Im Labor für Virtuelle Welten der Jade Hochschule
Foto: Jade Hochschule

Virtuelle Welten: Wie entstehen 3D-Anwendungen?

TLDR:

Prof. Dr. Ingrid Jaquemotte von der Jade Hochschule lehrt Methoden der 3D-Modellierung und -visualisierung für Studierende der Geoinformation und Geodäsie. Für unseren Blog hat sie einen Blick hinter die Kulissen des Labors für Virtuelle Welten gewährt, die Funktionsweisen der Virtuellen Realität erklärt und mögliche Anwendungen aufgezeigt.

Lesedauer: 5 min Kategorie: Virtual Reality Datum: 18. September 2019

Das Labor für Virtuelle Welten der Jade Hochschule befindet sich im Dachgeschoss des Hauptgebäudes auf dem Campus Oldenburg an der Ofener Straße. Es ist ausgestattet mit Computerarbeitsplätzen und jeder Menge Software, die für die Erstellung Virtueller Welten gebraucht wird. Hier lehrt Prof. Dr. Ingrid Jaquemotte Methoden der 3D-Modellierung für Studierende der Geoinformatik und Geodäsie.

Herzstück des Labors für Virtuelle Welten der Jade Hochschule ist eine Projektionswand, auf der die Qualität von 3D-Modellen sichtbar wird. Im Bild: Tobias Theuerkauff, M. Sc., zu dieser Zeit Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor für Virtuelle Welten, zeigt ein virtuelles Modell des Campus, das in verschiedenen Projekten entstanden ist.
Foto: Jade Hochschule

Was sind virtuelle Welten?

Der Begriff virtuell bedeutet so viel wie „nicht echt, aber echt erscheinend“. Virtuelle Welten sind am Computer erzeugte, scheinbar echte dreidimensionale Darstellungen realer, fiktiver oder auch rekonstruierter historischer Welten. Durch die Videospiele-Industrie hat sich die Verwendung eines virtuellen Alter egos – eines so genannten Avatars – etabliert. Über ihn können Nutzer_innen sich in der Virtuellen Welt bewegen, sie gestalten und mit ihr interagieren. Die Virtuelle Welt bleibt auch nach deren Verlassen bestehen, ihr Status entspricht für alle Anwendenden jeweils der letzten Änderung, die darin vorgenommen wurde.

Stereoskopie

Der Begriff „Stereoskopie“ umfasst alle Verfahren, die der Aufnahme und Wiedergabe raumgetreuer Bilder dienen. Wir Menschen können ohne äußere Hilfsmittel räumlich sehen, weil wir mit unseren zwei Augen alle Bilder aus zwei Perspektiven erfassen. Die beiden Bilder setzen sich in unserem Gehirn zu einem dreidimensional wahrgenommenen Bild zusammen. Bei der 3D-Visualisierung wird dieser Stereo-Effekt genutzt: Dem linken und dem rechten Auge werden zwei zweidimensionale Abbildungen angeboten, die sich in der Perspektive leicht unterscheiden. Das folgende Foto zeigt ein Handy, das als Bildquelle in eine 3D-Brille eingesetzt wird. Wird das Handy in die 3D-Brille gelegt und darin betrachtet, erzeugt das Gehirn aus den beiden leicht versetzten Bildern die dreidimensional wahrgenommene Tiefe.

Aus zwei Abbildungen…
Foto: Yukie Yasui
…erzeugt das Gehirn eine dreidimensional wahrgenommene Tiefe.
Foto: Yukie Yasui

3D-Brillen oder -Helme zur Erkundung von Virtuellen Welten haben einen Vorteil: Die Nutzer_innen können von der realen Welt abgeschirmt in die virtuelle „eintauchen“. Dieses Eintauchen wird auch „Immersion“ genannt.

Die Benutzung der Brillen kann aber zu Unwohlsein führen. Der Grund ist die enorme Anpassungsleistung des Gehirns, das unter hoher Anstrengung permanent zwei Bilder zu einem zusammensetzen muss, während die Bilddaten nicht exakt den Bedingungen des natürlichen Sehens entsprechen.

Helge Olberding, M. Sc. , Projektmitarbeiter und Masterabsolvent „Geodäsie und Geoinformatik“ zeigt den Campus als Virtuelle Welt. Das Ergebnis seiner Masterarbeit ist in der Anwendung integriert.
Foto: Jade Hochschule

Methoden der 3D-Modellierung

Punktwolken sind eine Möglichkeit, Daten aus der realen in eine Virtuelle Welt zu übertragen. Das Video zeigt eine virtuelle Darstellung des Oldenburger Schlossgartens, die Master-Student Thomas Willemsen vor einigen Jahren für seine Abschlussarbeit angefertigt hat. Die Punktwolken hat Willemsen zunächst mittels terrestrischem Laserscanning erstellt: Der Scanner erfasst die Entfernung zu jedem Punkt in seiner Umgebung und setzt diese Informationen zu einer Punktwolke zusammen. Diese hat Willemsen nachträglich mithilfe von Fotos manuell eingefärbt. Inzwischen erfolgt die Einfärbung der Punktwolken standardmäßig simultan zu ihrer Aufnahme, mithilfe einer auf dem Laserscanner angebrachten Kamera.

Dieser virtuelle Rundgang durch den Oldenburger Schlossgarten wurde mithilfe so genannter Punktwolken erstellt.

Panoramen ermöglichen ebenfalls virtuelle Welten. Sie zeigen einen Rundumblick von einem Standpunkt aus und lassen sich mit einer Panoramakamera aufnehmen oder aus mehreren Einzelbilderm zusammensetzen. Um den Nutzer_innen das Navigieren zu ermöglichen, werden als Übergang zwischen den Standpunkten so genannte „Hotspots“ definiert. Diese werden mit der VR-(Virtual Reality-)Brille angesteuert: Die Fokussierung der Augen unter Verwendung der Brille löst den Wechsel der Darstellung ins nächste Panorama aus. So entsteht der Eindruck, sich  grenzenlos „umsehen“ zu können.

Augmented Reality

Wird die Realität beim Blick durch die Kamera um virtuelle Zusatzinformationen erweitert, spricht man von einer so genannten „Augmented Reality“ (erweiterte Realität). Zum Beispiel lassen sich Zusatzinformationen zu einem Gebäude einblenden oder Straßenlampen in einem Modell platzieren, um Beleuchtung zu simulieren. Diese Möglichkeiten machen 3D-Modelle so interessant für die praktische Anwendung. Denn so werden Interaktionen mit dem Modell und Simulationen von veränderten situativen Bedingungen möglich.

Praktische Nutzung virtueller Welten

Gängige Anwendungen virtueller Welten außerhalb der Videospiele sind zum Beispiel Flugsimulatoren für das Training angehender Piloten. Die Jade Hochschule beispielsweise betreibt auf dem Campus Elsfleth einen Schiffssimulator, der für das Training künftiger Kapitäne im Einsatz ist. In der Chirurgie werden virtuelle Anwendungen genutzt, um schwierige Operationen im Vorfeld am Computer zu erproben.

Im so genannten Building Information Modeling, kurz BIM genannt, werden Punktwolken beispielsweise für die Umbauplanung von Gebäuden verwendet. Ganze Gebäude lassen sich ebenso wie einzelne Fenster, Wände und andere Details virtuell abbilden und verändern. Charakteristisch für BIM ist die Erstellung von Modellen, die für den gesamten Lebenszyklus von Gebäuden nutzbar sind. Die genutzten Informationen reichen von der Lage und Größe von Wänden, Türen und Fenstern bis hin zu exakten Daten über die Energieversorgung.

Ansicht eines 3D-Modells einer nach-eiszeitlichen Landschaft in Norddeutschland.
Foto: Jade Hochschule

Auch können Virtuellen Welt fiktive oder historische Informationen vermitteln. Studierende der Jade Hochschule haben zum Beispiel mithilfe historischer Geoinformationen ein virtuelles 3D-Modell geschaffen, das eine nacheiszeitliche Heidelandschaft abbildet. Eine Ansicht davon diente dem Lüneburger Museum als Grundlage für eine mehrere Meter hohe Installation.

Zur Person

Prof. Dr. Ingrid Jaquemotte lehrt Grafische Datenverarbeitung an der Jade Hochschule, vermittelt unter anderem Kenntnisse der 3D-Modellierung und betreut Projektarbeiten von Studierenden der Geodäsie und Geoinformation.

Portaitfoto: Fotostudio Scheiwe

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