Virtuelles Bayern

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Folgendes muss noch verbessert werden: braucht eine gescheite Einleitung und muss fachgerecht verlinkt werden. -- Olaf Studt 19:04, 1. Feb. 2008 (CET)

Das Projekt Virtuelles Bayern verbindet u. a. Weltraum- und Roboter-Technologien, um aus den bayerischen Landschaften und Gebäuden photorealistische 3D-Welten zu gewinnen. Initiiert wurde das Projekt von Prof. Gerd Hirzinger, Direktor des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik in Oberpfaffenhofen. Ziel dieses Projekts ist die fotorealistische 3D-Modellierung von touristisch und kulturhistorisch interessanten Landschaften und Baudenkmälern in Bayern mit Technologien der Weltraumforschung, Robotik und 3D-Computergrafik.

Das Virtuelle Bayern hat zwei zentrale Standbeine:

• Virtueller Tourismus
• Digitales kulturelles Erbe

Mittelfristiges Ziel des Virtuellen Bayerns ist die „digitale Vereinigung“ von Landschaften und Baudenkmälern, so dass man über die Landschaft an ausgewählte, detailliert modellierte Gebäude nah heranfliegen und letztlich auch hineinfliegen kann. Einer breiten Öffentlichkeit sollen diese Ergebnisse über das Internet nahegebracht werden.

Damit leistet dieses Projekt einen Beitrag zum Erhalt des kulturellen Erbes, da durch Umwelteinflüsse und nicht zuletzt wegen des Menschen Landschaften und Kulturstätten gefährdet sind.

Virtueller Tourismus

Auf Basis der 3D-Daten des DLR, den hochaufgelösten Bildern der HRSC-Kamera und der detaillierten 3D-Geländemodelle, konnten weltweit neuartige Produkte entwickelt werden: fotorealistische Luftbild-Stadtpläne und -Landkarten in 3D.

Nach den ersten 3D Stadtplänen von München, Berlin und Potsdam wurden Luftbilddaten des Alpengebiets verarbeitet, die in Form von Wander- und Mountainbikeführern auf dem PC-DVD vermarktet werden. Ziel ist die interaktive 3D Visualisierung des gesamten bayerischen Alpenraumes. Vom Computer aus ist es möglich, Landschaften und Freizeitangebote virtuell zu erkunden. Der Nutzer kann wie ein Hubschrauberpilot durch Schluchten, über Wiesen und Berggipfel fliegen und Wanderwege, Mountainbikerouten, Bergtouren aus der Vogelperspektive betrachten. Sämtliche Informationen sind wie in einer Landkarte abrufbar und interaktiv in 3D zu betrachten.

Durch die Integration zusätzlicher Services, wie z. B. Hotelbuchung, wird es in Zukunft ein umfassendes Informationssystem im Internet geben.

Digitales Kulturerbe

Neben dem virtuellen Tourismus steht das digitale Kulturerbe im Vordergrund. Das Projekt verfolgt damit u. a. die Absicht, Denkmäler der Geschichte und Kultur zu schützen. Beispielsweise sorgen Umwelteinflüsse sowie Massentourismus für Abnutzung an Boden, Wänden und Gemälden.

Der reale Denkmalschutz wird durch einen virtuellen Denkmalschutz ergänzt. Rekonstruktion der bayerischen Sehenswürdigkeiten bleiben somit der Nachwelt erhalten.

Die vorhandenen Technologien bieten neben der virtuellen Rekonstruktion existierender Denkmäler auch Möglichkeiten, Sehenswürdigkeiten erlebbar zu machen, die es in der Realität gar nicht (mehr) gibt. Mittlerweile gibt es beim Virtuellen Bayern fünf Kategorien:

• existierende Baudenkmäler, ggf. inklusive nicht öffentlich zugängliche Räume (Königsschlösser, Kirchen wie Andechs und Wieskirche, Befreiungshalle etc.)

• nicht realisierte Baupläne und technische Projekte, z. B. die des Märchenkönigs Ludwig II. (Planungen für Schloss Neuschwanstein, Falkenstein, chinesisches und byzantinisches Schloss, frühe Luftschiff-Entwürfe, geplante Seilbahn über den Alpsee)

• begonnene, aber nicht fertig gestellte Bauprojekte (z. B. Ritterbad in Neuschwanstein)

• nicht mehr existierende, weil inzwischen zerstörte Architekturen (z. B. Wintergarten auf der Münchner Residenz)

• virtuelle Komplettierung von zerstörter und nur teilweise wiederhergestellter Architektur (z. B. Allerheiligen-Hofkirche in München)

Projektdetails

In über fünf Jahren sind mittlerweile mehr als 30 bayerische Sehenswürdigkeiten entstanden. Naturgemäß nehmen die Schlösser und Bauwerke von König Ludwig eine wichtige Rolle ein. Aber auch andere Baudenkmäler wie z. B. Klöster oder Kirchen wurden virtuell rekonstruiert.

Technologien

Bei der Realisierung des Virtuellen Bayerns wirken verschiedene Technologien zusammen. Dabei arbeiten Kulturwissenschaft, Weltraumtechnik, Robotik und Mechatronik, Optik bzw. Fototechnik und Informationstechnologie in einem Verbund.

3D-Konstruktionsprogramm

Hiermit werden die Punktwolken, die die Laserscanner erzeugt haben, importiert und weiterverarbeitet. Darüber hinaus werden fast alle Objekte und Bauten manuell konstruiert.

VR-Engine

Um die virtuelle Welt interaktiv und begehbar zu gestalten, werden die erzeugten 3D-Welten in eine VR-Engine importiert. Hier werden die Navigation, Steuerung, Atmosphäre (z. B. Lichtmodell) und Interaktionen für eine Echtzeitsimulation programmiert.

Vermaschungsmethoden

Um aus den von den Laserscannern gelieferten Punktwolken echte 3D-Objekte zu erhalten, kommen Algorithmen zum Einsatz, die die Informationen aus den Punktwolken entsprechend extrapolieren und Drahtgitternetze erzeugen.

HRSC-Kamera

Zum Einsatz kommt unter anderem eine im Deutschen Institut für Luft –und Raumfahrttechnik entwickelte Stereo-Kamera für Befliegungen, d. h. für die Geländemodellierung aus der Luft. Das Kameramodell wurde bei der europäischen Mars-Mission Mars Express im Jahre 2003 / 2004 sehr erfolgreich eingesetzt. Die Kamera ist vor allem für Szenen aus der Entfernung gut geeignet (z. B. Landschaftsaufnahmen und Topographiescans).

Fröhlich-360°-Scanner

Weitere Möglichkeiten bieten ein aus der Robotik stammender 3D-Laserscanner und eine ebenfalls für die Marsmission entwickelte Panoramakamera, die im Rahmen des von Professor Hirzinger initiierten Projekts Virtuelles Bayern eine zentrale Rolle einnehmen. Der Scanner ist vor allem für die Modellierung von Szenen aus der Nähe (z. B. Thronsaal) geeignet.

High-End-Grafikkarten

Die hohe Qualität reizt trotz performanter Programmierung für Echtzeitmaßstäbe alle Ressourcen aus. Deshalb kommen nur spezielle Grafikkarten zum Einsatz, die die Vielzahl von Polygonen und das enorme Volumen von Texturspeicher verarbeiten können.

Stereo-System

Um diese Projekte auch hyperrealistisch erleben zu können, werden diese im Stereoverfahren dargestellt. Hierbei wird dem Betrachter der Eindruck vermittelt, er befinde sich selbst in der virtuellen Welt. Ein spezieller Hochleistungs-PC berechnet in Echtzeit die Bilder für das rechte und linke Auge. Mit Hilfe von 2 polarisierten Beamern und einer polarisierten Stereobrille wird dieses Stereosystem komplettiert.

Produktionsprozess

Produktionsprozess Landschaften

Außenszenen, vor allem die bayerischen Alpen, stammen im Wesentlichen von der HRSC-Kamera. Die HRSC- Stereo-Kamera wurde im Rahmen der Mars Express Mission vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt und für Anwendungen auf der Erde optimiert. Sie liefert brillante Farbluftbilder und Geländemodelle mit bis zu 15 cm Auflösung. Durch effiziente Visualisierungstechniken können die Luftbilder mit mehr als 1 Milliarde Pixel ohne nennenswerte Verzögerung im Raum gedreht oder gezoomt werden.

Produktionsprozess existierende Objekte

Von den Rohdaten bis zum digitalen Kulturerbe – die einzelnen Schritte der Produktion

1. Bei Innenszenen ist der erste Schritt der Laserscan: Ein aus der Robotertechnik stammender 3D-Laserscanner vermisst den Raum und erstellt gleichzeitig Bilder davon. Dafür wird der Scanner an einem Punkt des Raumes aufgestellt, von dem aus er jeden Punkt im Raum gut mit dem Laser erreichen kann. Nun dreht sich der Scanner um 360 Grad und misst bei der Drehung in extrem kurzen Abständen die Maße und macht ein Bild davon. Es entsteht ein als Punktwolke dargestellter Raum.
2. Vermaschung bzw. Prozessierung: Aus der Punktwolke, die den Raum beschreibt, wird ein Drahtgittermodell erstellt. Letzteres ist Voraussetzung, um die Punktwolke in 3D Programmen weiterverarbeiten zu können. Hierfür gibt es spezielle Algorithmen, die ständig weiterentwickelt werden.
3. Produktion der 3D-Welt: Auch die besten Algorithmen können einen gescannten, komplexen Saal nicht perfekt als 3D-Modell berechnen. Der Laserscanner stößt an Grenzen, wenn z. B. Säulen, Möbel, Vorhänge usw. vorhanden sind, weil der Laserstrahl, der auf diese Objekte auftrifft, die dahinter liegende Architektur nicht erfassen kann. In diesen Fällen ist manuelle Veredelung gefragt. Hierzu werden die Objekte händisch modelliert und texturiert, d. h. mit Oberflächen bezogen. Damit letzteres besonders realistisch erfolgen kann, werden vor Ort digitale Aufnahmen von den Objekten gemacht. Diese werden perspektivisch entzerrt und können als Oberflächen auf die handmodellierten Objekte portiert werden.
4. Echtzeitprogrammierung: Um die virtuelle Welt interaktiv und begehbar zu gestalten, werden die erzeugten 3D-Welten in eine VR-Engine importiert. Hier werden die Navigation, Steuerung, Atmosphäre (z. B. Lichtmodell) und Interaktionen für eine Echtzeitsimulation programmiert. Die Techniken sind vergleichbar mit der Programmierung von Computerspielen, bei denen man sich frei in 3D-Welten bewegen kann.
5. 3D-Projektion: Wie in einem 3D-Kino wird dem Betrachter ein dreidimensionaler Eindruck vermittelt. Dazu ahmt die Technik den Vorgang räumlichen Sehens beim Menschen nach. Durch den Abstand zwischen den Augen ergeben sich unterschiedliche Sichtwinkel. Aus diesen zwei Bildern errechnet unser Gehirn dann ein drittes räumliches Bild. Der Zuschauer braucht jetzt nur noch eine so genannte Polarisationsbrille zu tragen.

Produktionsprozess nicht existierende Objekte

1. An die Stelle der oben beschriebenen Schritte 1) und 2) tritt in diesem Fall ausgiebige Recherche-Arbeit. Hierfür werden die verschiedensten Quellen herangezogen. Den Zugang dazu haben vor allem die öffentlichen Archive ermöglicht, die die Recherche mit zahlreichem Quellmaterial unterstützt haben:

   Photographien

   Teilweise existieren echte Fotos. Sie bieten eine wertvolle Quelle. Jedoch ist zu beachten, dass auch in der Urzeit der Fotografie Fotos „nachbearbeitet“ wurden. Um eine originalgetreue Realität der Geschichte zu erreichen, werden Experten zu Rate gezogen, um die Inhalte der Fotos zu verifizieren.

   Baupläne

   Baupläne sind die Basis für eine realitätsgetreue Rekonstruktion. Sie liefern Maße und Größenverhältnisse. Sie sind jedoch nicht immer einfach zu bekommen. Teilweise existieren sie für weltberühmte Kulturdenkmäler nicht (mehr). Umgekehrt gibt es aber Baupläne von Bauten, die nie realisiert wurden.

   Bühnenbilder

   Für die Schlösser von König Ludwig gibt es zum Beispiel zahlreiche Bühnenbilder. Der Bauherr hat diese zu seiner Zeit oft erstellen lassen, damit er sich seine Bauvorhaben räumlich besser vorstellen konnte. Existieren Bühnenbilder von damals, sind sie gerade für 3D-Rekonstruktionen eine wertvolle Quelle. Es gibt eine entscheidende Gemeinsamkeit: Der 3D-Ansatz. Man erhält wertvolle Informationen über den Gesamteindruck des Vorhabens.

   Briefe /Schriftverkehr

   König Ludwig II. war ein technikbegeisterter Monarch. Er interessierte sich sehr für die Umsetzung und die Vorschläge seiner „Lieferanten“. Er pflegte teilweise intensive Korrespondenz mit Ihnen. Hier finden sich ebenfalls wichtige Informationen.

2. Die weiteren Schritte entsprechen wie den bereits oben bei 3), 4), 5) beschriebenen Schritten, mit der Modifikation, dass bei Schritt 3) die Daten nicht manuell veredelt, sondern originär konstruiert werden.

Weblinks

• http://www.dlr.de/
• http://www.virtuellesbayern.de/