Software Praktikum bei Dr. Susanne Krömker. Projekt : Modellierung mit Laserscan Daten. Praktikumsbericht

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1 Interdisciplinary Center for Scientific Computing, University Heidelberg - 1 Software Praktikum bei Dr. Susanne Krömker Projekt : Modellierung mit Laserscan Daten Praktikumsbericht

2 Interdisciplinary Center for Scientific Computing, University Heidelberg - 2 Ziel meines Projekts war es, in AutoCAD2007 aus Punktwolken 3-Dimensionale Modelle zu modellieren und zusätzlich war meine Aufgabe der Umgang mit AutoCAD2007. Punktwolken Punktwolken sind dreidimensionale geordnete Datenaufnahmen von Objekten. Die Datenaufnahmen sind Millionen von Punkten, die vom 3D-Laser-Scanner erfasst worden sind. Sie ermöglichen diese Objekte im CAD-Programm zu modellieren. Diese 3D-Erfassung von vorhandenen Objekten mittels Laserscan bietet effektive Möglichkeiten für die vollständige 3-Dimensionale Erfassung der Objekte bei maximalem Informationsgehalt und nahe zu exakter Genauigkeit im Millimeterbereich. Bei komplexen Objekten gibt es entsprechend viele Punkte. Diese großen Daten kann man dann nicht so leicht, zum Beispiel als VRML-Datei, darstellen. Aus diesem Grund muss man sie zuerst modellieren, um sie weiter zu bearbeiten. PointCloud Die Punktwolken kann man mit Hilfe der AutoCAD Applikation PointCloud in AutoCAD importieren und darstellen. Somit hat man die Möglichkeit sie auszuwerten. Als Basisfunktion steht dem Benutzer zum Navigieren ein schneller 3D-Orbit und das gezielte Ein- und Ausblenden von Teilen der Punktwolke zur Verfügung. Mit dem Befehl Objektfang kann man mit dem Mauszeiger auf die Koordinaten jedes einzelnen Punktes setzen und so mit AutoCAD Befehle die Maße des Objekts entnehmen oder die Punktwolken modellieren. In PointCloud gibt es dazu noch bestimmte Befehle, die den speziellen Auswertungsprozess bei der Arbeit mit Punktwolken vereinfachen. Modellierung Bevor ich mit der Modellierung angefangen habe, habe ich mir zuerst die grundlegenden Zeichenbefehle in AutoCAD2007 angeeignet. Mit Hilfe des IWR Mitarbeiter Pheakdey Nguonphan und dem Buch Das Einsteigerseminar AutoCAD-2007 von D. Ridder war es möglich, die Grundbausteine von AutoCAD-2007 schnell zu erlernen. Als ein weiters Buch habe ich AutoCAD und LT-2007 von W. Sommer zur Verfügung gehabt. Dieses Buch ist sehr ausführlich und hat mir als Nachschlagwerk bei Fragen weitergeholfen. Nachdem ich mich mit der Funktionsweise von AutoCAD auseinandergesetzt hatte und mir die Grundlagen vertraut waren, habe ich mit der Modellierung der Laserscan Daten angefangen. Als Erstes habe ich mit Hilfe von PointCloud die Punktwolken ins AutoCAD2007 importiert und davon die Punktwolke Kirchenrest Lorsch Innen für die Modellierung ausgewählt. Vorgehensweise bei der Konstruktion des Modells: Die Punktwolke habe ich in Schichten geteilt, in der alle sichtbaren Punkte der Punktwolke angezeigt werden, außerhalb dieser Schicht werden die Punkte ausgeblendet. Dieser Befehl befindet sich unter PoindCloud und der Befehlsname ist PCSLICE. Die Schnittebene der Schichten habe ich so gelegt, dass man Nord-, Ost-, Süd-, und Westansicht, sowie Decke- und Bodeansicht der Punktwolke hat. Somit wurden die Konturen des Objekts deutlich sichtbar, die ich dann mit Hilfslinien nachgezeichnet habe. Mit diesen Hilfslinien konnte ich dann die Maße des Objekts feststellen. Diese Maße waren für mich die Richtlinie bei der Konstruktion des Modells in 3D. Nach der Feststellung der Maße des Objekts, habe ich mit Hilfe der 3D-Befehle in AutoCAD2007 das 3D-Modell konstruiert. In AutoCAD2007 gibt es zwei Möglichkeiten einen Volumenköper zu konstruieren. Eine Möglichkeit ist, zuerst eine beliebige geschlossene Fläche in 2D zu zeichnen und durch den Befehl Extrude diese Fläche zu Volumen zu erweitern. Und eine andere ist, dass man einen Grundkörper als 3D-Befehle zur Verfügung hat, wie zum Beispiel Quader, Zylinder, etc. Weiterhin gibt es noch den Befehl Polykörper, mit dem man zusammenhängende Wände zeichnen kann. Dies war bei der Konstruktion der schrägen und unebenen Wände sehr nützlich. Bei der Konstruktion habe ich als erstes die vier Wände mit dem Befehl Polykörper unabhängig voneinander gezeichnet. Danach habe ich diese Wände sowohl in Seitenansicht als auch in Draufsicht so verschoben und gedreht, dass die Kanten der zwei Wände, die sich treffen, übereinstimmen. Natürlich habe ich dabei darauf geachtet, dass die Maße des Objekts dabei erhalten bleiben.

3 Interdisciplinary Center for Scientific Computing, University Heidelberg - 3 Beim Zusammensetzen der Wände, muss man auch mit dem Befehl Schnittmenge arbeiten, damit man auch die unebene Flächen der Wände und die unebene Kanten des Kirchenrests in dem 3D- Modell sichtbar dargestellt kann. Um Türen und Fenster zu zeichnen, gibt es den Befehl Differenz. Mit diesem Befehl kann man beliebige Öffnungen in den Wänden darstellen. Anschließend konstruierte ich mit dem Befehl Rechteck die Türflügel des Kirchenrests, und schob sie dann in die Türöffnungen hinein. Als nächstes habe ich die Decke gezeichnet, indem ich zuerst eine dünne Platte gezeichnet und diese auf die Wände gestellt habe. Danach konstruierte ich die Balken und stellte sie auf diese Platte. Die Kanten habe ich dann mit dem Befehl Schnittmenge an die Wände angepasst. Zum Schluss zeichnete ich die Bodenplatte, die ich dann ebenfalls zu den Wänden angepasst habe. Das fertige Modell konnte man dann mit dem Befehl Isometrie als 3D-Modell darstellen. Nach der Modellierung habe ich das 3D-Modell texturiert. Diese Texturierung habe ich in 3D-Studio- Max gemacht. Dafür musste man das 3D-Modell zuerst unter AutoCAD2000 speichern (aus Gründen der Version), um es in 3D-Studio-Max zu importieren und somit konnte ich das 3D-Modell texturieren. Beim Texturieren habe ich zuerst die Punktwolken, die ich am Anfang in Schichten dargestellt habe auch unter Bitmap gespeichert. Diese Bilder importierte ich dann in 3D-Studio-Max und verwendete dies als Textur für das 3D-Modell. Das fertige 3D-Modell mit Textur, konnte man als VRML-Datei exportieren. Aber es gab Probleme mit der Texturdarstellung in VRML-Datei. Deshalb ist das 3D- Modell in VRML-Datei ohne Textur dargestellt. Zum Schluss speicherte ich das 3D-Modell sowohl mit, als auch ohne Textur, auch unter Bitmap damit man die Ansichten und Isometrien des 3D-Modells auch als Bilder zur Verfügung hat. Somit hat man die Punktwolken des Objekts Kirchenreste Lorsch Innen ins 3D-Modell überführt. Und man kann es in VRML-Datei mit wenigen Daten darstellen und fließend drehen um den gewünschten Blickwinkel zu erzielen. VRML (Virtual Reality Modeling Language) ist ein Format zur Beschreibung von dreidimensionalen Objekten. Diese Datei ist eine Ergänzung zu HTML mit dem Ziel, das Surfen im Web zu einem dreidimensionalen virtuellen Erlebnis zu machen. 3D-Studio-Max ist ein Software-Programm zum Rendern und Animieren von 3D-Modellen. Dieses Programm bietet vielfältige Möglichkeit, Modelle kreativ darzustellen. Mit Hilfe des IWR Mitarbeiter Pheakdey Nguonphan war es hier auch möglich, die Grundbausteine von 3D-Studio-Max schnell zu erlernen.

4 Interdisciplinary Center for Scientific Computing, University Heidelberg - 4 Konstruktion mit der AutoCAD2007 Die folgende AutoCAD2007 Befehle, sind die Befehle, mit denen ich gearbeitet habe, um das 3D- Modell zu konstruieren. Es gibt jede Menge andere Befehle in AutoCAD, mit denen man komplexe Modelle konstruieren kann. 2D-Konstruktion: Die zwei wichtigsten Zeichenbefehle für die Nachzeichnung der Konturen des Gebäudes waren LINIE und POLYLINIE. Mit LINIE lassen sich einzelne Linien oder Linienzüge zeichnen. Den Befehl LINIE findet man unter: Abrollmenü Draw > Funktion LINE oder Symbol im Werkzeugkasten Draw oder L+Enter Im Befehlzeilenfenster der Befehlsdialog werden die Anfragen und die Optionen aufgelistet: Befehl: LINE Nächsten Punkt angeben oder [Zurück]: Nächsten Punkt angeben oder [Zurück]: Nächsten Punkt angeben oder [Schließen/Zurück]: Mit POLYLINIE kann man zusammengesetzter Kurventypen, die Bögen und Linien enthalten können, zeichnen. Solche zusammengesetzten Kurven sind nützlich, wenn aus geschlossenen Konturen Volumenkörper erzeugt werden sollen. Die POLYLINIE ist ein vielseitiger Zeichenbefehl. Sie kann offene oder geschlossene Bogen- und Liniensegmente enthalten. Sie kann Segmente mit unterschiedlicher Breite und unterschiedlicher Start- und Endbreite haben. Diese Vielseitigkeit bedingt auch zahlreiche Optionen zur Erzeugung, wie Line, Kreis, Rechteck etc. Den Befehl POLYLINIE findet man unter: Abrollmenü Draw > Funktion PLINE oder Symbol im Werkzeugkasten Draw oder PL+Enter Im Befehlszeilenfenster der Befehlsdialog werden die Anfragen und die Optionen aufgelistet: Befehl: PLINE Startpunkt angeben: Aktuelle Linienbreite beträgt 0.00 Nächsten Punkt angeben oder [Kreisbogen/Schließen/Halbbreite/sehnenLänge/Zurück/Breite]: Mit dem Befehl FILL kann man wählen ob breite Polylinien gefüllt dargestellt werden sollen. Im Befehlszeilenfenster der Befehlsdialog wird die Anfrage aufgelistet: Befehl: FILL Modus eingeben [EIN/AUS] <Ein>: Ist der Füllmodus aus, werden nur die Randlinien der POLYLINIE gezeichnet. Bei Umstellung wird die Zeichnung erst nach dem Befehl REGEN richtig angezeigt. Bearbeitung der 2D-Konstruktion: Zu Bearbeitung der 2D-Konstruktion gibt es Editierbefehle wie KOPIEREN, DREHEN, VERSCHIEBEN, SPIEGELN, etc. Die meisten Befehlsnamen sind selbsterklärend. Man kann sie über den Tastatur oder durch anklicken auf den gewünschten Symbol im Werkzeugkasten aufrufen und das Objekt bearbeiten.

5 Interdisciplinary Center for Scientific Computing, University Heidelberg - 5 3D-Konstruktion: Die einfachsten Befehle zu Erzeugen von 3Dimensionalen Körpern sind die, mit denen sich Grundkörper wie Quader, Keil, Pyramide, Kugel, Zylinder, Kegel und Torus erstellen lassen. Zusätzlich gibt es den Befehl POLYKÖRPER, mit dem man zusammenhängende oder unebene Wände zeichnen kann. Dabei liegen die erstellten Körper auf der XY-Ebene des aktuellen Koordinatensystems und die Höhe auf der Z-Ebene. Die Befehle der 3D Körper findet man unter: Abrollmenü Draw > Untermenü Modellierung > Funktionen für die einzelnen Grundkörper oder Symbole im Werkzeugkasten Modellieren Neben den Befehlen von Grundkörpern lassen sich aus 2D-Konturen durch Extrusion und Anheben Volumen erstellen. Mit dem Befehl EXTRUSION erstellt man ein Volumen, indem man entlang der Konturen, die extrudiert werden sollen, die Höhe angibt. Und mit dem Befehl ANHEBEN kann man ein Volumen erstellen, indem man mehrere Konturen als Querschnitt definiert. Dabei müssen alle gewählten Konturen geschlossen sein. Die Befehle findet man unter: Abrollmenü Draw > Untermenü Modellierung > Funktion EXTRUSION / ANHEBEN Oder Symbol im Werkzeugkasten Modellierung Für die 3D-Zeichnung der Kircherest haben ich die Befehle Grundkörper QUADER, ZYLINDER und zusätzlich den Befehl POLYKÖRPER und zum Bearbeiten dieser Körper die Befehle Schnittmenge, Vereinigung und Differenz verwendet. Daneben gibt es auch wie in 2D-Zeichnung Editierbefehle, mit denen man einen Körper verschieben, kopieren, etc. kann. Mit dem Befehl QUADER kann man durch Angabe des Eckpunktes oder des Mittelpunktes einen Quader zeichnen. Zuletzt wird die Höhe abgefragt, die man über der Tastatur eintippen kann. Mit dem Befehl ZYLINDER kann man Zylinder mit kreisförmiger oder elliptischer Grundfläche erstellen. Die Grundfläche lässt sich mit Mittelpunkt oder durch Kreisoptionen 3Punkte, 2Punkte oder Tan, Radius sowie Radius oder Durchmesser zeichnen. Hier wird auch zuletzt die Höhe abgefragt, die man Manuell festlegen kann. Mit dem Befehl POLYKÖRPER kann man eine Wand mit einer vorgegebenen Höhe erstellen. Diese kann man wie eine Polylinie zeichnen. Wenn man den Befehl aufruft werden im Befehlszeilenfenster der Befehlsdialog die Anfragen und die Optionen aufgelistet: Befehl: POLYKÖRPER Startpunkt festlegen oder [Objekt/Höhe/Breite/Ausrichten]<Objekt>: Nächsten Punkt angeben oder [Bogen/Zurück]: Nächsten Punkt angeben oder [Bogen/Zurück]: Nächsten Punkt angeben oder [Bogen/Schließen/Zurück]: Nächsten Punkt angeben oder [Bogen/Schließen/Zurück]: Mit der Option Objekt kann man Linien, Bögen oder Kreise in Wandelement der eingestellten Breite umwandeln und mit der Option Ausrichten gibt man die Stützpunkte der Wand an. Bearbeitung der 3D-Konstruktion: Mit der Bool`schen Verknüpfung lassen sich die 3D-Körper zu beliebigen komplexen Modellen zusammenfassen. Man kann Vereinigung, Differenz und Schnittmenge aus vorhandenen 3D-Körpern bilden. Man findet die Befehle unter: Abrollmenü Ändern > Untermenü Volumenkörper Bearbeiten > Funktion VEREINIGUNG / DIFFERENZ / SCHNITTMENGE Mit dem Befehl VEREINIGUNG macht man aus mehreren Körpern einen Gesamtkörper. Befehl: VEREINIGUNG

6 Interdisciplinary Center for Scientific Computing, University Heidelberg - 6 Der Befehl DIFFERENZ subtrahiert von einem Körper einen zweiten Satz von Körpern. Damit kann man Öffnungen wie Fenster und Türen erstellen. Befehl: DIFFERENZ Volumenkörper oder Region, von denen subtrahiert werden soll, wählen Volumen oder Region für Subtraktion wählen Mit dem Befehl SCHNITTMENGE bildet man Körper, die sich bei den zu verknüpfenden Körpern überlagern. Daraus herausfallende Teile werden entfernt. Befehl: SCHNITTMENGE Objekt wählen: Weitere Körper wählen Neben diesen Befehlen gibt es auch Editierbefehle, mit denen man 3D-Modelle KOPIEREN, DREHEN, VERSCHIEBEN, etc. kann. Diese Editierbefehle sind die gleichen Befehle, wie die Editierbefehle für 2D-Zeichnungen. Für die Unterstützung des Projekts bedanke ich mich bei Susanne Krömker und bei Pheakdey Nguonphan. gülcan gül