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Projektgruppe
Virtuelles Schloss

Betreuer: Todt
Veranstaltung: Ort: H-A 7115,  Zeit: Mo. 12.00 - 14.00 

SWS: 5,  LP: 20 (MW) 30(ET) 

empfohlen für: AINF-ET-6/8, AINF-MW-6/8
Voraussetzungen: CG I (CG II, Maya opt.)

 
Schlossanlage Dillenburg

Projektvorhaben:

Das Projektvorhaben mit dem Arbeitstitel „Virtuelles Schloß“ hat die visuelle Aufbereitung historischer Daten der Schloßanlage Dillenburg zum Thema. Die im Jahre 1760 zerstörte und in den Folgejahren geschleifte Schlossanlage soll in einem virtuellen Rundgang zu neuem Leben erweckt werden, um Besuchern des auf dem Areal der Schloßanlage befindlichen Museums einen Eindruck von den Dimensionen der Schloßanlage mit ihren Verteidigungsanlagen geben zu können. Begründet auf historischen Aufzeichnungen soll der virtuelle Rundgang in multimedialem Format die vorhandene Ausstellung begleiten und ergänzen sowie die Phantasie des Betrachters in geleiteten Bahnen beflügeln.

Projektrahmen:

Die Durchführung des Projektes erfolgte in enger Kooperation zwischen dem Dillenburger Museumsverein e.V. und dem Lehrstuhl für Computergraphik und Multimediasystem der Universität Siegen. Die Aufgabe des Dillenburger Museumsverein e.V. besatnd in der Aufbereitung historischer Dokumente und in der Lieferung des Datenmaterials an die Projektgruppe der Universität Siegen. Der Museumsverein wurde unterstützt durch den Hessischen Museumsverband und Dr. Dehnert in historisch beratender Funktion. Aufgabe der Universität Siegen war die Generierung eines optisch korrekten Computermodells mit Hilfe dessen im Anschluß offline Animation sowie eine interaktive Anwendung erstellt wurden, die dann als multimediale Installtion in die museale Ausstellung integriert wurde. Die Bearbeitung erfolgte durch eine Studentgruppe von neun Studenten im Zeitraum von Oktober 2005 bis Mai 2007. Bei der Realisierung sollten verschiedene Präsentaionsaspekte berücksichtigt werden :

  • Erstellung einer Offline Animation und Komposition einer DVD zur Präsentation der Inhalte
  • Entwicklung und Installation einer interaktiven Anwendung die dem Museumsbesucher die frei Navigation im Burgmodell ermöglicht
Für die Realisierung waren entsprechende Werkzeuge zu evaluieren, dramaturgische Konzepte zu erarbeiten und die entsprechenden 3D Modelle zu erstellen.
Die Erstellung der virtuellen Modelle erfolgt unter Verwendung der 3D Animations- und Modellierungs-Software Autodesk Maya. Die mit Hilfe der Animations-Software erstellten Videos wurden mit Ton unterlegt, composited, geschnitten und in einem DVD Produkt zusammengestellt. Für diese Schritte kamen verschiedene Produkte wie Adobe After Effects, Adobe Premiere, Adobe Photoshop, Adobe Encore DVD uvm. zum Einsatz. Mit der DVD steht ein Teilergebnis der Projektgruppe zur Verfügung, die eine Betrachtung der virtuell rekonstruierten Burganlage am heimischen DVD Player ermöglicht.

Für die multimediale Installation in den Ausstellungsräumen des Wilhelmturms in Dillenburg wurde mit dem Einsatz eines Touch-Monitors eine besonders intuitive Möglichkeit gefunden, den Ablauf der DVD durch den Museumsbesucher selbst bestimmen zu lassen. Mit dem Einsatz des Touch-Monitors können geübte, wie auch untrainierte Benutzer, ohne Probleme Einfluß auf den Ablauf der DVD erhalten. Durch den weiteren Einsatz des Tocuh-Monitors zur freien Navigation in der virtuellen Welt des Dillenburger Schlosses wird die Installation für den Besucher zu einem Erlebnis, das ihn die historie der Dillenburg hautnah erleben läßt.

Die interaktive Anwendung basiert auf einer vereinfachten Variante des zur Produktion der DVD generierten 3D Modells der Burg. Diese Anwendung stellt einen virtuellen Rundgang durch die Burg zur Verfügung, bei dem der Besucher volle Kontrolle über die Bewegung in der Burg, die blickrichtung und die weiterführenden Schritte hat. Während sich der Besucher unter Benutzung des Tocu Monitors durch die Burg bewegt, kann er jederzeit über eine Übersichtskarte einzelne Gebäude direkt ansteuern oder sich aus der Anwendung heraus detailliertere Informationen zu einzelnen Gebäuden zur Anzeige bringen lassen. Diese interaktive Anwendung vermag in besonderem Maße die gewaltigen Dimensionen der Dillenburg zu transportieren.

Projektdurchführung:
Die Durchführung des Projektes erfolte im Zeitraum Oktober 2005 bis Mai 2007. An der Projektgruppe beteiligt waren:
  • Matthias Hoffmann
  • Tim Horz
  • Jeong Il-Sin
  • Jan Kunze
  • Albert Pritzkau
  • Michael Schantin
  • Jens Schlemper
  • Sascha Schlude
  • Tim Nikias Wenclawiak
Die Bearbeitung des Projektes erfolgte in vier sequentiellen Arbeitspaketen: Datenaufbereitung, Modellierung, Rendering und Compositing und Entwicklung der interaktiven Anwendung.

Datenbasis und Datenaufbereitung:

Für die Umsetzung des Projektes standen nur geringe Mengen verläßlicher Daten zur Verfügung. Mit den Grundrissen des Fähnrich Pfau, die unmittelbar vor der vollständigen Zerstörung der Schlossanlage im Jahre 1760 angefertigt wurden, stehen jedoch gute Pläne als Grundlage zur Festlegung der Lage, Form und Gestaltung von Gebäuden zur Verfügung. Individuelle Pfau Pläne wurden mit Hilfe korrespondierender Punkte miteinander abgeglichen und zur Deckung gebracht werden. Die Sammlung der Pfauschen Grundpläne konnten weiter mit aktuellen Vermessungsdaten freigelegter Fundstücke registriert und so an geographischen Gegenbenheiten ausgerichtet werden. Damit konnte eine Platzierung der historischen Pläne in den vom Hessischen Landesvermessungsamt gelieferten Geländedaten erfolgen.

   
Original Skizze Pfau Original Skizze Dörien

Als weitere Datenbasis dienten historische Darstellungen der Schlossanlage aus dem entsprechendem Zeitfenster. Hier wurde der Biologin Dörrien, aufgrund ihrer Fähigkeit auch Pflanzen sehr exakt und detailliert darstellen zu können, ein hohes Maß an Verläßlichkeit in ihren Zeichnungen zugesprochen. Für die Gestaltung der Bauwerke über Bodenniveau kamen vornehmlich die verschiedenen Darstellungen von Dörrien zur Anwendung. Die Darstellungen wurden ergänzt durch textuelle Beschreibungen der Burganlage. Diese zumeist beschönigend beschreibenden Texte jedoch waren in Teilen widersprüchlich formuliert und konnten so nur bedingt einen Beitrag zur Schloßgestaltung leisten.

Modellierung:

Die Modellierung erfolgte unter Verwendung der 3D Animations- und Modellierungs-Software Autodesk Maya. In einem rekursiven Prozess wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Dillenburger Museumsverein e.V. zunächst ein grobes 3D Modell der Schlossanlage modelliert, um die Position, die grobe Form und die Ausrichtung der Gebäude festzulegen. Mit der Anfertigung dieser groben 3D Geometrien hatten die beteiligten Historiker erstmals die Möglichkeit, vorhandene Datenquellen aus neu gewonnenen Perspektiven zu beurteilen. Mit diesen neuen Möglichkeiten erfolgte die Fertigstellung der groben 3D Modelle in wiederholten Verfeinerungs-Sitzungen.
Die Feinmodellierung der Gebäude erfolgte in einem ähnlichen Prozess. Hier wurden zunächst Art und Form der Dächer, Fenster und Türen bestimmt, bevor dieses dann zusammen mit den Mauerwerken und anderen Details in der finalen Version detailliert ausmodelliert wurden.

Rendering und Compositing:

Das Rendering und Compositing erfolgte unter Verwendung des Raytracing Programms Mental Ray for Maya. Nach Festlegung der Kamera-Pfade gemäß des vom Museumsverein gestellten Drehbuchs wurden für einen Hauptrundflug der die gesamte Burg zeigt und zwölf Detailrundflüge, die jeweils ein individuelles Haus im Detail presentieren, mehrere Ebenen gerendert. Durch das separate Rendern verschiedener Beleuchtungs- und Materialeigenschaften in verschiedene Layer lassen sich diese im Compositing Schritt feiner aufeinander abstimmen und anpassen. Das Rendern erfolgte in insgesamt fünf Render-Passes.
Ambient Pass:
Im Ambient Pass zeigt die Basisfarbe eines jeden Objektes, ohne jegliche Reflektionen oder Verschattungseffekte.
Ambient Occlusion Pass:
Ambient Occlusion simuliert Verdunklungseffekte die aus globaler Beleuchtung resultieren. Diese Phänomene sind insbesondere in Ecken und an Kanten von Geometrien zu erkennen und unabhängig von der Position und Ausrichtung der in der Szene platzierten Lichtquellen.
Specular Pass:
Reflektionen und Highlights die aus direkter, gerichteter Beleuchtung resultieren werden im Specular Pass gerendert.
Shadow Pass:
Im Shadow Pass werden die aus der direkten Beleuchtung resultierenden, von der Ausrichtung der Lichtquellen abhängenden Schatteneffekte berechnet.
Depth Pass:
Im Depth Pass wird pro Bildpixel der Abstand des Objekt-Oberflächenpunktes von der Kamera ermittelt und als Grauwert im Bild gespeichert. Die Tiefeninformation kann im Compositing zur Berechnung von Tiefeneffekten, wie Tiefenunschärfe verwendet werden.
Final Composition:
Im finalen Compositing werden die einzelnen Passes mit individuelle Gewichten geblendet und gemischt, um das finale Bild zu erzeugen.

Insgesamt mußten 30.000 finale Bilder erstellt werden, jedes zusammengesetzt aus den gerenderten fünf Render-Passes. Zur Erstellung des finalen Videos waren somit 30.000 x 5 = 150.000 Renderings nötig.

Entwicklung der interaktiven Anwendung:

Für die Entwicklung der interaktiven Anwendung wurde mit Ogre 3D auf eine etablierte 3D Engine zurückgegriffen. Zur Verwendung in Ogre mußte das vorhandene 3D Modell vereinfacht und in das Ogre Datenformat überführt werden. Die Erstellung einer vereinfachten Modellversion für die interaktive Präsentation erfolgte auf Basis des für die offline Animation erstellten Modells. Zusätzlich zur Modellanpassung wurden oben beschriebene Effekte z.T. auf Basis des vereinfachten Modells erneut berechnet. Die Ergebnisse des Shadow und Ambient Occlusion Passes wurden dann als vorberechnete Ergebnisse über die Verwendung von Texturen den Objekten zugewiesen. Mit dieser Methode lassen sich mehrere Effekte im Voraus berechnen und dann auch in Echtzeit in der interaktiven Anwendung darstellen. Das Video unten auf der Seite gibt einen kleinen Einblick.

Für die intuitive Bedienung der 3D Anwendung kam auch im interaktiven Teil der Touch-Monitor zum Einsatz. Der Touch-Monitor wurde so in die 3D Engine eingebunden, dass der Benutzer durch einfaches Berühren dargestellter Objekte diese erreichen und weiter erkunden kann. Besonderes Augenmerk wurde bei der Bedienung auf eine einfache Handhabung gelegt, die gleichzeitig jedoch auch die Möglichkeit bietet, eine komplexere Navigation zu implementieren. So entstand zusätzlich mit der Integration von Richtungspfeilen die Möglichkeit, sich völlig frei, nur begrenzt durch die Geometrien, bzw. die Kollision mit diesen, in der virtuellen Dillenburg zu bewegen.

Projektergebnisse:

Das Video zeigt Teilergebnisse des gerenderten Hauptrundfluges der DVD und gibt einen Einblick in die Echtzeit-Darstellung der Geometrie am Beispiel des Herrenhauses.

Aus der erstellten DVD und den gerenderten Videos stehen verschiedene Ansichten zur Verfügung:
DVD Menü: Es stehen Untertitel in 5 Sprachen zur Auswahl Übersicht über die Schlossanlage
Links: Zeughaus, Rechts: Herrenhaus Links: Schmiede, Mitte: Stall für Nutzvieh ,Rechts: Marstall (nur Pferde)
Zeughaus Herrenhaus

Die Installation in den Räumlichkeiten des Museumsvereins:

Der Touch-Monitor dient der Steuerung der DVD und Interaktion mit dem virtuellen Rundgang.
Der DivX-Codec kann unter http://www.divx.com/divx kostenlos heruntergeladen werden.