Fakultät Informatik

Digital model of the FMI building with detail data

Autor:  Michael König
Betreuer:  Peter Kipfer


Aufgabe und Zielsetzung

Zielsetzung dieses Systementwicklungsprojekts war die Erstellung eines digitalen Modells des FMI Gebäudes im Campus Garching, in dem die Fakultäten für Mathematik und Informatik untergebracht sind. Dabei sollte der Realitätsgrad möglichst hoch sein. Die später berechneten Bilder sollten möglichst nicht von realen Fotos unterschieden werden können.
Mit einem solchen Modell kann man später viele weitere Anwendungen ermöglichen. Das beginnt mit einfachen Standbildern, die dem Interessierten einen Eindruck von der Wirkung des Gebäudes geben können. Weitere Einsatzzwecke wären zum Beispiel ein interaktives Raum-Finde-System, in dem der Besucher mit Hilfe eines digital erstellten Films virtuell zu den verschiedenen Räumen geführt wird oder auch eine Lichtsimulation von verschiedenen Lichtsituationen, die sich zum Planen von neuen Beleuchtungseinrichtungen verwenden läßt.


Verwendete Software

Um das gewünschte Ergebnis zu erreichen, wurde mit verschiedensten Software-Paketen gearbeitet. Hauptsächlich verwendete Software war Maya 4.0 von Alias|Wavefront, eine sehr leistungsfähige, komplexe 3D-Software aus dem Profi-Bereich, die unter anderem auch für Kinofilme wie "Shrek" (Dreamworks, 2001) oder "Findet Nemo" (Disney/Pixar, 2003) verwendet wird. Der Computergrafik-Lehrstuhl besitzt vier Render-Lizenzen für Maya. Damit lassen sich vier Rechner gleichzeitig zum Rendern, also dem Berechnen der Bilder, verwenden.
Zur Bearbeitung der Panorama-Fotos wurde mit den PanoTools und ein grafisches Frontend dazu, PTGui. Beides ist auf www.ptgui.com herunterladbar. Die PanoTools sind freie Software, PTGui wird als Shareware vertrieben, kann jedoch 30 Tage lang ohne Einschränkungen verwendet werden.
Vorlagen und Pläne

Die Erstellung eines solchen digitalen Modells ohne irgendwelche Vorlagen ist nahezu unmöglich. Glücklicherweise war das in meinem Fall auch nicht nötig. Im Jahr 2002 hat Jörg Flügge eine Diplomarbeit mit dem Titel "Evaluierung geeigneter Datenstrukturen zur Visualisierung und immersiven Stereoprojektion von CAD-Modellen aus dem Architekturbereich" verfasst, die zum Ziel hatte, ein digitales Modell des FMI-Gebäudes zu erstellen. Allerdings nicht mit der Vorgabe des absoluten Realismus, sondern für Echtzeit-Anwendungen. Für solche Anwendungen muss jedoch die Polygonanzahl des Modells möglichst gering gehalten werden, damit die Berechnung in Echtzeit durchgeführt werden kann. Außerdem sind die Texturen dort sehr einfach gehalten und viele Objekte einfach nicht vorhanden. Vorlage für das Modell von Jörg Flügge waren die originalen CAD-Daten vom Architekten, die mir jedoch leider nicht zur Verfügung gestellt wurden.

Ausgangsmodell

Um der Realität möglichst nahe zu kommen, wurden auch Fotos von den verschiedenen Gebäudeteilen angefertig, anhand derer ich sowohl die Modelle und Texturen ziemlich genau erstellen konnte, als auch die berechneten Bilder auf deren Realitätsnähe überprüfen konnte.
Weitere Hinweise auf die Original-Maße habe ich von den unter wwwrbg.in.tum.de/Garching/ verfügbaren Stockwerksplänen erhalten. Dort sind die Maße und Positionen der festinstallierten Objekte (Lampen, Säulen, Schränke) eingezeichnet.
Mit Hilfe dieser Quellen war es mir möglich, ein realistisches Modell des FMI-Gebäudes zu erstellen, allerdings nicht ohne zahlreiche Probleme, auf die ich im nächsten Absatz eingehen werde.


Fehler in den Vorlagen

Die Fotos sind selbstverständlich genau der Realität entsprechend.
Auch in den Stockwerks-Plänen habe ich keine offensichtlichen Fehler gefunden, was wohl auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass diese von den originalen Architektur-Daten stammen.
Im 3D-Modell der Diplomarbeit sind allerdings einige Mängel enthalten, die nicht mit dem Realitäts-Anspruch dieses Systementwicklungsprojektes vereinbar waren.


Fehlende Elemente

  • Kellergeschoß: Das komplette Kellergeschoß fehlt in der bearbeiteten Version des Modells. Allerdings ist eigene Datei für das Kellergeschoß vorhanden, die jedoch in den Maßen und der Polygon-Dichte nicht zum Rest des Modells passt.
  • Nordeingang: Der nördliche Eingang ins Gebäude fehlt komplett.
  • Inneneinrichtung: Auf Inneneinrichtung wurde wohl verzichtet, um Polygone zu sparen.
  • Wachhäuschen: Auch das Häuschen des Wachdienstes fehlt völlig.
  • Treppengeländer: Treppen sind zwar im Modell vorhanden, jedoch leider ohne jegliche Treppengeländer.
  • Shop: Der Shop ist nicht vorhanden.
  • Rutsche: Dieses elemtentare Objekt ist nicht vorhanden, obwohl es enormen Wiedererkennungswert besitzt.
  • Beschilderung: Es existiert keinelei Beschilderung im gesamten Gebäude.
  • Türen: Auf Türen wurde ebenfalls wahrscheinlich aus Größen-Gründen verzichtet.
  • Lampen: Da keine realistische Beleuchtung benötigt wurde für die Echtzeit-Anwendung sind auch keine Lampen vorhanden.
  • Halterung der Dachkonstruktion: Die Dachkonstruktion ist zwar vorhanden, jedoch keinerlei Halterungen.
  • Außenanlage (z.B. Biergarten): Alle außerhalb des Gebäudes befindlichen Objekte sind nicht vorhanden.
  • Fenster: Fenster existieren nur als Löcher in den Außenwänden.

    Fehlerhafte Elemente
  • Hörsäle: falsche Maße, Ober- und Unterteil passen nicht zusammen
  • Dachkonstruktion: Falsche Abmessungen, nur als Textur vorhanden, keine Geometrie


Vorgehensweisen


Einrichtung und Gebäude-Geometrie

Um die Einrichtung sowie die Gebäude-Geometrie realitätsgetreu abbilden zu können, wurden zunächst Fotos angefertigt sowie dort, wo es möglich war, die Dimensionen der Gegenstände gemessen. Die digitalen Modelle wurden dann aufgrund dieser Erkenntnisse modelliert. Um den Realitäts-Eindruck noch zu verstärken, braucht man natürlich auch korrekte Texturen auf den Modellen. Diese wurden in einem separaten Arbeitsschritt erstellt und angepasst.

Fototexturen

Damit die Texturen ebenfalls realistisch aussehen, wurden hauptsächlich Fotos verwendet. Die mit einer Digitalkamera geschossenen Fotos mussten zunächst in ihrer Farbgebung korrigiert werden, da der Weißabgleich der Kamera nicht zu hundert Prozent exakt arbeitet. Danach wurde die Textur gerade ausgerichtet und ein geeigneter Ausschnitt gewählt, da dass später eine Kachelung möglich war. Bei vielen Objekten waren noch Bump- bzw. Transparenz-Texturen nötig. Diese wurden anhand der vorhandenen Fototextur erstellt.

Rendering des Films

Zur Demonstration des fertigen Modells war ursprünglich ein Kameraflug durch das komplette Gebäude geplant, damit man sich ein Bild von den Zusammenhängen machen kann. Türen sollten sich beim Durchflug automatisch öffnen und die Kamera sollt alle wichtigen Gebäudeteile (Eingang, Hörsaal 1, Rechnerhalle, Magistrale, Lehrstuhl) passieren. Nach dem ersten Testrendering in geringer Auflösung, einer kleinen Framerate und ohne Spiegelungs- und Transparenz-Effekte wurde jedoch klar, dass dieses Vorhaben die Rechner-Kapazitäten am Lehrstuhl sprengen würde. So war die voraussichtliche Rechenzeit für diesen Flug ca. 600 Tage. Bei vier parallel eingesetzten Rechnern ergibt sich eine Rechenzeit von 150 Tagen, vorausgesetzt, es treten keine Probleme auf.
Aufgrund dieser langen Rechenzeit wurden dann nur noch die essentiellen Teile des Flugs berechnet, nämlich die Flüge durch den Hörsaal, die Magistrale und den Lehrstuhl. Der Flug durch die Rechnerhalle scheiterte leider an der Speicher-Ausstattung der Rechner. So waren auch 2GB an physikalischem Speicher anscheinend nicht genug, die Geometrie-Daten in der Rechnerhalle verarbeiten zu können.
Diese stark gekürzten Flüge wurden dann auf vier Rechnern innerhalb von drei Monaten berechnet.


Ergebnis und Fazit

Ergebnis dieses SEPs ist ein ansprechendes, sehr realistisches Modell des FMI-Gebäudes, durch das ein Kameraflug erstellt wurde. Mit diesem Modell sind alle in der Einleitung genannten Verwendungszwecke möglich, wenn auch mit einigen Einschränkungen. So verbietet es sich momentan noch, das Modell in dieser Detail-Stufe für interaktive Echtzeit-Anwendungen zu verwenden, dafür reicht die Hardware einfach noch nicht aus.
Angesichts des Aufwands, der hinter jedem noch so kleinen Element in diesem Modell steckt, musste ich meine Meinung zu solchen Projekten im Verlauf dieses SEPs ändern. Dachte ich am Anfang noch, dass man hier ein paar Modelle bastelt, sie zusammenstellt und dann rendert, so habe ich mittlerweile großen Respekt vor Projekten wie den in der Einleitung erwähnten "Shrek" oder auch "Findet Nemo", hinter denen eine große Menge Arbeit mit hoch-professioneller Software steckt, in die man sich nicht "mal so eben" einarbeiten kann.
Bilder und Filme

Abschließend hier noch ein paar Bilder und Filme, die während dieses Projekts entstanden sind:

Bilder

+
Blick in die Halle
+
Blick in den Hörsaal 1
+
Aussenansicht Logo
+
Büro im Lehrstuhl
+
Blick in die Halle
+
Telefon
+
Sehr frühe Version der Halle
+
Automaten im Keller
+
Blick in die Rechnerhalle (ohne Schatten)
 

News

Matthias Niessner, our new Professor from Stanford University, offers a number of interesting topics for  master theses.

 

PhD positions on   Computational Fabrication and 3D Printing and  Photorealistic Rendering for Deep Learning and Online Reconstruction are available at the Computer Graphics & Visualization group.