Virtuelle Archäologie: 3D-Computermodelle archäologischer Denkmale
Aufbereitung der 3D-Modelle zur Präsentation im Web-Browser
Um die dreidimensional vermessenen archäologischen Objekte als frei drehbare und im Web-Browser flüssig zu betrachtende 3D-Modelle darstellen zu können, ist eine spezielle Nachbereitung notwendig. Eine Schwierigkeit bei der Veröffentlichung von 3D-Computermodellen im Internet besteht durch die umfangreichen Datenmengen, die bei der Erstellung eines solchen Modells generiert werden und nicht ohne weiteres in einem Webbrowser dargestellt werden können. Daher müssen die Modelle reduziert und entsprechend bearbeitet werden, ohne dass dabei ein zu großer Detailverlust besteht. Hierzu stehen einige Techniken zu Verfügung, die auch bei unseren Modellen angewendet werden.
Millionen von Punkten und Polygonen
Bei der dreidimensionalen Dokumentation entsteht eine Punktwolke, die – je nach Größe des Objekts und Auflösung der Vermessung – aus mehreren Millionen Punkten besteht. Die Spannweite der Modellgrößen ist hierbei enorm: Während eine Stele – wie die von Hirschlanden – mit ca. 5 Millionen Punkten hochauflösend dokumentiert ist, werden bei einem Objekt wie beispielsweise dem Apollo Grannus Tempel von Neuenstadt ca. 50 Millionen Punkte gemessen. Bei der Vermessung der Höhlen im Hohlenstein hingegen waren es fast 100 Millionen Punkten (inklusive Vorplatz und Lonetal-Abschnitt sogar 500 Millionen Punkte). Um ein 3D-Modell mit einem Volumenkörper zu erstellen, werden die Punkte zu einem Polygonnetz (i.d.R. ein Netz aus Dreiecken) vermascht. Dabei entstehen Geometrien, die mehrere Millionen Polygone umfassen und eine entsprechende Rechnerleistung erfordern, um diese am Computer darzustellen.
Reduzierung der Polygone
Bei der Aufbereitung der Modelle für die Präsentation auf unserer Website muss also zunächst die Anzahl der Polygone reduziert werden. Dabei sollten jedoch so wenige Details wie möglich verloren gehen, was durch die vornehmliche Reduktion an „flachen“ Stellen eines Polygonnetzes erreicht wird, während Bereiche mit komplexer Geometrie weiterhin aus einer möglichst hohen Anzahl von Polygonen bestehen sollten. Nichtsdestotrotz kann der Detailverlust bei einer Reduktion enorm sein. Um ein bedeutend reduziertes Modell mit unvermeidbarem Qualitäts- und Detailverlust dennoch für eine ansprechende Visualisierung verwenden zu können, werden einige weitere spezielle Techniken zur Aufbereitung der Modelle angewendet.
Visualisierung: Von der UV-Map zu Normalen-Maps und Ambient-Occlusion-Texturen
Bei der Visualisierung der Modelle werden sogenannte Normalen-Maps sowie Farb- und/oder Licht-Schatten-Texturen eingesetzt. Diese können von einem hochaufgelösten Modell gewonnen und anschließend auf dem reduzierten Modell abbgebildet werden.
Unter Verwendung geeigneter Software – z.B. des frei im Internet verfügbaren Programms „Blender“ – wird ein reduziertes Modell zunächst auf eine zweidimensionale Ebene aufgefaltet. Das Ergebnis ist die sogenannte UV-Map, die als Grundlage für die Abbildung von Effekten wie Schattierung oder Texturen auf dem entsprechenden Modell genutzt werden kann.
Von besonderer Bedeutung sind hierbei die Normalenvektoren eines 3D-Modells. Normalen definieren u.a. Vorder- und Rückseiten einer Geometrie und sie werden zur Berechnung von Licht und Schatten benötigt. Auf Grundlage der aufgefalteten Geometrie – der UV-Map – können sie in einer Rastergrafik „codiert“ zweidimensional gespeichert werden. Unterschiedliche RGB-Farbwerte eines Rasterpunkts im Koordinatensystem der UV-Map definieren dabei den Vektor. Diese Rastergraphik ist die sogenannte Normalen-Map.
Es ist möglich, Informationen zu den Normalen eines hochaufgelösten Modells in einer Bilddatei auf Basis der UV-Map eines reduzierten Modells zu speichern. Diese Normalen-Map kann schließlich auf das aufgefaltete reduzierte Modell projiziert werden, sodass Schatteneffekte einer hochaufgelösten Geometrie auf einem reduzierten Modell erzeugt werden können.
Nach dem gleichen Prinzip können Texturen erstellt werden, die Informationen des hochaufgelösten Modells enthalten und auf das reduzierte Modell übertragen werden. Zur Verstärkung von Licht- und Schatteneffekten bietet sich eine Textur mit sogenannter „Ambient Occlusion“ (Umgebungsverdeckung) an, durch die eine ideale Verschattung eines Modells unabhängig von Lichtquellen gegeben ist. Dieser Effekt kann ebenso als Textur auf Basis der UV-Map auf ein reduziertes Modells projiziert werden. Die aufwendige Berechnung der Umgebungsverschattung bei jeder Drehung eines hochaufgelösten Modells entfällt somit.
Normalen-Map und Texturen können miteinander verrechnet dargestellt werden, sodass es schließlich möglich ist, eine Vielzahl von Informationen zu Geometrie, Farbe, Licht und Schatten eines hochaufgelösten Modells auf einem deutlich reduzierten Modell abzubilden.
Schließlich wird ein Dateienpaket bestehend aus dem reduzierten 3D-Modell, einer Normalen-Map und einer Ambient-Occlusion- oder einer Farbtextur beim Anbieter Sketchfab hochgeladen, sodass die Modelle im Viewer-Fenster von Sketchfab dann auf unseren Seiten dargestellt werden können.