Virtuelle Produktrepräsentationen der MS Dresden. Nutzung von CAD-Modellen in multimedialen Anwendungen

Die Konstruktion mit CAD gehört heute im Schiffbau zu den Standardtechniken. Der Begriff "Virtueller Produktlebenszyklus" findet Anwendung, wenn das digitale (virtuelle) Modell nicht nur innerhalb der Konstruktion genutzt, sondern konsequent von der Planung bis zur Ausmusterung eingesetzt wird [SPUR97]. Möglichkeiten, multimediale Präsentation des virtuellen Produktmodells zu nutzen, ergeben sich in der Frühphase für das Marketing, in der Wartungsunterstützung oder für Trainingsmaßnahmen. Die tatsächliche Nutzung von multimedialen Präsentationen wird wesentlich durch den Aufwand bestimmt, der für die Erstellung der Modelle notwendig ist. Ausgangspunkt ist in den meisten Fällen das in der Konstruktion erstellte CAD-Modell. Dieser Beitrag soll Möglichkeiten zur Nachnutzung der CAD-Modelle im Rahmen von multimedialen Anwendungen aufzeigen, gleichzeitig aber auch die derzeitigen Einschränkungen im Prozess und in den Werkzeugen beschreiben. Als Untersuchungsobjekt wurden Teile insbesondere der Maschinenanlage des Traditionsschiffes (bzw. die MS Dresden) ausgewählt. Wichtige Gründe waren die freie Verfügbarkeit der Daten und die Möglichkeiten, den Prozess in allen Details steuern zu können. Da für das Traditionsschiff nur wenige digitale Pläne in 2D existieren, wurde von Grund auf ein 3D-Modell erstellt. Es konnten zum Großteil Originalpläne der Indienststellung und der zahlreichen Umbauten genutzt werden, die durch aktuelle Fotos ergänzt wurden. Nach einem Auswahlprozess wurde CATIA V5 [CATIA] als Konstruktionswerkzeug gesetzt. Zum Erstellen der Hülle des Schiffes wurde ein Freiformflächenwerkzeug anstelle des CAD-Systems genutzt. Eine Begriffserklärung, die Auswahlkriterien und Entscheidungen für den Modellierungsansatz und das CAD-System werden im Beitrag beschrieben. Anwendungen innerhalb des Produktlebenszyklus nutzen unterschiedliche Sichten auf das digitale Produktmodell. Jede Sicht verwendet aus dem gesamten Produktmodell nur den für die Aufgabe notwendigen bzw. verarbeitbaren Teil der Daten. Für die Untersuchungen zur Nachnutzung virtueller Produktmodelle in multimedialen Anwendungen wurden verschiedene Szenarien und Systeme betrachtet. Für Marketing- und Präsentationszenarios sind zwei Formen der Darstellungen gebräuchlich. Zum einen die interaktive Präsentation der Daten in Virtual-Reality-Systemen. Hier wurden das System der Firma EON Reality [EON] und das ZDGV-eigene VR-System AVALON [AVALON] genutzt. Eine andere Präsentationsform ist die Erstellung qualitativ hochwertiger Bilder und Videos mit fotorealististem Anspruch. Es werden Ergebnisse gezeigt, die mit dem Werkzeug Cinema4D (Maxon GmbH) [MAXON] erzeugt wurden. Ein anderes multimediales Anwendungsszenario ist das Training und die Schulung an virtuellen Modellen. Hier kann beispielsweise die Bedienung eines Produktes vermittelt werden. Es ist zudem möglich, komplexe Handlungsabläufe oder gar das Verhalten in Ausnahmesituationen nachzubilden und zu simulieren. Für diese Aufgaben kann eine Vielzahl von Systemen, die eine Echtzeit-Darstellung und -Interaktionen erlauben (3D-Engines), genutzt werden. Welche Engine für ein Szenario gewählt wird, ist stark vom Anwendungsfall abhängig. Viele 3D-Engines decken nur Teilbereiche ab, zudem unterscheiden sie sich stark in den Kosten für Hard- und Software und den unterstützten Formaten. Im Beitrag werden exemplarisch verschiedene Engines sowie deren Vor- und Nachteile am Anwendungsfall "MS Dresden" betrachtet. Die Nutzbarkeit von CAD-Daten für die beschriebenen Szenarien wurde exemplarisch am Datensatz der MS Dresden untersucht und wird im Beitrag vorgestellt. Um CAD-Daten außerhalb der Konstruktion nutzen zu können, müssen sie in das Format der Anwendungssoftware überführt werden. Viele Engines haben keine Möglichkeiten, direkt CAD-Formate lesen, während CAD- Programme zumeist nur begrenzte Exportfunktionalitäten besitzen. Eine Lösung für dieses Problem ist es, die Daten in Zwischenformate zu überführen, die von allen beteiligten Programmen interpretiert werden oder für die Konverter existieren. Es wurden verschiedene Zwischenformate und verschiedene Werkzeuge untersucht. Der Beitrag beschreibt diese mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen. Werden virtuelle Produkte für repräsentative Zwecke genutzt, müssen den Teilen des Produktes visuelle Eigenschaften wie Farbe, Reflexionseigenschaften und Texturen zugewiesen werden. Dies kann bereits im CAD-Prozess erfolgen, wird aber von den CAD-Programmen meist nur unzureichend unterstützt. Zudem werden hier oft visuelle Eigenschaften mit Materialien oder Baugruppen und nicht mit dem optischen Aussehen assoziiert. So muss ein virtuelles Produkt oft aufwendig bearbeitet werden, um ein realistisches Aussehen zu erreichen. Hierzu können verschiedene Werkzeuge genutzt werden, für Teilbereiche kann dieser Prozess auch automatisiert werden. Dies und mögliche Werkzeuge werden im Beitrag näher beschrieben. Erfolgt die Nutzung virtueller Produkte für interaktive Anwendungen, müssen die Objekte für die Darstellung in Polygone unterteilt (Tesselierung) und mit Texturen versehen werden. Die Tesselierung ist entscheidend für die Qualität der Darstellung. Welche Form der Tesselierung gewählt werden sollte, ist beispielsweise stark von den Objekten abhängig. Eine Lösung ist es, die Objekte mit einer großen Zahl von Polygonen zu erzeugen und diese dann anschließend mit einem speziellen Algorithmus zu reduzieren. Formen der Tesselierung, der Polygonreduktion sowie spezielle Anforderungen an diese werden im Beitrag genauer betrachtet. Zusammenfassung, Bewertung und Ausblick auf aktuelle Projekte im darauf aufbauenden Bereich "Serious Gaming" für die Brandschutzausbildung schließen den Beitrag ab