bildbasierte Bereitstellung von virtuellen 3D-Stadtmodellen 3. Beispiel: Berlin in der Hosentasche 4. Interaktive, bildbasierte 3D-Visualisierung 5. Fazit 7

8 Service-basiertes 3D-Portrayal 2 Ansätze Grafik-basiertes vs. Bild-basiertes 3D-Portrayal (W3DS) (WVS) 8

9 Üblicher Ansatz:Streaming von 3D-Daten und Client-seitiges Rendering Übliche Visualisierungssysteme übertragen Geometrie, Texturen und Szenegraphen an 3D-Clientanwendungen Große 3D-Szenen sind so nur sehr schwer umzusetzen: Geringe Bandbreite des Übertragungsnetzes Geringer Hauptspeicher der Endgeräte Geringe Rechenleistung der Endgeräte Eingeschränkte Fähigkeiten der 3D-Rendering-Hardware und -Software 9

10 Bildbasierter Ansatz für 3D-Portrayal Web View Service (WVS) Bildbasierte, servicebasierte Bereitstellung von 3D-Geodaten Serverseitiges Modellmanagement Serverseitiges Rendering Hochqualitative Visualisierung unabhängig von der Clienthardware Kapselt die Komplexität von 3D-Renderingtechniken und die wachsende Vielfalt von Hard- und Software für 3D-Grafik Bietet kontrollierte Umgebung für 3D Rendering (Hardware und Software) Effizienter Einsatz von Hochleistungshardware auf Serverseite Netzwerk 3D-Modell- Daten WVS Bilddaten Client z.b. CityGML, Shape, Raster 10

11 Bildbasierter Ansatz für 3D-Portrayal Web View Service (WVS) Weitgehende Entkopplung der übertragenen Datenmenge von der Modellkomplexität Übertragene Datenmenge ist vorrangig von der Bildauflösung abhängig Gut vorhersagbare Menge der zu übertragenden Daten Datensicherheit Es werden keine Geodaten direkt übertragen, sondern nur rasterisierte Darstellungen Zugriff auf Feature-Informationen durch GetFeatureInfo-Operation Unterstützung von Kamerainteraktion durch GetCamera-Operation Standardisierung im Rahmen des OGC: Aktueller Status: Discussion Paper, Version

12 Bildbasierter Ansatz für 3D-Portrayal Web View Service (WVS) vorgesehen für 3D Portrayal Service, Version 1.0 Service Operation Description Relation to WPVS GetCapabilities Request a service metadata document that describes the abilities of the specific server Modified GetView Retrieve a 3D view on a 3D scene Modified GetFeatureInfo Retrieve attribute data of features selected in a 3D view Added GetPosition GetMeasurement GetCamera GetLayerInfo Retrieve the 3D positions at a specified 2D pixel position of a requested view or, a 2D pixel position representing a 3D position in the scene Perform measurements and retrieve the measurement result Retrieve a good camera specification based on the current 3D view Retrieve information on available attribute names and values of a selected layer Added Added Added GetDescription in WPVS GetLegendGraphic Retrieve a legend graphic for a specific feature and styling Already existed 12

13 Importer Bildbasierter Ansatz für 3D-Portrayal 3D-Rendering-Server Service interface, images Scalability, CPU/GPU parallel WVS Clients WVS Interface Supporting massive, complex models Styling according to application, task, user Space/time efficient transmission 3D Rendering Engine Parallel Processing Out-of-Core Rendering Styling Image Encoding 3D Server Massive data (CityGML, 3DS, dae, shp, dxf, VRML,...) 13

14 Bildbasierter Ansatz für 3D-Portrayal Vorverarbeitung massiver 3D-Geodaten Konvertierung von 3D-Geodaten in ein effizient renderbares Format 14

15 Bildbasierter Ansatz für 3D-Portrayal WVS: Beispiel für einen GetView-Request WVS Request: WVS Response: Point of Camera Point of Interest Up vector fovx, fovy near plane, far plane [Data by courtesy of IGN France.] 15

16 Bildbasierter Ansatz für 3D-Portrayal WVS: Bildebenen IMAGELAYERS=COLOR IMAGELAYERS=DEPTH IMAGELAYERS=OBJECTID IMAGELAYERS=NORMALS 16

17 Bildbasierter Ansatz für 3D-Portrayal WVS: Datenebenen und benannte Stile &LAYERS=TERRAIN,BERLIN,VEGETATION &STYLES=osm,texturedphong,textured 17

18 Bildbasierter Ansatz für 3D-Portrayal WVS: Datenebenen und benannte Stile &LAYERS=TERRAIN,BERLIN,PLANNINGS,VEGETATION &STYLES=orthophoto,shaded,shaded,textured 18

19 Bildbasierter Ansatz für 3D-Portrayal WVS: Bild-Stile (OverallStiles) &IMAGESTYLES=SSDO,NPR 19

20 Bildbasierter Ansatz für 3D-Portrayal Eigenschaften des Ansatzes Keine client-seitige Installation von 3D-Software Geringer Administrations- und Wartungsaufwand (nur ein Browser wird benötigt) Server mit 3D-Grafik-Hardware notwendig Hohe Stabilität der Implementierung für die speziell ausgewählte Hardware (Bewusst) reduzierte/beschränkte 3D-Navigation möglich Nutzung in Workflows mit selektivem Zugriff auf ein Model (comparable to WMS) Hoch-performante 3D-Algorithmen Qualitativ hochwertige Ergebnisse unabhängig von der Client-Hardware Serverseitige Datenverwaltung und Nutzungskontrolle Daten bleiben beim Server nur fertig gerenderte Ansichten werden übertragen Kontrollierbarer und abgesicherter Zugriff, aktuelle Modell-Daten 20

21 Bildbasiertes, servicebasiertes 3D-Portrayal Eine Vielzahl möglicher Client-Anwendungen Thin Clients Semi-Thin Client Medium Clients WVS support: JavaScript HTML5 WebGL Technologies Pure OpenGL T Display S E N B W Step-wise Movement Functionalities Free Camera Rotation Object Selection Real-time movement 21

22 Agenda 1. Herausforderungen bei der Bereitstellung massiver und komplexer 2D/3D-Geodaten 2. Bildbasierte Bereitstellung von virtuellen 3D-Stadtmodellen 3. Beispiel: Berlin in der Hosentasche 4. Interaktive, bildbasierte 3D-Visualisierung 5. Fazit 22

23 Berlin für die Hosentasche Projektbeteiligte Berlin Partner für Wirtschaft und Technologie GmbH Senatsverwaltung für Wirtschaft, Technologie und Forschung 3D Content Logistics GmbH 23

24 Berlin für die Hosentasche Ausgangssituation Standortmarketing im Business Location Center 24

25 Berlin für die Hosentasche Ausgangssituation Standortmarketing im Business Location Center Berliner Wirtschaftsportal der Berlin Partner für Wirtschaft und Technologie GmbH für die Investorenberatung Nutzung des 3D-Stadtmodells im Showroom einer Multimedia- Installation zur Präsentation des Berliner Wirtschaftsstandorts mit Hilfe des offiziellen 3D-Stadtmodells von Berlin Kombination des 3D-Stadtmodells mit wirtschaftsrelevanten Standortinformationen Präsentation des interaktiven 3D-Modells auch im Web mit Hilfe einer Java-basierten Anwendung 25

26 Berlin für die Hosentasche Projektziel Das Berliner 3D-Stadtmodell für die Hosentasche Ergänzende Bereitstellung des virtuellen 3D-Stadtmodells als App für mobile Geräte Überall abrufbar und nutzbar Sichere Datenübertragung Hohe grafische Qualität Effiziente Nutzung Verfügbarkeit auf verschiedensten Geräten und Plattformen Hohe Verfügbarkeit und Skalierbarkeit Nutzung im Bereich Investorenberatung / Immobilienmarketing Darstellung des 3D-Stadtmodells gemeinsam mit relevanten Standortinformationen (z.b. zur Wissenschaftslandschaft) 26

27 Berlin für die Hosentasche Herausforderungen Zugrunde liegende Daten Geländemodell (mit mehr als 800 km² Fläche), Luftbilder und thematische Karten, digitales Gebäudemodell mit mehr als Gebäuden fast vollständig mit realen Fassadenbildern texturiert teilweise mit Innenräumen modellierten große Menge ergänzender thematischer Informationen Etwa Gewerbeimmobilien und flächen Rund Standortinformationen in 20 Layern insgesamt mehr als ein Terabyte an Daten aus unterschiedlichen Quellen und in unterschiedlichen Formaten (z. B. Raster, CityGML). 27

28 Berlin für die Hosentasche Ergebnis: smartmap Berlin - Demo 28

29 Berlin für die Hosentasche Ergebnis: smartmap Berlin Nutzung des 3D-Rendering-Service zur Erzeugung von gekachelten Bilddatensätzen aus 3D-Stadtmodelldaten Konfiguration von Inhalten und Grafik pro Bilddatensatz Hoch-sklierbare und cloudfähige Bereitstellung der 3D-Karte für Smartphones und Tablets mit einfachster Navigation Leichte Erweiterung der eingebetteten Standortinformationen Bereitstellung bisher nicht zugänglicher Inhalte Mehr als Downloads und Installationen seit Oktober Platz beim DVW GIS Best Practice Award

30 smartmap Berlin auch im Web Barrierefreier Zugang durch Integration als Web-App Integration der smartmap in bestehende Web-Portale 30

31 Agenda 1. Herausforderungen bei der Bereitstellung massiver und komplexer 2D/3D-Geodaten 2. Bildbasierte Bereitstellung von virtuellen 3D-Stadtmodellen 3. Beispiel: Berlin in der Hosentasche 4. Interaktive, bildbasierte 3D-Visualisierung 5. Fazit 31

32 Interaktive, bildbasierte 3D-Visualisierung Interaktiver 3D-Visualisierung für Mobilgeräte Erzeugen der Illusion einer 3D-Umgebung durch teilweise Rekonstruktion einer 3D-Umgebung auf Basis von Bilddaten aus dem WVS Hochgradig interaktive Anwendungen durch Entkoppeln der Nutzerinteraktion von den Serviceanfragen Effiziente Ausnutzung der vorhandenen Resources auf dem Endgerät um eine detailreiche und flüssige Darstellung zu erreichen Client rendert erzeugte Ersatzrepräsentation in 3D Leichtgewichtige, interaktive 3D-Anwendung für ausgewählte Projekte 32

33 Interaktive, bildbasierte 3D-Visualisierung Angepasster Visualisierungsprozess 3D- Modelldaten Ausgewählte Modelldaten 3D-Server Computergrafische Primitive Filtering Mapping Rendering Bildlayer (G-Buffers) Image Postprocessing 3D-Client Bilder Rendering Computergrafische Primitive (Quads, Meshes, Points) Mapping (Szenenrekonstruktion) 33

34 Interaktive, bildbasierte 3D-Visualisierung Rekonstruktion von Szenen: Panoramen 1. Würfelseiten 3D-Illusion durch Kamerapositionierung in einem texturiertem Würfel Würfelnetz für eine Panoramaansicht 2. Rekonstruktion einer Ersatzgeometrie Nutzung der 2D-Tiefeninformationen Kamerapositionierung inmitten der Cube Map Erzeugung von Dreiecksnetzen aus Tiefeninformationen Einblenden während der Änderung des Kamerastandpunktes erlaubt dem Nutzer eine räumliche Orientierung 3D-Ersatzgeometrie 34

35 Interaktive, bildbasierte 3D-Visualisierung Rekonstruktion von Szenen: Panoramen Abfrage von mehreren Informationsschichten pro Würfelseite: Farbe ObjektID (Selektion von Objekten) Tiefenbild (Szenenrekonstruktion) 35

36 Interaktive, bildbasierte 3D-Visualisierung Interaktionsmöglichkeiten Kontinuierliche Interaktion Volle 3D-Navigation Entkopplung der Interaktion von Serviceanfragen Optimiert auf Multitouch-Eingaben Kamerainteraktion Look-Around Orbiting um Objekte Translation der Kameraposition in X,Y,Z Selektion von Objekten Nutzung von ObjectID-Informationen Anzeige von Feature-Informationen Konfiguration der Szenenparameter über UI Daten, Stilisierung 36

37 Agenda 1. Herausforderungen bei der Bereitstellung massiver und komplexer 2D/3D-Geodaten 2. Bildbasierte Bereitstellung von virtuellen 3D-Stadtmodellen 3. Beispiel: Berlin in der Hosentasche 4. Interaktive, bildbasierte 3D-Visualisierung 5. Fazit 37

38 Fazit Server-seitiges 3D-Rendering ermöglicht die Visualisierung komplexer 3D-Modelle auch plattform- und geräteübergreifend Schnelle, skalierbar und sicher Angepasste und individuelle Grafik Effizienter Zugang zu hinterliegenden Geodaten Nutzung auf mobilen Geräten, im Web und auf dem PC Erweiterung existierender bzw. Entwicklung neuer, innovativer Anwendungen durch webbasierte und mobile virtuelle 3D- Umgebungen als Benutzungsschnittstelle zu raumbezogenen Informationen auf modernen Geräten 38

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt Benjamin Hagedorn 3D Content Logistics GmbH August Bebel Str D Potsdam Germany Wir danken Phone Web 39