Dreidimensionale Visualisierung als Marketinginstrument für internetbasierte Anwendungen

Dreidimensionale Visualisierung als Marketinginstrument für internetbasierte Anwendungen Studienrichtung BA (Honours) Multimedia Arts Eingereicht von Wolfram Fišer am SAE Institut in Wien Wien, Jänner 2003

Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis...6 I.Einleitung...7 1.Thema und Problemeingrenzung...7 1.1.Aufbau der Arbeit...8 1.2.Zielsetzung und Problemstellung...9 2.Web3D Umfrage im Internet...10 2.1.Das 3D-Modell...12 II.Dreidimensionale Visualisierung für internetbasierte Anwendungen...16 3.Einführung in die dreidimensionale Visualisierung...16 3.1.Definition des Begriffs Web3D...18 3.2.Probleme bei der 3D-Visualisierung im Internet...18 3.2.1.Datenmengen...19 3.2.2.Darstellungsgeschwindigkeit...20 3.2.3.Verfügbarkeit der Technologie...20 4.Grundlagen der dreidimensionalen Visualisierung...21 4.1.Die Falsche 3D-Darstellung...22 4.1.1.Das Prinzip der Bewegung im 3D-Raum...23 4.2.Die Echte 3D-Darstellung...24 4.2.1.Die Grundlegenden Bestandteile eines 3D-Objekts...24 4.2.2.Die Mathematik...27 4.2.2.1.Vektoren und Matrizen...27 4.2.2.2.Von 3D zu 2D...29 4.2.3.Oberflächen...30 4.2.3.1.Wireframe Darstellung (Drahtgitter)...31 4.2.3.2.Backface Culling...31 3

4.2.3.3.Shading...32 4.2.3.4.Gouraud- & Phong Shading...33 4.2.3.5.Raytracing & Radiosity...34 4.2.3.6.Spezielle Oberflächen...35 4.2.3.6.1.Antialiasing...35 4.2.3.6.2.Texturing...35 4.2.3.6.2.1.Multitexturing zur Visualisierung von Reflexionen...36 4.2.3.6.3.Bumpmapping...36 4.2.3.6.4.Schatten...36 5.3D Technologien...37 5.1.Grafik Hardware...37 5.2.Web3D Software...38 5.2.1.Auswahl der Technologie...38 5.2.1.1.DHTML & Java...39 5.2.1.2.Shockwave Flash...40 5.2.1.3.Shockwave Director (Shockwave3D)...40 5.2.1.4.Quicktime VR...41 5.2.2.Übersicht Web3D Technologien...41 III.Dreidimensionale Visualisierung als Marketinginstrument...43 6.Einführung und Begriffsabgrenzung...43 6.1.Definition e-marketing...43 6.2.Web3D als Marketinginstrument...44 6.3.Das Marketinginstrument...44 6.3.1.Vor- und Nachteile von Web3D als Marketinginstrument...47 6.4.Produktionskosten von Web3D...49 6.5.Sinnvoller Einsatz von Web3D...49 6.5.1.Die Einsatzgebiete von Web3D...51 6.5.2.Der Einsatzzweck von Web3D...53 4

6.6.Der Nutzen von Web3D für internetbasierte Anwendungen...54 7.Mögliche zukünftige Entwicklungen...55 IV.Zusammenfassung und Ausblick...56 8.Ergebnis der Arbeit...56 8.1.Verbreitung von Web3D Technologien...56 8.2.Verbreitung von Web3D als Marketinginstrument...57 8.3.Chancen und Risiken für Web3D als Marketinginstrument...58 8.4.Schlusswort...60 V.Literaturverzeichnis...61 VI.Abbildungsverzeichnis...63 VII.Tabellenverzeichnis...63 VIII.Anhang: Fragebogen Online Umfrage und Ergebnisse...64 CD-Rom im Umschlag 5

Abkürzungsverzeichnis 2D 3D CERN CMS CPU DHTML JPEG ka LOD NURB PNG VRML W3C X3D XML zweidimensional dreidimensional Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire Content Management System Central Processing Unit Dynamic Hypertext Markup Language Joint Photographic Experts Group Keine Angaben Level of Detail Non Uniform Rational Beta-Spline Portable Network Graphic Virtual Reality Modeling Language World Wide Web (W3) Consortium Extensible 3D Extended Markup Language 6

Einleitung I. Einleitung 1. Thema und Problemeingrenzung Das Internet konnte sich so schnell wie kein anderes digitales Netzwerk etablieren. Einer der Gründe dafür war die Möglichkeit der Verwendung von Multimedialen Elementen wie beispielsweise Texte, Bilder und Töne. Im Vordergrund steht die Interaktion 1 mit diesen Elementen. Einige Jahre nach der Weiterentwicklung des Internets reichen diese Instrumente allerdings nicht mehr aus, um den Anwender vor den Bildschirm zu locken. Durch die multimediale Überflutung ist die westliche Konsumgütergesellschaft mittlerweile sehr abgestumpft und nur mehr schwer zu beeindrucken. Internetsurfer müssen mit konkreten Gründen dazu motiviert werden die Internetseite zu besuchen. Ferner müssen sie mit Inhalten zum wiederkommen gebracht werden (Pollent 2000, S 74f). Mit dem Problem, durch visuelle Eindrücke im Internet Aufmerksamkeit zu erlangen, sehen sich e-marketing 2 Professionisten immer öfter konfrontiert. Produktinformationen ins Internet zu stellen war bis vor wenigen Jahren sehr einfach. Die Kunst ist es nunmehr die Produkte für jeden Kunden individuell auf zubereiten (Lourady (Hrsg.) 2002, S. 46). Die Industrie verlangt nach besseren Möglichkeiten, Produkte multimedial zu vermarkten. Print-, Web-, und Multimediaagenturen möchten dieser Entwicklung Rechnung tragen (vgl. Artikel Digital Production 1/02, S. 139). Ein möglicher Versuch dem Ruf der Multimedia Industrie 3 nachzukommen ist Inhalt dieser Arbeit. Das Schlagwort lautet Web3D 4. Dieser Begriff beschreibt die Dreidimensionale 1 2 3 4 Wechselbeziehung zwischen Handlungspartnern (vgl. Duden, Das Fremdwörterbuch 1990). Unter Interaktion versteht man die Wechselbeziehung zwischen dem Benutzer und dem 3D- Objekt. Zur Begriffsdefinition siehe Kapitel 6.1. Multimedia Industrie steht in dieser Arbeit stellvertretend für den gesamten Wirtschaftszweig der neuen Medien mit Schwerpunkt auf Internet. Eine Definition des Begriffes finden sie im Kapitel 3.1. 7

Thema und Problemeingrenzung Darstellung von Objekten 5 im Internet. Es wird untersucht ob hier ein neues Instrument für Marketing im Internet geschaffen wird das kostengünstig und effizient eingesetzt werden kann. Die Möglichkeiten der dreidimensionalen Visualisierung im Internet gibt es schon lange. Im Bereich e-marketing fehlt aber nach wie vor das Vertrauen in dieses mächtige Werkzeug. War es früher nur teuren Workstations vorbehalten effektive Dreidimensionalität zu generieren, so ist dies heutzutage mit den meisten Homecomputern möglich (Vaughan 1998, S. 302). Es gibt unzählige Einsatzgebiete von Web3D. Sie reichen von kommerziellen Produktvisualisierungen für e-marketing Zwecke, die dem Forschungsdrang des Menschen nachgehen bis hin zu komplexen dreidimensionalen Spielen für die Unterhaltungsindustrie, bei der die Interaktion mit dem virtuellen Raum im Vordergrund steht. 1.1. Aufbau der Arbeit Die Arbeit ist im wesentlichen in vier Teile unterteilt. Der erste Teil, die Einleitung, gibt eine erste Übersicht über das Ziel dieser Arbeit. Im zweiten Teil werden technische Grundlagen der Dreidimensionale Visualisierung im Internet diskutiert, um die Problematik des Themas zu erörtern und einzugrenzen. Im dritten Teil wird auf den Einsatz von Web3D als Marketinginstrument eingegangen. In die gesamte Arbeit fließen eigene Untersuchungsergebnisse mit ein, die mit Hilfe eines online verfügbaren Fragebogens (siehe Kapitel 2.) gewonnen wurden 6. Ziel der Umfrage war es dringend benötigte Daten statistisch zu erfassen. Der letzte Teil präsentiert das Ergebnis der Arbeit und verifiziert beziehungsweise falsifiziert die in dieser Arbeit gegebenen Antworten. 5 6 In dieser Arbeit ist die Rede von 3D-Objekten oder Produkten. Was man unter einem Objekt im sinne von 3D versteht wird im Kapitel 3.1 beschrieben. Objekt im sinne von e-marketing wird als Produkt bezeichnet. Der Fragebogen mit seinen Antworten und Ergebnissen ist im Anhang zu finden. Das in dieser Umfrage verwendete 3D-Objekt liegt als Bestandteil dieser Arbeit auf CD-Rom bei. 8

Aufbau der Arbeit Ein weiterer Bestandteil dieser Arbeit ist auf CD-Rom verfügbar. Zur Veranschaulichung wurde ein 3D-Objekt erstellt welches in der durchgeführten Umfrage dazu diente Vor- beziehungsweise Nachteile sowohl auf Anbieter als auch auf Nachfragerseite herauszufinden. 1.2. Zielsetzung und Problemstellung Die Multimedia Industrie steht immer wieder vor der Aufgabe neue Technologien und Innovationen rasch einsetzen und ausprobieren zu wollen. Es ist allerdings schwer unter der Vielzahl an Angeboten mögliche Erfolgreiche herauszufiltern. Zu oft schon haben sich Unternehmen in dieser Branche verkalkuliert. Web3D könnte eine Möglichkeit sein, den Internetauftritt auch in Zukunft interessant und brauchbar zu gestalten. Welche Möglichkeiten einem Unternehmen im Bereich e- Marketing durch diese Technologie geboten werden könnten, versucht diese Arbeit zu beantworten. Ziel ist es herauszufinden warum sich der Einsatz von Web3D im e-marketing noch nicht durchgesetzt hat. Die Hypothese postuliert, dass sich Web3D durch die damit verbundenen hohen Produktionskosten und mangelnde technologische Verbreitung in Grenzen hält, obwohl diese Form der Visualisierung dem Benutzer eine genauere Vorstellung über das betrachtete Objekt gibt als herkömmliche zweidimensionale 7 Darstellungsverfahren. Es stellt sich die Frage, ob es ein mangelndes Vertrauen in diese Technologie gibt und wenn ja, warum. Um das herauszufinden wird untersucht, ob beziehungsweise welche Vor- oder Nachteile Web3D für den Anbieter und den Endverbraucher hat. Aus der Sichtweise des e-marketings stellt sich die Frage ob und wo sich dieses Instrumentarium sinnvoll und kosten effizient einsetzen lässt. 7 Ein Bild am Bildschirm wie beispielsweise ein Landschaftsfoto ist hier als herkömmliche Zweidimensionale Darstellung zu verstehen. 9

Web3D Umfrage im Internet 2. Web3D Umfrage im Internet Dieses Kapitel wurde in die Arbeit mit aufgenommen um auf die vom Autor durchgeführte Umfrage einzugehen. Die gestellten Fragen, Antworten und Auswertung finden sie im Anhang (siehe S. 64). Im Zeitraum von Anfang Oktober bis Ende Dezember 2002 war ein Fragebogen zum Thema dieser Arbeit im Internet verfügbar. Es galt herauszufinden, wie der Benutzer ohne Anleitung mit der Benutzung des 3D-Modells zurecht kommt um Gewohnheiten über das Benutzerverhalten zu ergründen. Bestimmte Zielgruppen wurden durch den Fragebogen nicht angesprochen, da diese vom Einsatzgebiet und Einsatzzweck (siehe Kapitel 6.5.1 und 6.5.2) aber auch von der Unternehmenspolitik und dem Unternehmenszweck selbst stark variieren. Ebenso verhält sich die Nachfrage nach demographischen Merkmalen. Eine Altersbestimmung wurde dennoch durchgeführt um wertvolle Daten für weitere Arbeiten zu bekommen. Als Bestandteil der Arbeit, um ein Beispiel einer 3D-Visualisierung vorzuführen ist das bei der Umfrage verwendete 3D-Modell 8 auf CD-Rom verfügbar. Die Umfrage bestand aus folgenden drei Teilen: Umfrage 3D-Modell Fragebogen Beim ersten Teil Umfrage wurde wie oben erklärt, worum es geht. Das 3D-Modell bildete das Kernelement der Umfrage. Der Benutzer hatte die Aufgabe mit dem 3D-Modell, einem Nokia Mobiltelefon 8210, zu interagieren, um dann den Fragebogen der aus 12 Fragen bestand, beantworten zu können. Die Fragen wurden ausgewertet und fließen als wissenschaftliche Grundlage in diese Arbeit mit ein. Insgesamt wurden 60 Fragebögen beantwortet und ausgewertet. Dies ist eine relativ kleine Stichprobe. Zu beachten ist, dass 35% der Grundgesamtheit von 8 Bisher war in dieser Arbeit die Rede von 3D-Objekten oder 3D-Szenen. Die Nomenklatur wurde hier zur leichteren Verständlichkeit auf 3D-Modell umgewandelt. 10

Web3D Umfrage im Internet 18 bis 25 Jahren, und 45% zwischen 26 und 35 Jahren alt waren. Die befragten waren demnach eher jüngere Personen. Die Umfrage gibt daher keine Aufschlüsse darüber, wie ein älteres Publikum beispielsweise bei online Käufen oder der Zufriedenheit bei der Darstellungsqualität reagieren würde. Das 3D-Modell wurde so gestaltet um Antworten auf die gestellten Fragen geben zu können und nicht um eine im sinne von e-marketing 9 ausgeklügelte Produktpräsentation 10 zu visualisieren. Daher beinhaltete das 3D-Modell keine Produktbeschreibung oder Navigationshilfen. 9 10 Zur Begriffsabgrenzung siehe Kapitel 6.1.. Zur Begriffsabgrenzung siehe Kapitel 6.5.2.. 11

Das 3D-Modell 2.1. Das 3D-Modell Die zugrunde liegende Technologie für die Produktpräsentation war Shockwave Director Version 8.5. Durch seine Komplexität und die Verfügbaren Authoring 11 Werkzeuge eignete es sich am besten für diesen Zweck. Director ist die Authoring Software von Macromedia die zur Bearbeitung und zum Export von Shockwave3D Szenen verwendet wird. Die 3D-Szene selbst wurde in dem Programm Maya von der Firma Alias Wavefront erstellt. Das Programm ist spezialisiert auf die Erstellung und Bearbeitung von 3D-Szenen oder ganzen Filmen. Alias Wavefront bietet ein Plug-in an, das die Daten in das von Director benötigte W3D Format konvertiert. Der Einsatz zweier Programme zur Erstellung einer 3D-Szene macht Sinn, da jedes Programm einen ausgereiften Umfang an Funktionen zur Bearbeitung zur Verfügung stellt (vgl. Laprecht 2002, S. 204). Eine Produktpräsentation wurde deshalb gewählt, weil die gestellten Fragen für die zu überprüfende Hypothese (siehe Kapitel 1.2) mit diesem Einsatzzweck (siehe Kapitel 6.5.2.) am besten abgestimmt werden konnten. Die Produktpräsentation ist in drei Teile unterteilt: Revolving Object, Instructions und Dismantle Model. Der erste Teil zeigt das mobile Telefon um die y-achse rotierend. Es dreht sich in einer unendlichen Wiederholung um 360 (siehe Abbildung). Es ist nicht möglich mit dem 3D-Objekt zu interagieren. Lediglich mit den beiden Knöpfen Zoom In und Zoom Out ist es möglich das Objekt näher heranzuholen oder von weiter entfernt zu betrachten. Der Benutzer soll einen ersten Eindruck und Gefühl für die dreidimensionale Visualisierung bekommen. Die Darstellung ist perspektivisch verzerrt, verwendet Texturen und zwei Lichtquellen. Eine Lichtquelle befindet sich 11 Grafiken, Texte und Töne werden in den unterschiedlichsten Anwendungen erstellt. Unter Authoring versteht man das Vereinen all dieser Komponenten in einer Einheit (vgl. Vaughan 1998, S. 100). In einer/m Authoring Software/Werkzeug werden die einzelnen Komponenten zusammengefügt und beispielsweise mit Interaktionsmöglichkeiten oder Musik versehen. 12

Das 3D-Modell vor dem 3D-Objekt und eine dahinter. Dies ist deshalb nötig da die Rückseite des Objekts sonst zu wenig Kontrast aufweist. Im 3D-Raum befinden sich insgesamt 3591 Dreiecke (Triangles), 4 Objekte (8210 Hülle, Akkudeckel, Akku und Simkarte) und 4 Texturen. Das Objekt wurde in Maya aus Polygonen erstellt und vom Export Plug-in in Triangles umgewandelt. Dies dient der einfacheren Berechnung für die Hardware und resultiert in einer schnelleren Echtzeitdarstellung des 3D-Objekts (siehe Kapitel 4.2.3.3). Abbildung 1: Das "Revolving Object" dient der 360 Ansicht des 3D-Objekts. Bei den 4 unterschiedlichen Texturen wurden Schlagschatten und perspektivische Verzerrungen entfernt. Die Bereinigte Textur der 8210 Hülle ist im Kapitel 4.2.1. abgebildet. Die Anforderungen an die Hardware sind bei dieser Präsentation relativ niedrig, was sich bei der Umfrage durch die zufriedenstellenden Antworten zugunsten der Darstellungsgeschwindigkeit bemerkbar machte (siehe Kapitel 3.2.2.). Die Größe der gesamten herunterzuladenden Datei beträgt 157KB. Bei einer Verbindung mit einem 56k Modem das eine durchschnittliche Übertragunsrate von etwa 6,1KB/Sek aufweist, sollte die Präsentation nach etwa 25 Sekunden vollständig geladen sein. Da es sich bei Shockwave3D um eine Streaming 13

Das 3D-Modell Technologie handelt, entsteht der Erste Sichtkontakt allerdings schon viel früher. Die Umfrage hat dies bestätigt.(siehe Kapitel 3.2.1.). Object Instructions ist eine Art Betriebsanleitung, bei der der Benutzer sehen kann wie der Akku und die Simkarte zu entfernen sind (siehe Abbildung). Bei Aktivierung dieser Funktion läuft die Präsentation von selbst ab. Durch den Knopf Repeat kann die Präsentation beliebig oft wiederholt werden. Die Interaktion mit dem Modell ist auch hier nur mit den beiden Knöpfen Zoom In und Zoom Out möglich. Abbildung 2: Object Instructions zeigt eine Animation wie man den Akku und die Simkarte entfernt. Der letzte Punkt, Dismantle Model ist für die Überprüfung der Fähigkeit der Interaktion des Benutzers mit dem Objekt wesentlich. Hier können das mobile Telefon, der Akkudeckel, der Akku und die Simkarte selbst mit der Maus bewegt werden. Man kann somit das Telefon zerlegen und im 3D-Raum beliebig bewegen. Neben den Funktionen Zoom In und Zoom Out kann der Benutzer mit der 14

Das 3D-Modell linken Maustaste die einzelnen Objekte horizontal und vertikal bewegen und mit der rechten Maustaste über die x- und y-achse rotieren lassen (siehe Abbildung). 90% der Befragten fanden sich mit der Steuerung, trotz fehlender Anleitung, zurecht. Die erfolgreiche Navigation konnte allerdings nicht bestätigt werden wie in Kapitel 6.3.1. falsifiziert wird. Dort gelang es 40% der Teilnehmer nicht das Herstellungsland (Finnland) anhand des Produktaufklebers herauszufinden. Abbildung 3: Die Funktion Dismantle Model bietet dem Benutzer die Funktion das Telefon in seine einzelnen Bestandteile zu zerlegen. Eine der Aufgaben zur erfolgreichen Interaktion mit dem 3D-Modell war es anhand des Produktaufklebers das Herstellungsland herauszufinden. 15

II. Dreidimensionale Visualisierung für internetbasierte 12 Anwendungen Das 3D-Modell 3. Einführung in die dreidimensionale Visualisierung Die Idee der dreidimensionale Visualisierung im Internet gibt es genau seit dem 20. April 1994. Damals wurde nämlich von Timothy Berners Lee, dem Erfinder des WWW, auf dem ersten internationalen World Wide Web Kongress bei CERN in Genf der Anstoß für die Erfindung von VRML 13 gegeben. VRML wurde vom Web3D Consortium (ein Mitglied des W3C) als Standard verabschiedet (Dorffner 2002, S. 5). VRML97 14 in seiner letzten Version war nie voll ausgereift und ist für heutige professionelle Anwendungen unzureichend. Das W3C ist verantwortlich für die Entwicklung und Innovation dieses Standards. Derzeit wird an einem erweiterten Standard gearbeitet. Das neue Schlagwort lautet X3D. Es handelt sich um den Nachfolger von VRML97 und integriert VRML und XML. (vgl. Artikel 3D gate, Special Issue Spring 2000, S 8ff). X3D soll 3D-Inhalte schnell, verlässlich und mit hoher Qualität im Internet übertragen. (Spencer (Hrsg.) 2001, S. 35). Die Diskrepanz die sich bei hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität ergibt wird im Kapitel 3.2 behandelt. Trotz wachsender Nutzung von Web3D ist es bis zum heutigen Tage nicht gelungen diesen oder einen anderen Standard zu etablieren (siehe Kapitel 5.). Durch steigende Leistungsfähigkeit der Hard- und Software hat die Darstellung von Web3D an Beliebtheit gewonnen. Die Möglichkeit der Interaktion mit einem 3D- Objekt steigert das Vergnügen der Anwendung um ein weiteres. Laut durchgeführter Umfrage würden 25% einen 3D-Produktkatalog im Internet 12 13 14 Ein Browser ist beispielsweise eine internetbasierte Anwendung, aber nicht notwendiger weise. Eine internetbasierte Anwendung ist jegliche Anwendung oder Programm welches sich Daten über eine Verbindung mit dem Internet holen kann. Virtual Reality Modeling Language war der erste Versuch einen plattform unabhängigen Standard für 3D Anwendungen im Internet zu setzen. Die Nummer 97 ist die letzte verfügbare Version von VRML aus dem Jahre 1997. 16

Einführung in die dreidimensionale Visualisierung bevorzugen. Dem gegenüber stehen 15% die einen 2D-Produktkatalog favorisieren würden. Eine Wachstumsstatistik von M2 Research prognostiziert einen starken Anstieg der Verwendung von Web3D bis zum Jahre 2006 wie unten abgebildet (vgl. Artikel 3D gate, Special Issue Spring 2000, S. 10). Die Umfrage hat ergeben, dass bereits 45% der Befragten auf eine Web3D Anwendung zugegriffen haben. Abbildung 4: Die jährliche Wachstumsrate für Web3D bis zum Jahr 2006 beträgt 32%. Dieser Wert liegt über dem von Web2D Grafik und 3D-Animation. Als Standard wird in Fachkreisen auch Shockwave3D 15 genannt, da dieses Plugin 16 über komplexe Funktionen verfügt und eine relativ hohe Verbreitung aufweisen kann 17. Laut Umfrage war dieses Plug-in bei 35% der Befragten bereits vorhanden. Es ist auf die weit verbreiteten Intel Prozessoren zugeschnitten und in der 15 16 17 Zur Technologie siehe Kapitel 5.2.1.3. Hierbei handelt es sich um ein Helferprogramm welches den Browser um Funktionen erweitert. Bei dem Browser Internet Explorer wurde dieses auf ActiveX Control umbenannt. Vgl. http://cgw.pennnet.com/articles/article_display.cfm?section=articles&subsection=display&article_id=148274 17

Einführung in die dreidimensionale Visualisierung Authoring Software Director 8.5 integriert (vgl. Artikel Digital Production 1/02, S. 139). Die Notwendigkeit einer Authoring Software zur Kostendegression wird im Kapitel 6.4. diskutiert. 3.1. Definition des Begriffs Web3D Dreidimensionale Visualisierung im Internet wird unter dem Begriff Web3D zusammengefasst. Web3D is a term for 3D Graphics that is interactive and presented on the Web 18. Diese einfache Definitionen sagt aus worum es geht. Der Teil 3D bezieht sich auf jegliche Informationen die dreidimensional am Bildschirm dargestellt werden. 3D steht als Abkürzung für dreidimensional/e/r/n und bezeichnet die räumliche Darstellung 19 eines Objekts am Bildschirm. Der Begriff Web bezieht sich auf eine internetbasierte Anwendung. Es handelt sich demnach um Daten die online, beispielsweise über eine Telefonleitung auf den Computer geladen werden und beispielsweise mit einem Browser wie Netscape betrachtet werden können. Das gesamte Szenario 20 wird von einem Server auf den lokalen Rechner heruntergeladen. Dies ist nicht zu verwechseln mit beispielsweise dreidimensionalen online Spielen wie Quake 21 die ihre Daten von einer CD-Rom auf den lokalen Rechner laden und lediglich Positionskoordinaten über das Internet senden und empfangen. 3.2. Probleme bei der 3D-Visualisierung im Internet Die Hürden sind hier ähnlich wie bei anderen Technologien im Internet die nicht auf HTML basieren vielfältig. Diese zu überwinden ist der erste Schritt um überhaupt in 18 19 20 21 Vgl. http://web3d.about.com/library/glossary/bldef-web3d.htm Es werden die x, y und z Koordinate zur Berechnung der räumlichen Darstellung verwendet. Siehe auch Kapitel 4.2.2.1. Zur Bedeutung eines Szenarios siehe auch Kapitel 4.2 Quake (1996) war der Erste first-person shooter der Echte 3D-Darstellung verwendete (vgl. http://www.cg.tuwien.ac.at/studentwork/cescg-2000/mhadwiger/index.html). 18

Probleme bei der 3D-Visualisierung im Internet den Genuss von Web3D zu gelangen. Im wesentlichen werden sie in 3 Kategorien unterteilt: Datenmengen, Darstellungsgeschwindigkeit und Verfügbarkeit der Technologie (vgl. Lamprecht 2002, S. 42ff). 3.2.1. Datenmengen Zu große Datenmengen sind die Hauptursache dafür, dass Web3D im Internet nicht weit verbreitet ist (Spencer (Hrsg.) 2001, S. 35). Datenmengen werden zum Problem wenn große Dateien bei langsamen Verbindungen über das Internet geladen werden sollen. Die Daten für ein 3D-Objekt müssen genauso wie ein 2D 22 - Bild zuerst geladen werden bevor sie vollständig dargestellt werden können. Ausnahmen sind hier Streamingtechnologien bei denen die Darstellung schon vor beendetem Herunterladen beginnt. Die kritische Wartezeit von 10 Sekunden 23, die ein Benutzer maximal auf einer Seite verweilt, bevor er etwas zu Gesicht bekommt, ist hier schnell verstrichen. Das 3D-Szenario sollte demnach mindestens so schnell wie ein 2D-Bild am Bildschirm erscheinen. Es ist daher wesentlich, dass das erste Bild so rasch wie möglich sichtbar wird. Die eigne Umfrage hat ergeben, dass die Produktpräsentation bei 65% der Befragten schon nach maximal 10 Sekunden zu sehen war. Bei 30% war sie sofort sichtbar. Dies könnte zum einen auf schnelle Verbindungen zurückzuführen sein, zum anderen auf die verwendet Technologie (Shockwave3D) selbst, da diese das Streamingverfahren benutzt. 22 23 Ist die Abkürzung für Zweidimensional. Ein Bild am Bildschirm wie beispielsweise ein Landschaftsfoto ist hier als 2D-Bild oder Grafik zu verstehen. Es kann sich beispielsweise um eine PNG Datei handeln. Die Meinungen zur Angabe der Wartezeit wie lange ein Benutzer auf einer Seite verweilt bis er das erste Bild oder den ersten Text zu Gesicht bekommt, gehen hier auseinander. Sie reichen von 5-12 Sekunden. Der Autor ist der Meinung, dass 10 Sekunden eine realistische Angabe ist. 19

Datenmengen Datenmengen können beispielsweise durch gute Kompressionsschemata stark reduziert werden. Weiters können sie durch die im Kapitel 4.2. beschriebenen Prinzipien reduziert werden. 3.2.2. Darstellungsgeschwindigkeit Die Darstellungsgeschwindigkeit ist zum einem von der zugrunde liegenden Technologie (siehe Kapitel 5.) und zum anderen von der verwendeten Hardware (siehe Kapitel 5.1) abhängig. Einige Plug-ins greifen auf vorhandene OpenGL 24 oder DirectX 25 Bibliotheken zurück, die direkt mit der 3D-Hardware kommunizieren. Abhängig ist die Geschwindigkeit aber jedenfalls auch von der Komplexität einer Szene 26. Bei der Umfrage waren 80% mit der Darstellungsgeschwindigkeit der Produktpräsentation zumindest zufrieden. Daraus lässt sich schließen, dass mehr als die Hälfte der Anwender über eine für die Darstellung von Web3D ausreichende Grafik Hardware verfügen. 3.2.3. Verfügbarkeit der Technologie Die Verfügbarkeit bezieht sich auf die Verbreitung einer Technologie. Die benötigte Technologie ist in Zusammenhang mit Web3D meistens ein Plug-in, das für einen Browser vorinstalliert werden muss. Trotz der Bemühungen des W3C gibt es derzeit keine weit verfügbare Technologie (siehe Kapitel 5.2.1). Folglich ist auch 24 25 26 OpenGL (Open Graphics Library) ist eine Multi-Platform Software Schnittstelle die eng mit der Grafik Hardware zusammenarbeitet und beispielsweise Oberflächenberechnungen (siehe Kapitel 4.2.3.) durchführt. OpenGL wurde von Silicon Graphics entwickelt (vgl. http://burks.bton.ac.uk/burks/foldoc). Diese Grafik Bibliothek erfüllt ähnliche Funktionen wie OpenGL. Es handelt sich um ein Plagiat der Firma Microsoft. Im der 3D Fachsprache werden viele Begriffe aus der Filmwelt übernommen, da der Aufbau des 3D-Raums ähnlich ist. Eine Szene ist das Äquivalent zu einer Szene im Film. Eine Szene besteht aus vielen unterschiedlichen 3D-Objekten wie Kugeln, Lichtquellen, Kameras, usw. (vgl. Vaughan 1998, S 302). 20

Verfügbarkeit der Technologie keine Web3D Technologie weit verbreitet und somit ist die mangelnde Verfügbarkeit der Technologie eine weitere große Hürde für den Erfolg von 3D- Technologien. Es kann das Plug-in selbstverständlich nachinstalliert werden, um eine 3D-Szene zu betrachten, allerdings sind diese Helferprogramme oft sehr groß. Das Shockwave Director Plug-in hat beispielsweise eine Dateigröße von 3,5MB. Laut der Umfrage hatten 35% der Befragten dieses Plug-in schon auf ihrem System installiert. 55% mussten es herunterladen und 10% hatten es nicht geschafft das Plug-in zu installieren. 4. Grundlagen der dreidimensionalen Visualisierung Um ein weiteres Verständnis für die Problematik der 3D-Visualisierung für internetbasierte Anwendungen und in weiterer Folge als Marketinginstrument eingesetzt zu bekommen, muss der grundlegende Aufbau einer 3D-Szene verstanden werden. Die Visualisierung eines dreidimensionalen Objekts auf einer zweidimensionalen Fläche wie beispielsweise dem Bildschirm stellt eine große Herausforderung für Entwickler dar. Durch die Anordnung der menschlichen Augen ist es möglich die Entfernung von zwei Objekten untereinander abzuschätzen. Basierend auf dem geringfügigen, unterschiedlichen Abstand der beiden Augen zu dem betrachteten Objekt, berechnet unser Gehirn eine räumlichen Darstellung. Nur 7% der Sehleistung entstehen durch die Linse und die Netzhaut, den Rest erarbeitet das Gehirn (vgl. Symposium Spitzer). Am Bildschirm eines Computers lässt sich mit diesem Trick allerdings nicht arbeiten, da hier das Bild auf eine ebene Fläche, also orthogonal 27 projiziert wird. Aus diesem Grund gibt es am Bildschirm keine Echte dreidimensionale Darstellung. Es wurden allerdings verschiedene Ansätze gefunden um dennoch 27 Wird auch parallele Projektion im Gegensatz zur perspektivischen Projektion genannt, da die Linien der Objekte im rechten Winkel zum Betrachter stehen (vgl. Hearn 1997, S. 297). 21

Grundlagen der dreidimensionalen Visualisierung eine räumliche Darstellung am Bildschirm zu bewerkstelligen (vgl. Hearn 1997, S. 297). Man unterscheidet zwei Darstellungsmethoden, die sich nicht visuell aber mathematisch unterscheiden. Im folgenden ist von einer Falschen und einer Echten 3D-Darstellung die Rede. Diese Arbeit bezieht sich auf die Echte 3D- Darstellung, dennoch wird die Falsche 3D-Darstellung vorgestellt, um die Funktionen der unterschiedlichen Technologien klar zu machen. 4.1. Die Falsche 3D-Darstellung Diese Darstellungsmethode benutzt optische Tricks um den Betrachter die Impression eines dreidimensionalen Bildes zu geben. Es kann sich hierbei um eine einfache 2D-Grafik handeln die den 3D-Raum durch Verdeckung, Licht oder Schatten erzeugt (vgl. Lamprecht 2002, S. 16). Abbildung 5: Diese Grafik wurde im vektororientierten 2D-Programm Freehand erstellt. Die drei Möglichkeiten der Falschen 3D-Darstellung sind hier gut zu erkennen. 22

Die Falsche 3D-Darstellung Durch diese drei optischen Tricks bekommt der Betrachter den Eindruck ein dreidimensionales Bild zu sehen. Diese Methode wird für Stillimages 28 angewandt. Es kann sich beispielsweise um eine PNG oder JPEG Datei handeln. Der Vorteil bei dieser Methode liegt darin, dass keine aufwendige Software zur Berechnung notwendig ist. Die Erstellung ist relativ einfach. Der Nachteil liegt allerdings darin, dass keine Echtzeitänderungen am Bild vorgenommen werden können. Der Betrachtungswinkel bleibt immer gleich. 4.1.1. Das Prinzip der Bewegung im 3D-Raum Diese ebenfalls Falsche Darstellungsmethode zur 3D-Visualisierung beruht auf der Verwendung von Stillimages und ist eine beliebte Form der Visualisierung bei Web3D. Hierbei handelt es sich um bewegte Bilder, beziehungsweise Animationen die mit Echten 3D-Methoden berechnet wurden. Die Stills werden aneinander gereiht, etwa 25 Stills pro Sekunde, wodurch der Betrachter den Eindruck einer fließenden Bewegung bekommt. Diese Methode wird zum Beispiel bei Spielfilmen eingesetzt, ist aber nicht die bevorzugte Wahl wenn es um Web3D geht. Dennoch wird diese Darstellung für kurze Animationssequenzen verwendet. Sie liefert eine hohe Qualität mit sehr realistischen Szenen. Der Nachteil dieser Darstellungsmethode liegt eindeutig darin, dass die zu übertragenden Datenmengen (siehe Kapitel 3.2.1.) sehr groß werden können (beispielsweise 25 Stills/Sek.) und, dass die zuvor aufwendig berechnete Darstellung nicht in Echtzeit möglich ist. 28 Stillimages oder Stills sind computergenerierte Einzelbilder die in einem beliebigen Dateiformat abgespeichert werden können (vgl. Vaughan 1998, S. 288). 23

Die Echte 3D-Darstellung 4.2. Die Echte 3D-Darstellung Im Gegensatz zur Falschen 3D-Darstellung, bei der Stillimages im voraus berechnet wurden, werden bei der Echten 3D-Darstellung die Stillimages in Echtzeit berechnet und dargestellt. Es können damit virtuelle Welten erstellt werden die, beliebig begehbar sind. Die Beschreibung des 3D-Raums 29 oder einer einzelnen Szene darin, besteht nicht aus vorberechneten Stillimages, sondern aus mathematischen Funktionen die im wesentlichen Eckpunkte und Oberflächen berechnen 30 (vgl. Lamprecht 2002, S. 19f). Weiters werden wie in einem Spielfilm Lichtquellen, und Oberflächen in das Szenario eingebunden. Die Kamera 31 beziehungsweise der Betrachter kann an einem beliebigen Punkt im 3D-Raum positioniert oder bewegt werden, wodurch das Szenario berechnet werden kann. Der große Vorteil liegt darin, dass diese Szenen durch ihre mathematische Beschreibung wesentlich kleinere Datenmengen benötigen und flexibler in ihrer Handhabung sind. Der Nachteil liegt allerdings darin, dass die Darstellungsgeschwindigkeit und Qualität stark von der Rechenleistung der Hardware abhängig ist (siehe Kapitel 5.1.). 4.2.1. Die Grundlegenden Bestandteile eines 3D-Objekts Ein 3D-Objekt ist eine in sich geschlossene geometrische Form innerhalb des 3D- Raums. In der Fachsprache wird ein solches Objekt als Shape bezeichnet. Ein Shape kann beispielsweise eine Kugel oder ein Zylinder sein (vgl. Vaughan 1998, S 302f). 29 30 31 Der 3D-Raum ist die virtuelle Umgebung in ihrer Gesamtheit, in der sich Szenen und Objekte befinden. In der Fachsprache spricht man nicht von berechnen sondern vom rendern. Der Computer beginnt komplexe Algorithmen zu berechnen um die Einstellungen der erstellte Szene darzustellen (vgl. Vaughan 1998, S. 304). Die Kamera ist immer die Position von wo aus die Szene im 3D-Raum betrachtet wird. 24

Die Grundlegenden Bestandteile eines 3D-Objekts Der Realismus eines 3D-Objekts ist umso besser je fotorealistischer es dargestellt wird. Ein weiteres Kriterium dazu ist die maßstabsgetreue Darstellung des Objekts. Diese Kriterien müssen schon bei der Erstellung der 3D-Objekte berücksichtigt und recherchiert werden. Wichtig ist dies vor allem bei Einsatzgebieten wie Raumvisualisierungen oder Simulationen (siehe Kapitel 6.5.1.). Zu berücksichtigen sind: Geometrie Topologie Texturing Für Raumvisualisierungen kann es beispielsweise wichtig sein Objekte maßstabsgetreu darzustellen. Um die exakten Geometriedaten eines 3D-Objekts zu bestimmen müssen seine geometrischen Informationen erfasst werden. Dies geschieht durch Tachymetrie, Photogrammetrie oder Laser Scanner (vgl. Dorffner 2002, S. 5). Unter der Topologie versteht man die Lehre von der Lage und Anordnung geometrischer Gebilde im Raum (vgl. Duden, Das Fremdwörterbuch 1990, S. 783). Sie ist die Angabe von Nachbarschaftsbeziehungen von Punkten innerhalb einer Linie. 25

Die Grundlegenden Bestandteile eines 3D-Objekts Abbildung 6: Links: die gesammelten Geometriedaten. Jeder Punkt repräsentiert eine Position im 3D-Raum. Rechts: die topologische Information. Jede Linie bestimmt die Anordnung der Punkte im 3D- Raum. Das Texturing bezeichnet die Projektion von computergenerierten oder fotorealistischen Bildern auf die Oberfläche des 3D-Objekts. Hierbei ergeben sich Schwierigkeiten durch perspektivische Verzerrungen. Die Bilder müssen orthogonal umgebildet werden und Schlagschatten müssen entfernt werden (vgl. Dorffner 2002, S. 5). 26

Die Mathematik Abbildung 7: Links: eine Textur mit entfernten Schlagschatten und perspektivischen Verzerrungen. Rechts die Textur als Mantel für das 3D-Objekt. Schatten und perspektivische Verzerrungen werden neu berechnet. 4.2.2. Die Mathematik Um die Echte 3D-Darstellung zu verstehen, muss der mathematische Hintergrund erklärt werden. Es werden im Folgenden die internen Operationen beschrieben, die die Hardware durchführen muss, um 3D darstellen zu können. Diese Funktionen werden groß teils von 3D-Programmen wie Maya übernommen. 4.2.2.1. Vektoren und Matrizen Für die Berechnung dreidimensionaler Szenen sind vor allem Vektoren und Matrizen verantwortlich. Vektoren dienen dazu, die Eckpunkte zu beschreiben und Matrizen dazu, die Eckpunkte zu transformieren. Ein Vektor ist nichts anderes als eine Positionsbeschreibung in Form einer Liste von Zahlen (vgl. Lamprecht 2002, 27

Vektoren und Matrizen S. 20). Im dreidimensionalen Raum kann man durch die drei Koordinaten x, y und z eine Position genau beschreiben. In der Abbildung wird gezeigt wie solch ein Vektor dargestellt wird. Abbildung 8: Der Vektor V wird durch die drei Koordinaten x, y und z im 3D-Raum positioniert. Bereits mit zwei Vektoren kann man nun einfache Rechenoperationen vollziehen. Die Berechnung einer Addition wird in der nächsten Abbildung gezeigt. Durch Addition, Subtraktion und Multiplikation kann man die Position der Vektoren verändern. Mithilfe von Matrizen kann man den Vektor skalieren 32 oder rotieren. 32 Unter skalieren versteht man das Verändern der Größe. Man kann den Vektor verkürzen oder verlängern. 28

Vektoren und Matrizen Abbildung 9: Eine Addition zweier Vektoren 4.2.2.2. Von 3D zu 2D 3D-Darstellungen sind grundsätzlich so schwierig, weil die Visualisierung am Bildschirm oder auch auf dem Papier eigentlich gar nicht möglich ist. Nur durch rechnerische, perspektivische Verzerrungen oder durch geschickte plastische Darstellung (siehe Kapitel 4.1.) gewinnen wir den Eindruck einer 3D Illusion. (Eberl 2002, S. 697). Intern rechnet die Hardware mit den weiter oben genannten Komponenten (Vektoren und Matrizen). Nun fehlt aber noch die Projektion auf den flachen, zweidimensionalen Bildschirm. Es muss von der internen dreidimensionalen Darstellung zu 2D transformiert werden. Für die Projektion wird ein virtuellen Punkt, die Kamera, festgelegt von dem aus die Szene betrachtet wird. Dieser Punkt liegt vor dem Bildschirm. Von diesem Punkt aus wird wie durch ein Fenster die Szene hinter dem Bildschirm betrachtet (vgl. Lamprecht 2002, S. 27f). Die untere Abbildung veranschaulicht die Berechnung. 29

Von 3D zu 2D Abbildung 10: Das größere Dreieck ist das intern berechnete. Das kleinere Dreieck ist die am Bildschirm sichtbare, projizierte Grafik. 4.2.3. Oberflächen Die Grundlagen darüber, wie die Berechnung einer Szene funktioniert, wurden bereits besprochen. Um allerdings etwas am Bildschirm zu sehen fehlt noch eine wesentliche Komponente - die Oberfläche. Eine Oberfläche ist sozusagen der Mantel eines 3D-Objekts, damit es sichtbar wird. Um eine Oberfläche darzustellen müssen die einzelnen Vektoren miteinander verbunden werden. Mindestens drei Punkte, ergeben dann eine Fläche. Man spricht von Triangles (Dreiecke) oder von Polygonen 33 wenn drei beziehungsweise mehrere Eckpunkte miteinander verbunden werden. Die meisten Objekte bestehen demnach aus einer Vielzahl an Polygonen. Es gibt auch andere Methoden die Vektoren miteinander zu kombinieren wie zum Beispiel NURBs 34. Bei Web3D kommt derzeit allerdings 33 34 Vieleck Non Uniform Rational Beta-Spline(s) (vgl. Hearn 1997, S. 347). 30

Oberflächen ausschließlich die Polygonale Berechnung zur Anwendung, da sie nicht so komplex und daher schneller ist. Wenn das Objekt eine Oberfläche besitzt gibt es eine Vielzahl an Möglichkeiten diese darzustellen. Die Häufigsten werden im Folgenden besprochen. 4.2.3.1. Wireframe Darstellung (Drahtgitter) Bei dieser Berechnungsmethode werden Vektoren durch Linien miteinander verbunden. Für das Objekt gibt es eine Liste in der beschrieben steht, welche Punkte miteinander zu verbinden sind (vgl. Lamprecht 2002, S. 29). Da es sich hierbei um eine Oberfläche handelt, die lediglich aus Linien besteht ist diese Art der Darstellung sehr schnell. Die Abbildung zeigt eine Kugel die nach dieser Methode berechnet wurde. Abbildung 11: Kugel mit Wireframe Oberfläche dargestellt. 4.2.3.2. Backface Culling Bei dem oberen Wireframe Objekt ist ersichtlich, dass sowohl die Rückseite, also auch die Vorderseite der Kugel angezeigt werden. Das ist in manchen Fällen nicht wünschenswert. Backface Culling zeigt die Rückseite nicht an. Um das zu 31

Backface Culling erreichen wird eine weitere Liste angelegt, in der die Flächen (Polygone) gespeichert werden. Es werden nun nur jene angezeigt, die sich näher beim Betrachter befinden (siehe Abbildung). Nachdem hier zusätzliche Rechenoperationen getätigt werden müssen, ist diese Art der Darstellung etwas langsamer als Wireframe (vgl. Lamprecht 2002, S. 29ff). Es gibt mehrere Möglichkeiten zur Berechnung von Backface Culling, die auch bei den weiter unten besprochenen Oberflächenberechnungsmethoden zur Anwendung kommen. Der Hauptvertreter ist hier die depth- oder z-buffer Methode (vgl. Hearn 1997, S. 472). Abbildung 12: Backface Culling, Darstellung einer Kugel nur mit ihrer Vorderseite. 4.2.3.3. Shading Diese Form der Berechnungsmethode funktioniert im wesentlichen wie Backface Culling nur, dass die berechneten Flächen noch mit einer Farbe belegt werden können (siehe Abbildung). Die Flächen sind meist Dreiecke oder Polygone. Oft werden Polygone allerdings in Dreiecke geteilt, da die ausschließliche Berechnung von Dreiecken schneller ist, als wenn auch Polygone berechnet werden müssen (vgl. Lamprecht 2002, S 31f). Die Füllfarbe ist abhängig vom Einfallswinkel der 32

Shading Lichtquelle. Eine Fläche wird umso heller gezeichnet, je mehr die Lichtquelle senkrecht auf die Fläche fällt. Ist der Einfallswinkel größer als 90, dann fällt gar kein Licht mehr auf die Fläche und sie wird dunkel gezeichnet. Abbildung 13: Eine Kugel mit schattierten Oberflächen visualisiert. 4.2.3.4. Gouraud- & Phong Shading Dies sind zwei Oberflächenberechnungsmethoden, die das Objekt realistischer aussehen lassen. Gouraud definiert für jeden Eckpunkt einer Fläche einen Normalvektor. Abhängig vom Lichteinfall wird die Ausrichtung der Fläche und die Farbe der Eckpunkte bestimmt. Nun müssen nur noch die Farben der Eckpunkte interpoliert werden und man bekommt eine Schattierte Fläche (siehe Abbildung). 33

Gouraud- & Phong Shading Abbildung 14: Gouraud-Shading, zur besseren Visualisierung von Farbverläufen. Beim Phong-Shading (siehe Abbildung) werden nicht die Eckpunkte der Farben interpoliert, sondern die Normalverktoren werden für jeden Punkt interpoliert und die Farbschattierungen damit bestimmt. Lichtreflexe werden so besser dargestellt (vgl. Lamprecht 2002, S. 33f). Abbildung 15: Phong-Shading, zur Visualisierung von Farbverläufen und Lichtreflexen. 4.2.3.5. Raytracing & Radiosity Diese beiden Berechnungsmethoden kommen der fotorealistischen Darstellung am nächsten. Sie können Transparenz, Schatten und Reflexionen sowie Auren berechnen. Sie bedürfen äußerst aufwendiger Berechnungen und können derzeit nicht in Echtzeit dargestellt werden. In dieser Arbeit würden diese Methoden unter 34

Raytracing & Radiosity Falsche 3D-Visualisierung fallen, da solche Szenen nur durch vorberechnete Stillimages dargestellt werden könnten. 4.2.3.6. Spezielle Oberflächen Der Phong-Shader bietet derzeit die beste Qualität bei der Echtzeitdarstellung im Internet. Es gibt allerdings noch einige weitere Methoden, um eine Szene noch realistischer erscheinen zu lassen. 4.2.3.6.1. Antialiasing Dies ist ein Verfahren um Kanten am Bildschirm weicher darzustellen. Da die meisten Bildschirme mit der geringen Auflösung von 72dpi arbeiten, kommt es bei scharfen Kanten mit starken Kontrasten zum Hintergrund zu einer kantigen und somit unschönen Darstellung am Bildschirm. Darüber hinaus werden 3D-Objekte, die auf 72dpi optimiert wurden, oft vergrößert oder verkleinert, wodurch ebenfalls Unebenheiten in den Kanten auftreten. Um diesem unerwünschten Effekt entgegen zu wirken, wurde Antialiasing entwickelt. Eine rechen aufwendige Operation, die die Vordergrundfarbe mit der Hintergrundfarbe stufenweise interpoliert, um eine weichere und somit sauberere Darstellung zu erlangen (vgl. Hearn 1997, S. 171). 4.2.3.6.2. Texturing Hierbei wird der Oberfläche des Objekts ein Bild (Textur) zugewiesen. Das Aufwendige bei der Darstellung ist, dass perspektivische Berechnungen vorgenommen werden müssen um das Bild passend zu verzerren (vgl. Hearn 1997, S. 299). Der LOD 35 spielt hier eine wesentliche Rolle. So wird beispielsweise die Textur bei nahen Ansichten mit höherer Auflösung dargestellt als weiter entfernte Objekte (vgl. Lamprecht 2002, S. 36). In der Regel wird diese Arbeit aber 35 Level of detail 35

Texturing von der Grafik Hardware (siehe Kapitel 5.1.) übernommen. Beim Texturing treten noch weitere Probleme auf, die im Kapitel 4.2.1 behandelt wurden. 4.2.3.6.2.1. Multitexturing zur Visualisierung von Reflexionen In der Regel hat ein 3D-Objekt nur eine Textur. Mit der Methode des Multitexturing können ihm allerdings mehrere Texturen zugewiesen werden. Es kann beispielsweise mit einer zweiten Textur, die einen Alphakanal von 50% Durchsichtigkeit besitzt und sich bei der Bewegung des Objekts nicht mitdreht eine reflektierende Oberfläche simuliert werden (vgl. Lamprecht 2002, S. 36). Dies ist eine einfache Möglichkeit Reflexionen darzustellen, ohne das aufwendige Darstellungsverfahren Raytracing oder Radiosity zu verwenden. 4.2.3.6.3. Bumpmapping Dies ist eine mathematische Oberfläche mit der man dem 3D-Objekt eine Struktur geben kann, ohne die Geometrie des Objekts zu ändern. Es handelt sich um mathematische Texturen die eine reliefartige Oberfläche bilden. Der Vorteil der fehlenden Geometrieänderung des Objekts resultiert in einer geringeren Datenmenge. 4.2.3.6.4. Schatten Echte Schatten können nur durch Raytracing oder Radiosity Berechnungsmethoden erzeugt werden. Zur Darstellung von Schatten können schattenähnlichen Texturen oder flache Objekte eingesetzt werden. 36

3D Technologien 5. 3D Technologien Die Ausgabe eines 3D-Objekts am Bildschirm wird von zwei Komponenten beeinflusst, der Hardware und der Software. Die Hardware beinhaltet den Computer mit all seinen Bestandteilen. Eine wesentliche Voraussetzung für eine schnellere Darstellungsgeschwindigkeit und bessere Qualität des Objekts ist die Grafikkarte. Die Software ist die Schnittstelle zwischen dem Betriebssystem und der Hardware. Einige Plug-ins greifen auf die im Betriebssystem verankerte Bibliothek OpenGL oder DirectX zurück (siehe Kapitel 3.2.2.). 5.1. Grafik Hardware Mittlerweile wird 3D-Grafik stark von der eingebauten Hardware in einem Desktop Rechner unterstützt. Spezielle Hardware, wie Grafikkarten, unterstützen beziehungsweise übernehmen Berechnungen die bisher alleine von der CPU durchgeführt wurden. In erster Linie werden von einer 3D Grafikkarte Oberflächen auf den Bildschirm gezeichnet. In der Regel sind das in Triangles unterteilte Oberflächen (siehe Kapitel 4.2.3.). Perspektivische Verzerrungen und Gouraudoder Phong-Shader kommen hier zum Einsatz. Weiters unterstützt die Grafikkarte den Rechner auch mit RAM. Da meist relativ kleine JPEG Dateien als Texturen ihren Einsatz finden, benötigen diese im unkomprimierten Zustand, also zum Zeitpunkt ihrer Darstellung, sehr viel Platz im Speicher (vgl. Lamprecht 2002, S. 37). In jüngster Zeit unterstützen Grafikkarten auch T&L (Transformation & Lightning). Diese Funktion nimmt dem Prozessor ebenfalls eine Menge Rechenarbeit ab. Sie dient dazu Vektoren zu transformieren. Mehrere Lichtquellen können berechnet werden, außerdem werden Bumpmapping und Multitexturing unterstützt (vgl. Artikel Digital Production 1/02, S145). Somit können realistischere Szenen schneller in Echtzeit berechnet werden. 37

Web3D Software 5.2. Web3D Software Es gibt derzeit etwa 36 nennenswerte Plug-ins, die für Web3D Softwaretechnologien eingesetzt werden können (vgl. Lamprecht 2002, S. 46fff). Das Angebot ist unüberschaubar. Es gibt Technologien, die für die erfolgreiche Visualisierung auf einem Browser ein Plug-in benötigen, aber es gibt auch Technologien die ohne dieses auskommen. 5.2.1. Auswahl der Technologie Abgesehen von den unter Kapitel 3.2. genannten Problemen, die bei unterschiedlichen Technologien mehr oder weniger gut optimiert sind, spielen bei der Auswahl einer Technologie weitere Punkte eine wichtig Rolle. Plug-ins, die auf die Programmbibliotheken OpenGL oder DirectX zurückgreifen, zeichnen sich durch hohe Darstellungsgeschwindigkeiten aus, da sie optimal mit der Grafik Hardware kommunizieren. OpenGL hat sich hier als quasi Standard etabliert. Im Gegensatz dazu stehen Plug-ins, wo die gesamte Rechenarbeit von der Software übernommen werden muss, wodurch die Vorteile der Grafik Hardware kaum genutzt werden. Dies resultiert in dem Nachteil einer langsameren Darstellungsgeschwindigkeit. Bei der passenden Auswahl der Technologie sind noch weitere Punkte zu berücksichtigen: Hersteller Authoring Dynamik Der Hersteller spielt deshalb eine wesentliche Rolle, da die Bekanntheit und wirtschaftliche Größe des Herstellers in direktem Zusammenhang mit der Verbreitung und der möglichen Standardisierung des Plug-ins eine Rolle spielen. 38

Auswahl der Technologie Authoring Software ist für die Generierung von 3D-Szenen von großer Bedeutung, da dem 3D-Grafiker damit ein Werkzeug in die Hand gegeben wird Web3D professionell und komfortabel zu gestalten. Maya RTA ist derzeit eines der ausgereiftesten Werkzeuge dafür (vgl. Artikel Digital Production 1/02, S139). Die Möglichkeit der dynamischen Veränderung von Inhalten spielt bei Webseiten die auf HTML basieren eine wichtige Rolle, dies wird bei Web3D nicht anders sein und ist daher ein wesentliches Kriterium bei der Auswahl der richtigen Technologie. CMS 36 sind heute nicht mehr wegzudenken. Es handelt sich um ein Programm mit dem es möglich ist beispielsweise HTML Inhalte oder Bilder dynamisch zu ändern oder zu generieren. Mit einem CMS ist es auch einem Laien möglich Inhalte einer Webseite eigenständig zu aktualisieren oder zu ergänzen. Die Entwicklung bei Web3D steckt hierbei allerdings noch in den Kinderschuhen, da zuerst die Authoring Software ausgereift sein muss um die Dynamik für den Laien zugänglich zu machen. Weiters gilt es zu berücksichtigen, ob Falsche- oder Echte 3D-Visualisierung zum Einsatz kommen soll. Dies ist bei der Auswahl des Plug-ins zu berücksichtigen. In dieser Arbeit wird keine Gegenüberstellung vorgenommen, da sie den Rahmen der Arbeit sprengen würde, sondern es werden nur kurz die interessantesten recherchierten Technologien erwähnt. 5.2.1.1. DHTML & Java DHTML und Java sind die einzigen beiden Technologien, die zur Darstellung kein Plug-in benötigen, da die meisten Browser diese Funktionen von vorn herein beherrschen. Dies ist von großem Vorteil, da eine große Masse mit dieser Technologie erreicht wird. In Java programmierte Java-Applets haben einen ähnlichen Vorteil wie DHTML. Sofern Java im Browser aktiviert ist, sollte es ab Version 1.1 keine Probleme bei der Darstellung eines 3D-Objekts geben. Es lassen 36 Content Management System 39

DHTML & Java sich allerdings nur sehr wenige Objekt auf diese Weise darstellen (vgl. Lamprecht 2002, S. 45). Die Programmierung ist aufwendig und nur ohne Authoring Software möglich. 5.2.1.2. Shockwave Flash Das weltweit am weitesten verbreitete Plug-in Shockwave Flash bietet die Möglichkeiten sowohl der Falschen- als auch der Echten 3D-Darstellung. Die Echte 3D-Darstellung ist allerdings stark eingeschränkt und nur mit der eingebauten Programmiersprache Action Script umsetzbar. Weiters sind keine Texturen möglich. Da kein Rückgriff auf Programmbibliotheken wie OpenGL erfolgt, sondern rein von der Software berechnet wird, ist von der Nutzung des Plug-ins abzuraten (vgl. Lamprecht 2002, S. 47). 5.2.1.3. Shockwave Director (Shockwave3D) Shockwave Director oder ab Version 8.5 auch Shockwave3D wird als quasi Standard bezeichnet. Es hat große Chancen sich durchzusetzen, da es durch den Hersteller Macromedia einen starken Partner hat. Es ist das nach Shockwave Flash weitest verbreitete Plug-in (vgl. Lamprecht 2002, S. 48). Einer Statistik zufolge ist Shockwave Director derzeit bei 4,43% Benutzern weltweit installiert 37. Die Umfrage hat ergeben, dass dieses Plug-in bei 35% der Befragten schon installiert war. Durch die im Authoring Werkzeug Director (siehe Kapitel 2.1.) verwendete Programmiersprache Lingo und der Software Maya RTA sind komplexe Spieleprogrammierungen möglich. Shockwave3D verwendet OpenGL. 37 Vgl. http://clickclub.port5.com/plugins.htm 40