Kurz gefasst: 3D in 3 Minuten

Sicher erinnern Sie sich an die blauen Wesen des Blockbusters “Avatar”, der im Jahr 2009 in den Kinos lief. Mit 3D-Effekt konnten Sie die mystische Flora und Fauna des Planenten Pandora bestaunen. Mit dem Film startete der Trend des 3D-Kinos. Jeder große Film, der etwas auf sich hielt, musste auch in 3D zu sehen sein. Nachdem nun mittlerweile beinahe jeder mehrere 3D-Brillen in einer Schublade verstaut, vielleicht sogar 3D auf dem eigenen Fernsehgerät ausprobiert und zahlreiche Filme mit 3D-Effekt geschaut hat, scheint der Trend für die Kinematographie langsam vorüber zu gehen. Für Virtual und Augmented Reality-Anwendungen ist die 3D-Optik jedoch unverzichtbar.

Durch den 3D-Effekt wird das natürliche Sehen imitiert, was die künstliche Umgebung oder die virtuellen Elemente erlebbar macht und großen Einfluss auf die Immersion der virtuellen Bestandteile hat.

Was ist 3D?

Die Abkürzung “3D” ist international anerkannt und steht für die drei Dimensionen Länge, Breite und Tiefe. Möglich wird das dreidimensionale sogenannte stereoskopische Sehen (räumliches Sehen) durch den Abstand zwischen den beiden Augen. Jedes Auge betrachtet die Szenerie aus einem anderen Ausgangspunkt, wodurch zwei verschiedene Perspektiven entstehen. Aus der Differenz der zwei Bilder errechnet unser Hirn eine Tiefenwirkung, sodass wir unsere natürliche Umgebung dreidimensional wahrnehmen. Ein ähnliches Prinzip gilt für den Ohrenabstand und die akustische Raumwahrnehmung.

Um einen 3D-Effekt bei Bewegtbildern zu erzeugen, müssen also zwei leicht differenzierte Aufnahmen gefilmt werden. Das gelingt durch die Verwendung einer Kamera mit zwei Linsen. Im nächsten Schritt muss das linke Kamerabild dem linken Auge und das rechte Kamerabild dem rechten zugeführt werden. Das Grundprinzip gilt für jedes technische 3D-Verfahren — auch bei Virtual und Augmented Reality- Anwendungen.

VR-Brillen beziehungsweise -Headsets haben für jedes Auge ein Display, das Ihnen ein eigenes, leicht versetztes Bild präsentiert. Außerdem wird eine weitere Linse verwendet, die das Bild so bricht, dass es auf der Netzhaut scharf abgebildet wird. So entsteht ein weites Sichtfeld mit räumlicher Wahrnehmung. In der virtuellen Realität wird aus der 3D-Sicht ein 3D-Erlebnis. Dieses ist überzeugend, wenn auch die anderen Faktoren, die zur physikalischen Immersion beitragen, stimmig sind. Kann sich der Nutzer im Raum bewegen und umsehen? Ist eine 180° oder 360° Sicht möglich und vollständig dreidimensional umgesetzt?

Bei Augmented Reality-Anwendungen werden durch die Hardware 3D-Modelle in die reale Welt projiziert, die sich an die Größenverhältnisse der Umgebung anpassen und sich so schlüssig einfügen.

Wie entstehen 3D-Modelle?

3D-Modelle können mithilfe von 3D-Software wie Computer Aided Design (CAD) oder mithilfe von VR Scans erstellt werden. Durch Programme wie CAD können geometrische Modell virtuell erstellt werden. Es ist möglich Längen-, Breiten- und Tiefenwerte zu berechnen, diese zu modifizieren und Simulationen durchzuführen. Die Software wird zur Konstruktion von Fahrzeugen, Gebäuden, Maschinen, in der Zahntechnik und vielen weiteren Bereichen genutzt.

CAD-Modelle können recht einfach in virtuelle Welten übertragen werden, da bereits alle konstruktiven Werte definiert sind.

Mit VR Scans können CAD-Konstruktionen mit Texturen angereichert und sogar vollständige reale Objekte als 3D-Modelle festgehalten werden. Um große Objekte zu scannen, werden meist Drohnen eingesetzt, für kleinere Spezial-Kameras oder mobile Handscanner. Das Objekt wird aus verschiedenen Positionen gescannt und geometrische Informationen so festgehalten. Die visuellen Inhalte werden durch das High Poly Mesh-Verfahren eingefangen.

Durch Messmethoden wie Laserscanning und Photogrammetrie nehmen die Drohnen die Textur der Objekte auf. Diese werden in Form von Punktwolken aufgezeichnet und in einem Drahtgittermodell (High Poly Mesh) zusammengefasst. Dieses Gitter setzt sich aus einer Vielzahl aus Dreiecken zusammen. Durch 3D-Modeling-Verfahren werden die VR Scans digital nutzbar gemacht.

Die Umwandlung erfolgt in vier Schritten:

1. Bereinigung: Ausbesserung der Geometrie- und Vermaschungsfehler
2. Dezimierung: Datenreduktion durch Vereinfachung und Reduzierung der Dreiecke
3. Reprojektion: Umwandlung der Dreiecke in Vierecke, was die Ausrichtung an vorhandenen Krümmungen, Formen und Kanten des Objekts ermöglicht
4. Texture Mapping: Erhalten der feinen Details, Oberflächenstrukturen und Farbinformationen mit möglichst niedriger Datengröße

Anwendung von 3D-Modellen

In der Architektur und im Ingenieurwesen sind 3D-Modelle schon weit verbreitet. Auch im Produkt- und Spieldesign sind 3D-Modelle nicht mehr wegzudenken. Neben der Planung über CAD-Software, können Modelle durch VR Scan und entsprechende VR-Anwendungen erlebbar gemacht werden. So können die Ingenieure und Architekten schon innerhalb der Arbeitsprozesse ein höchst realistisches Bild ihrer Konstruktionen bekommen. Außerdem sind 3D-Modelle Voraussetzung für den 3D-Druck, der zunehmend in verschiedensten Industriezweigen an Bedeutung gewinnt.

Auf der Plattform Sketchfab, in die unter anderem der ehemalige Oculus CEO Brendan Iribe investiert hat, können 3D-Modelle geteilt und kommentiert werden — auch ohne die Installation einer speziellen 3D-Software. Die Plattform kann mit VR- und AR-Hardware kombiniert werden. Bereits 3.000.000 Nutzer nutzen den “Team Viewer für 3D-Modelle”. Durch die Plattform wird die Kollaboration an 3D-Modellen stark vereinfacht, sodass auch Mitarbeiter ohne technische Vorkenntnisse in den Prozess eingebunden werden können.

Ein Forscherteam der University of Southern California und die Facebook-Abteilungen Reality Labs und AI Research haben eine künstliche Intelligenz entwickelt, die aus 2D-Bildern 3D-Figuren erstellen kann. Das neuronale Netz wurde mit dem Deep Fashion Datensatz trainiert, eine Sammlung von männlichen und weiblichen Fotomodels in verschiedensten Posen und Kleidungsstücken. Zu jedem 2D-Pixel wird ein Tiefenwert berechnet. Das System schätzt dann, ob sich der Tiefenwert im Bildquerschnitt befindet. Neben Bildern können auch Videos als Input genutzt werden.

Ausblick

Immer mehr Firmen erkennen den Wert von 3D-Druck , Virtual und Augmented Reality. Damit steigt der Anreiz, 3D-Modelle möglichst einfach, schnell und unabhängig von Dienstleistern erstellen zu können. 3D-Software, VR Scans, 3D-Modeling und die Umwandlung aus 2D-Daten werden in den nächsten Jahren eine enorme Entwicklung verzeichnen. Die Übertragung realer Elemente in den virtuellen Raum wird sich mit diesen Systemen stark vereinfachen. Es zeigt sich auch außerhalb des beruflichen Umfelds ein Do-It-Yourself- Trend. Nutzer von Oculus Home können beispielsweise eigene Elemente in die virtuellen Welten einbringen. Der User Generated Content von 3D-Modelle nimmt täglich zu.

Was müssen Sie über 3D-Modelle wissen?

• 3D-Modelle enthalten Dimensionen Länge, Breite und Tiefe
• 3D-Effekt beim natürlichen Sehen auf Augenabstand zurückzuführen
• Um Effekt bei Bewegtbildern oder VR-Anwendungen zu erzielen, jeweiligen Auge ein leicht differenziertes Bild zuführen
• Erstellung von 3D-Modellen durch 3D-Software wie CAD oder VR Scan
• Technologie zur Erstellung von 3D-Modellen und zur Kollaboration wird immer einfacher

Autorin: Sarah Kolberg

Sarah Kolberg ist Redakteurin bei fintechcube und hat sich in ihrer bisherigen Laufbahn vor allem mit der digitalen Transformation im Public Sector beschäftigt.