Vorgehensweise

Das Besondere an unserem Projekt ist die Interdisziplinarität. Die Archäologen und Bauforscher liefern die Inhalte, die Designer gestalten die Information, erstellen wissenschaftlich korrekte und anschauliche 3D-Modelle, und die Informatiker ermöglichten durch die technische Umsetzung die Echtzeitvisualisierung des Modells.

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Interdisziplinarität

Das Besondere an unserem Projekt ist die Interdisziplinarität. Die Archäologen und Bauforscher liefern die Inhalte, die Designer gestalten die Information, erstellen wissenschaftlich korrekte und anschauliche 3D-Modelle, und die Informatiker ermöglichten durch die technische Umsetzung die Echtzeitvisualisierung des Modells.

Geländemodell

Zunächst wurde das Geländemodell, sozusagen der Bauplatz für das antike Stadtmodell rekonstruiert. Zur großen Überraschung zeigte sich in dem Topografiemodell der Gegenwart, dass man noch heute das antike Stadtgebiet, also das überschwemmungssichere Plateau auf dem die Römer die Stadt gründeten, deutlich erkennen kann. Aus dem heutigen Modell wurden alle bekannten topografischen Veränderungen der Zeitgeschichte beseitigt. Weiterhin wurde die Topografie an die vorhandenen Befunde angepasst, wo es keine Daten gab wurde interpoliert.

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Archäologie und Bauforschung

Die Stadt wird in ihrem monumentalen Erscheinungsbild nicht zuletzt durch die jüngsten Grabungen am Heumarkt und an der Trasse der Untergrundbahn zunehmend besser bekannt. Von den Bauforschern und Archäologen wurden alle vorhandenen Rekonstruktionen zusammengetragen und unter Berücksichtigung aktueller Befunde und Forschungsergebnisse neu erstellt. Die so gewonnenen Ergebnisse wurden in 2D-CAD-Zeichnungen umgesetzt und waren die Grundlage der 3D-Rekonstruktionen.

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Modellerstellung

Die Konstruktion im 3D-Raum erfolgte hauptsächlich durch polygonale Modellierung. Diese Methode gibt uns die höchste Kontrolle über die Geometrie und eröffnet gute Optimierungsmöglichkeiten für die Echtzeitvisualisierung des Modells. Einzelne Teile wurden aber auch aus Effizienzgründen mit anderen Modellierungsmethoden erzeugt und anschließend konvertiert. Die Rekonstruktion der römischen Architektur bringt besondere Anforderungen mit sich. Die Gebäude enthalten in ihrer ornamentalen Erscheinungsform zahlreiche Details, diese sind fast für die Hälfte der Komplexität verantwortlich. Durch den konsequenten Einsatz von Polygon sparenden Verfahren und eine vorausschauende Arbeitsweise wurde trotzdem ein detailreiches Stadtmodell erstellt.

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Texturierung

Auch die Texturierung der Modelle erfolgte in enger Abstimmung mit Bauforschern und Archäologen. Spätestens jetzt musste über den Look der virtuellen Gebäude entschieden werden. Das virtuelle Modell des Stadtmodells ist ein dreidimensionales Informationssytem, hier kam es darauf an eine Erscheinungsform zu wählen, die einen einfachen und schnellen Zugriff auf diese Informationen erlaubt. In Absprache mit den beteiligten Archäologen haben wir eine Palette erstellt, die gerade so viele Farben enthält, wie wir benötigen um die im Modell dargestellten Materialien wie Kalkstein, geschlemmten Stein oder Holz zu unterscheiden und die Bemalungen der Gebäude wiederzugeben. Dabei ist es wichtig zu erwähnen, dass es nicht »die richtige Farbe« gibt. Vielmehr gilt es einen sinnvollen Farbeindruck zu erzielen. Farben hängen immer voneinander und von der Lichtsituation ab, in der sie gezeigt werden. Die gesehenen Farben werden also auch von dem Licht beeinflusst, dass das virtuelle Modell ausleuchtet. Zu Beginn der Texturierungsarbeiten haben wir die Farbpalette daher einige Male an die sich ebenfalls entwickelnde Lichtsituation anpassen müssen. Das Ergebnis ist ein abgestimmter Licht-Farb-Komplex.

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Beleuchtung

Bei der Betrachtung spielt die Beleuchtung der Gebäude-Modelle zwar eine zweitrangige, aber dennoch wichtige Rolle. Der Lichteinfall und der Schattenwurf liefern dem Betrachter wichtige Informationen über die räumlichen Verhältnisse. Das einfallende Licht modelliert die Formen der Gebäude und der kleinen Details. In welcher Weise ein Objekt Schatten auf ein benachbartes Objekt wirft, gibt Aufschluss darüber, wie die beiden Objekte zueinander positioniert sind.

Um das 3D-Modell für den Betrachter optimal zugänglich zu machen, haben wir uns dazu entschieden, eine möglichst natürlich wirkende Beleuchtung einzusetzen. Wir benutzen ein globales Beleuchtungsverfahren, es simuliert besonders schön Tageslichtsituationen, indem es Lichtreflexionen aufwendig berechnet. So entsteht eine glaubwürdige Abbildung, welche die Größe der Gebäude gut verdeutlicht. Die Lichtstimmungen speichern wir in Oberflächentexturen. Dieses Verfahren ist ein Vorprozess, der leider noch sehr arbeits- und rechenaufwendig ist. Es bietet aber eine sehr gute visuelle Qualität, die mit normalen Echtzeitanzeigeverfahren für solch komplexe Modelle nicht erreichbar wäre.

Kapitols Tempel

Export der Daten

Der Export der Daten an die Echtzeitanwendung erfolgt mit Collada. Es handelt sich um einen auf XML basierenden offenen Standard der von einer Vielzahl von internationalen Hardware- und Softwareherstellern unterstützt wird. Das Format enthält alle wichtigen Funktionen, die für den Austausch benötigt werden, sichert den Zugriff auch die erstellen 3D Modelle auch für zukunftige Anwendungen und wird außerdem von vielen wichtigen 3D-Anwendungen unterstützt.

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Echtzeitanwendung

Für die Echtzeitvisualisierung werden die einzeln rekonstruieren Gebäude und das Gelände erstmalig zu einem Gesamtstadtmodell zusammengesetzt. Die dabei zu prozessierenden Datenmengen belaufen sich momentan auf mehr als 15 Millionen Polygone und 3 GB an Bilddaten. Dies und die Möglichkeit der uneingeschränkten Navigation der Nutzer, stellen besondere technische Herausforderungen an die Echtzeitvisualisierung. Aus diesem Grund werden die Daten in einem Vorverarbeitungsschritt aufbereitet, komprimiert und in für die Grafik-Hardware optimierte Datenstrukturen konvertiert. Nur mit Hilfe dieser Techniken lässt sich das Potential heutiger Computer nutzen um das Römische Köln wieder interaktiv erlebbar zu machen.

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