Möglichkeiten "echter" 3D-Visualisierungen von Geo

Möglichkeiten "echter" 3D-Visualisierungen von GeoDaten
Manfred BUCHROITHNER
Zusammenfassung
Methoden der echten dreidimensionalenVisualisierung werden, untergliedert in klassische
stereoskopische und multistereoskopische Verfahren, vorgestellt. Bei den kurzen
Beschreibungen von 3D-Visualisierungsverfahren wird der Schwerpunkt auf die Herstellung
von Hartkopien gelegt.
1 3D = 3D?
3D-Spiele, 3D-Studios, 3D-Software, virtuelle Realität – Schlagworte, die in den letzten
Jahren in zunehmendem Maße ihren Platz in der Welt der elektronischen Datenverarbeitung
einnehmen. Aber ist "3D" wirklich "3D"?
Ausgehend von der eindeutigen Festlegung des Begriffs "dreidimensional" sei zunächst der
Begriff "zwei- plus eindimensional (2D + 1D)" erläutert. Von "2D + 1D" spricht man, wenn
die planimetrische Information durch eine digitale Beschreibung der Geländeoberfläche in
Form eines digitalen Geländemodells ergänzt wird. In der Regel ist das Geländemodell
allerdings ein Oberflächenmodell, welches Lagegeometrien von Häusern, Straßen,
Vegetation oder anderen dreidimensionalen Objekten auf der Oberfläche nicht
berücksichtigt. Von "zweieinhalbdimensional (2,5D)" spricht man, wenn zur Lagegeometrie
die Höhe z als Attribut mitgeführt wird. Diese räumliche Beschreibung ist somit von der
Dichte der Lagegeometrie abhängig. Sie wurde früher verschiedentlich in der Literatur als
Sachdatenabsorption bezeichnet.
Von "dreidimensional (3D)" spricht man, wenn x-,y- und z-Koordinaten in ausreichender
Dichte eine (Landschafts)Oberfläche beschreiben. Sind intern Informationen von Interesse,
so kann man auch noch zwischen 3D-Flächenmodell, 3D-Flächen- und 3D-Volumenmodellen
unterscheiden. Letzterer Begriff führt in die Welt der Voxels (Volume Pixels).
Für die Visualisierung ist nun wesentlich, ob dreidimensionale Sachverhalte der realen Welt
auf einem zweidimensionalen Medium dargestellt und als solches (nämlich als
zweidimensionale Fläche) auch visuell erfaßt werden, oder ob es für den Betrachter möglich
ist, eine echt dreidimensionale Perzeption zu erhalten. Dazu würden beispielsweise die
klassischen Gipsreliefs zählen. Aber auch die klassischen Stereo-Darstellungen wie
Anaglyphen oder Stereo(Luftbild)paare ermöglichen es dem Betrachter, durch geistige
Verschmelzung der perzeptiv erfaßten Einzelbilder ein echtes dreidimensionales Modell
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Manfred Buchroithner
abzuleiten. Dies kann heutzutage auch mittels eines Monitors geschehen. Alle üblicherweise
auf einem Bildschirm in axonometrischer oder zentralperspektiver Darstellung abgebildeten
dreidimensionalen Szenen müssten jedoch richtigerweise nicht als "dreidimensional",
sondern als "pseudodreidimensional" bezeichnet werden, während die anderen
Visualisierungen, welche die Erfassung eines plastischen Modells ermöglichen – wie oben
bereits angedeutet – als "echt dreidimensional" zu apostrophieren sind.
2 Einige Bemerkungen zu 3D-Druckverfahren
Es ist eine interessante Tatsache, daß trotz der gigantischen und unaufhaltsamen Zunahme
von digitaler Technologie in der Darstellung graphischer Daten doch in den letzten Jahren,
vor allem in der anglo-amerikanischen Welt und dem Fernen Osten eine gewisse
Gegenbewegung zu verzeichnen ist, welche den (gedruckten) Hartkopien einen
entsprechenden Stellenwert einräumt. Davon ausgehend, daß die Display-Technik auf den
üblichen CRT- und Flüssigkristall-Displays – gerade in Geoinformatik-Kreisen – sattsam
bekannt ist, soll in diesem Kontext mehr auf die Herstellung von Hartkopien eingegangen
werden. Die Anwendung der hier wiedergegebenen Verfahren für Bildschirmdarstellungen
darf als gegeben angesehen werden und ist in der Regel sogar noch einfacher als die
Generierung von Hartkopien, bei denen ja noch verschiedene technische Einflußparameter
während des Prozesses der Druckvorstufe und während des eigentlichen Druckes zu
berücksichtigen sind.
Für dreidimensionale Darstellungen gibt es verschiedene Druckverfahren. Das
grundlegende Problem ist, daß ein echt dreidimensionales Bild – in der Regel der realen Welt
–, also ein Raumbild, auf einem zweidimensionalen Medium dargestellt werden muß. Die
einfachsten "klassischen" Formen umfassen perspektive Ansichten wie Panoramen,
Vogelschaubilder und -karten, Rendering, also die digital generierte pseudodreidimensionale
Visualisierung, sowie – vornehmlich für "normale" Landkarten verwendet – das sogenannte
Shading, die Auf-, und vor allem Schräglichtschummerung des Geländes.
Diese hier aufgezählten bekannten Formen zählen nicht zum 3D-Druck, wie er im folgenden
beschrieben werden soll. Nichtsdesoweniger muß erwähnt werden, daß diese konventionell
gedruckten Hartkopien bei guter grapischer Wiedergabe und Ausnützung verschiedener
"graphischer Tricks" (d. h. Verwendung der sogenannten "psychological cues" vgl. Toutin
und Buchroithner 1999) schlechten echten 3D-Drucken überlegen sind.
Die drei grundlegenden Prinzipien der Raumbilderzeugung können untergliedert werden in
Stereoskopie, Multistereoskopie und verschiedene holographische Prinzipien.
2.1 Stereoskopische Verfahren
Bei diesen am besten bekannten Methoden werden zwei Bilder eines Objektes – in der
Geoinformatik üblicherweise einer Landschaft – von unterschiedlichen Standpunkten unter
zwingenden geometrischen Beziehungen aufgenommen. Dadurch entsprechen diese beiden
Stereo-bildpartner im weitesten Sinne den retinalen Abbildern eines Betrachters. Dadurch
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daß sich den Augen das entsprechende Bild gleichzeitig anbietet (Bildtrennung) ist es
möglich, sie geistig zu einem dreidimensionalen Modell zu verschmelzen. Der Tiefeneffekt
beruht auf dem bekannten Versatz identer (homologer) Punkte in den beiden Bildern relativ
zueinander, der Parallaxe.
Etwa 15 % aller Menschen können keine stereoskopische Tiefeninformation erfassen. Diese
beziehen ihre Rauminformation aus monokularen Anhaltspunkten ("cues", z. B. Perspektive
oder Bewegungsarallaxe).
2.2 Multistere oskopische Verfahren
Diese bieten dem Betrachter gleichzeitig nicht nur zwei, sonden mehr – häufig sogar eine
sehr große Anzahl – stereoskopische Bilder dar. Monokulare, d. h. einäugige, Betrachter
erkennen die Raumtiefe durch die Veränderung der Perspektiven. Es ist also auch ihnen bei
multistereoskopischen Darstellungen möglich, "plastisch" zu sehen. Desweiteren
ermöglichen diese Verfahren mehreren Betrachtern gleichzeitig realistische
Raumwahrnehmungen, d. h. daß zugeordnete Perspektiven für den jeweiligen Betrachter
existieren.
Bei diesen Methoden sind allerdings nur Parallaxen in einer Richtung speicherbar, und somit
auch Bewegungsparallaxen nur in einer Richtung – meist horizontal – realisierbar. Die
Parallaxen werden wegen der – in der Regel – horizontalen Anordnung des menschlichen
Sehapparates in dieser Richtung durchgeführt. In den meisten Fällen sind sie ausreichend,
um gute Raumbilder zu erzeugen.
2.3 Holographie
Unter Holographie versteht man ganz allgemein Raumbilder, die dem Betrachter mit dem
"unbewaffneten" Auge ohne "stress and strain", d. h. ermüdungsfrei, die vollständige
visuelle 3D-Information über Objekte vermitteln. Dies bedeutet im Idealfall u. a., daß die
Parallaxen in alle Richtungen wirksam werden, d. h. daß auch eine Betrachtung mit
geneigtem Kopf möglich ist. Im Optimalfall kann die Qualität einer Holographie soweit
gehen, daß die Unterscheidung zwischen Bild und Realität nur mittels Tasten möglich wird.
Es gibt eine Vielzahl von Prinzipien und Herstellungsmethoden, und mittlerweile auch
Herstellungsversuche, diese vielversprechenden Techniken und Technologien für die
Visualisierung von Geodaten zu verwenden. So wurde beispielsweise 1998 eine erste
holographische Karte im Maßstab 1:25 000 von einer alpinen Hochgebirgslandschaft
hergestellt (Buchroith-ner 1999).
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Einige 3D-(Druck-)Verfahren
Im folgenden sollen fünf ausgewählte Verfahren, die sowohl für die Bildschirmdarstellung
als auch für den Druck geeignet sind, allerdings mit Schwerpunkt auf der HartkopieHerstellung, beschrieben werden.
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Manfred Buchroithner
3.1 Anaglyphen
Das Anaglyphen-Verfahren zählt zu den Stereo-Verfahren (Parallaxen im Bild durch
homologe Punkte) und ist seit der Anfangszeit der Photogrammetrie bekannt. Die
Bildtrennung erfolgt durch Farbfilter: üblicherweise rot und grün, in der Frühzeit der
Anaglyphendarstellungen auch blau und grün. Hinsichtlich der Geometrie kann man
zwischen echten, d. h. zentralperspektiven, und unechten, d. h. axonometrischen,
Anaglyphen unterscheiden. Eine Echtfarbendarstellung ist nicht möglich, kann aber durch
geschickte Farbwahl – gleichsam in Form von Pseudofarben – "simuliert" werden. Einige
Beispiele wurden in den letzten Jahren vom Institut für Photogrammetrie und Kartographie
der Technischen Universität München publiziert.
Aufgrund des eben Erwähnten ist der graphische Gestaltungsspielraum im großen und
ganzen dem von Schwarz-Weiß-Karten gleichzusetzen. Allerdings ist ein dreidimensionales
kartographisches Gestalten komfortabel – auch mittels Stereo-Auswertesoftware – in den
beiden Bildern möglich.
Vorteile
Die Geometrie der Anaglyphenherstellung ist metrisch sehr exakt beherrschbar, ihre
Herstellung ist preiswert und schnell. Dadurch, daß ihre graphische Qualität durch die
Auflösung des Filmes bzw. die Qualität des Druckrasters bestimmt wird, können auch
feinste Details noch sehr gut dargestellt werden. Anaglyphen sind bis zu einem gewissen
Grad invariant gegenüber Kippung bzw. gegenüber dem relativen Standpunkt des
Betrachters.
Nachteile
Als Nachteil ist gerade aus der Sicht der Visualisierung von Geodaten anzuführen, daß
(siehe oben) im großen und ganzen nur monochromatisch gearbeitet werden kann. Ohne
optisches Hilfsmittel, d. h. ohne Farbfolienbrille, ist keine Erfassung des räumlichen
Eindrucks mö glich. Dadurch, daß keine Bewegungsparallaxen realisierbar sind, ist auch kein
"Dahinterschauen" hinter Vordergrundobjekte möglich.
Resümee
Anaglyphen eignen sich besonders für die Herstellung von Karten, bei denen
Texturinformationen überwiegen. So liefern sie beispielsweise bei sogenannten CIL Maps
(Combined Image Line Maps) gute Ergebnisse. Das Anaglyphenverfahren ist sehr einfach
und ermöglicht die problemlose Herstellung guter Raumbilder und –karten. Wegen des
notwendigen optischen Hilfsmittels ist die Methode allerdings nicht oder nur sehr begrenzt
für "Outdoor"-Anwendungen geeignet. Potentielle Einsatzgebiete sind vor allem
wissenschaftliche und Bildschirmkarten bzw. die Werbebranche. Ein Hauptproblem stellt
sicherlich die Verfügbarkeit der farbigen Folienbrillen dar.
3.2 Chromostereoskopie
Die Chromostereoskopie ist kein Stereoverfahren. Die Parallaxen werden hier mittels eines
optischen Hilfsmittels hergestellt. Dieses auf der optischen Grundlage der chromatischen
Aberration die Bildtrennung realisierende Verfahren hat in den letzten Jahren durch
Entwicklungen am Canada Centre for Remote Sensing (CCRS) und an der Technischen
Universität Dresden (TUD) einen gewissen Aufschwung erfahren. Echtfarbdarstellungen
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sind keine möglich, da die Farbe zur Höhenkodierung benutzt wird. Dies bedingt auch, daß
der graphische Gestaltungsspielraum sehr eng ist. Texturale Information kann nur
beschränkt eingesetzt werden. Sie wirkt häufig als "Hinter-" oder "Vordergrund". Allerdings
kann dieser Effekt in ein Plus für die kartographische Gestaltung umgesetzt werden. Ge nerell
ist jedoch anzumerken, daß das dreidimensionale kartographische Visualisieren mit
chromostereoskopischen Mitteln sehr schwierig ist.
Das Splitten des einen in den Spektralfarben höhenkodierten Bildes in zwei "virtuelle"
Stereopartner erfolgt wellenunabhängig – von Blau zu Rot mit unterschiedlich großen
Parallaxen – mittels einer Mikroprismenfolienbrille.
Vorteile
Die Chromostereoskopie ist metrisch ziemlich exakt beherrschbar, schnell und höchst
auflösend. Sie kann als quasi multistereoskopische Methode bezeichnet werden, die eine
vollwertige Parallaxengenerierung in alle Richtungen ermöglicht. Dies bedeutet, daß sie
invariant gegenüber Kippungen und Drehungen bzw. dem relativen Standpunkt des
Betrachters ist. Auch ohne Hilfsmittel betrachtet, ermöglicht die Stereoskopie eine scharfe
und farblich gute 2D-Perzeption.
Nachteile
Die den elektromagnetischen Wellenlängen, d. h. den Spektralfarben, entsprechende
Farbhöhenkodierung ("Farbe-zu-Tiefe-Relation") begrenzt den Gestaltungsbereich im
Dreidimensionalen. Dies bedeutet auch, daß die Chromostereoskopie kartographisch nur
bedingt geeignet ist. Da nur eine Perspektive dargestellt werden kann, ist kein
"Dahinterschauen" hinter Vo rdergrundobjekte (Bewegungsparallaxe) realisierbar. Ein
weiteres Manko stellt die Notwendigkeit der Verfügbarkeit von Prismenfolienbrillen dar.
Resümee
Die Chromostereoskopie ist primär gut geeignet für posterähnliche und eher abstrakte
dreidimensionale
Visualisierungen.
Ihr
kartographisches
Potential
für
Geodatenvisualisierung is tnicht so groß. Eine "Verschwärzlichung" der Darstellung durch
piktorale Texturinformation, beispielsweise durch Fernerkundungsbilder, zerstört bzw.
"deformiert" den Raumeindruck. Folge kann eine unerwünschte visuelle Trennung von
Rauminformation und Texturierung sein. Diese kann allerdings auf konträre Weise auch als
kartographisches Gestaltungsmittel ("schwebende Beschriftungen") eingesetzt werden.
Jüngste Untersuchungen am CCRS in Kanada sowie an der Technische Universität Dresden
in Deutschland dürften darauf hinauslaufen, daß das endgültige Potential der
Chromostereoskopie größer als bisher eingeschätzt und noch nicht voll ausgelotet worden
ist. Hauptproblem stellen sicherlich die Folienbrillen dar.
3.3 Lentikular-Prismenraster (Image Splitter)
Aufgrund der zwei verwendeten Stereopartner zählt dieses Verfahren zu den klassischen
Stereomethoden. Die Bildtrennung erfolgt spaltenweise durch lentikulare Prismenmasken.
Die Bezeichnung hat nichts mit den Lentikularen, den Tragrandbrillen, der medizinischen
Optik zu tun. Kleinformatige Beispiele dieses Verfahrens gab es u. a. in den 50er und 60er
Jahren des 20. Jahrhunderts als Beigabe zu Kinderkaugummipackungen ("Wackelbilder").
Dadurch, daß Echtfarbendarstellungen möglich sind, ist der Gestaltungsspielraum analog
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Manfred Buchroithner
zur Vollfarbenkartographie. Dies bedeutet, daß ein dreidimensionales kartographisches
Gestalten ohne wesentliche Einschränkungen möglich ist.
Vorteile
Das Verfahren ist metrisch allerdings (noch) nicht optimal. Die Möglichkeiten der
Echtfarbendarstellung wurden bereits oben erwähnt.
Nachteile
Die drei wesentlichen Nachteile dieser Methode sind, abgesehen von einem sehr geringen
Betrachtungswinkel, die vergleichsweise schlechte Auflösung, der häufig auftretende
"Tiefenstufen"- bzw. "Kulissen"-Effekt, der keine optimale Kontinuität der Tiefendarstellung
ermö glicht, und eine gewisse gegenseitige Beeinflussung (Cross Talk) durch chromatische
Aberration einerseits sowie durch Drehung des Bildes. Weiters ist zufolge der klassischen
Stereoskopie nur eine Perspektive möglich, was auch in diesem Fall ein "Dahinterschauen"
hinter Vo rdergrundobjekte (Bewegungsparallaxe) verhindert.
Resümee
Als das zuerst entwickelte Lentikularverfahren ist diese Methode heute für den Druck als
veraltet anzusehen, sie besitzt allerdings für digitale 3D-Displays mittels
Flüssigkristallschirmen große Bedeutung. Bei diesen kann eine automatische
Bildnachführung und –neuberechnung mittels eines sogenannten Head Tracking den Cross
Talk, der bei Druckverfahren auftritt, vermeiden. Trotz guter graphischer
Gestaltungsmöglichkeiten ist diese Methode als Darstellungsmittel für gedruckte Karten nur
bedingt geeignet. "Animationen" mit zwei Szenarien sind möglich.
3.4 Lentikular-Linsenraster
Hierbei handelt es sich um ein multistereoskopisches Verfahren. Die Bildtrennung erfolgt
spaltenweise
durch
lentikulare
Linsenmasken.
Dadurch,
daß
auch
hier
Echtfarbendarstellungen möglich sind, ist der Gestaltungsspielraum analog zur
Farbkartographie, und ein gutes dreidimensionales kartographisches Design möglich.
Vorteile
Wie beim Lentikular-Prismenraster-Verfahren ist hier die Metrik gegeben, allerdings nicht
optimal. Farbdarstellungen sind ebenso möglich wie mehrere Perspektiven. Dies bedeutet,
daß bei diesen Verfahren das bereits öfter erwähnte "Dahinterschauen", d. h. die
Realisierung einer Bewegungsparallaxe realisierbar ist. Ebenso, wie beim Lentikular-PrismenVerfahren sind die Drucke wetterfest und ihre Betrachtung stellt keine besonderen
Anforderungen an die Lichtquellen. Auch sind sie relativ invariant gegenüber
Bilddrehungen. In beschränktem Maße sind auch lentikulare Animationen möglich. Dies ist
im Bereich der Geowissenschaften u. a. für die Visualisierung von Planungsszenarien von
Bedeutung.
Nachteile
Die zur Zeit noch relativ schlechte Auflösung is t nicht verfahrensspezifisch, sondern
technologisch bedingt und erscheint verbesserungsfähig. Bei nicht sorgsamer Bearbeitung
der Daten kann es leicht zu einem "Tiefenstufen"-Effekt kommen; bei den gegenwärtigen
Darstellungen ist die Kontinuität der Tiefendarstellung (noch) nicht optimal. Auch bei
Möglichkeiten "echter" 3D-Visualisierungen von Geo-Daten
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diesem Verfahren kann es zu einer geringen gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen
Stereopartner durch chromatische Aberration kommen. Größter Nachteil ist die aufwendige
Herstellung.
Resümee
Das Verfahren der Lentikular-Linsenmasken scheint für Outdoor-Anwendungen sehr gut
geeignet zu sein. Es besitzt noch Entwicklungspotential und hat den großen Vorteil, auch
die Realisierung wichtiger monokularer Anhaltspunkte (cues) zu ermöglichen, so
beispielsweise der Bewegungsparallaxe. In nächster Zukunft wird die Herstellung
großformatiger Poster von Formaten bis zu zwei Metern zu moderaten Preisen möglich sein.
3.5 Holographie
Als einzige der bisher bekannten 3D-Visulaisierungstechniken können bei dieser Methode
alle Anhaltspunkte (cues) für die Raumwahrnehmung gespeichert und wiedergegeben
werden. Die Auflösung der Darstellungen ist höher als die des menschlichen Auges. Der
Gestaltungsspielraum ist prinzipiell derzeit (noch) analog jenem der Schwarz-WeißKartographie; allerdings gibt es bereits seit einigen Jahren erfolgreiche Versuche mittels
RGB-Holographie auch Farbdarstellungen zu ermöglichen. Ein dreidimensionales
kartographisches Gestalten ist möglich.
Vorteile
Abgesehen von marginalen randlichen Verzerrungen ist die Metrik als optimal zu betrachten.
Ebenso ist die kontinuierliche Tiefendarstellung, die große Tiefen ermöglicht, optimal. Es
lassen sich alle Perspektiven darstellen, d. h. daß über das normale "Dahinterschauen", also
die normale Bewegungsparallaxe, auch Hologramme mit Betrachtungswinkeln bis zu 360°
möglich sind. Darüberhinaus können auch kurze kartographische Animationen hergestellt
werden.
Nachteile
Derzeit ist der Betrachtungswinkel für gedruckte Hologramme noch eher klein, dafür ist er
aber als Raumwinkel definiert. Als Hauptnachteil für den praktischen Einsatz sind vermutlich
die hohen Anforderungen an die Beleuchtungsquellen, die derzeit noch primär kohärentes
Licht benötigen, anzusehen. Da gegenwärtig – trotz bereits auf rein digitaler Basis
generierter Hologramme – noch primär von analogen Daten ausgegangen wird, muß ein
physikalisches Modell, z. B. ein Gipsrelief, vorhanden sein. Insgesamt ist die Herstellung
qualitativ hochwertiger Hologramme (noch) als sehr teuer zu bezeichnen.
Resümee
Aufgrund der hohen Anforderungen an die Rekonstruktions-(=Beleuchtungs-)Lichtquellen
ist diese Methode für rein kartographische Anwendungen heute nocht nicht als echte
Alternative anzusehen. Bei Verwendung eines physikalischen Modells ist besonders dessen
Herstellung als Voraussetzung für eine Holographie vergleichsweise aufwendig. Digitale
Hologrammb erechnungen sind prinzipiell möglich, können aber nach dem heutigen Stand
der Technik noch nicht in großen Auflagen gedruckt werden. Allerdings sind heute für sehr
hohe Stückzahlen und begrenzte Formate bis A5 oder gar A4 bereits von einem
Masterhologramm preiswerte Kopien mittels der sogenannten Prägetechnik anfertigbar.
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Manfred Buchroithner
Kartographischen Qualitätsansprüchen können derartige Prägehologramme allerdings nicht
genügen.
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Abschließende Bemerkungen
Sowohl für digitale Displays als auch für Hartkopien sind derzeit Techniken in Entwicklung,
die für die echte dreidimensionale Visualisierung von Geodaten äußerst interessant sind. In
den nächsten zehn Jahren werden für beide Visualisierungsvarianten verschiedene
operationell einsetzbare Produkte auf den Markt kommen. Hierzu ist das Zusammenwirken
von Experten auf dem Gebiet der Geodatenvisualisierung mit Vertretern anderer technischer
Disziplinen unabdingbar notwendig. Die Technische Universität Dresden ist an vorderster
Front an diesem wissenschaftlich-technologischen Entwicklungen beteiligt.
5
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