CAD-Daten für VR-Projekte verwenden
Wenn es darum geht, komplexe CAD-Daten in die Virtual Reality zu integrieren, stoßen wir auf eine Reihe von Herausforderungen. CAD-Daten, die für die Erstellung von dreidimensionalen Modellen in der realen Welt entwickelt wurden, sind nicht ohne weiteres für den direkten Einsatz in VR geeignet.
In diesem Blogbeitrag werden wir erläutern, was CAD-Daten sind und warum sie Anpassungen erfordern, um in VR-Projekten effektiv genutzt zu werden.
Was sind CAD-Daten?
CAD-Daten (Abkürzung für Computer-Aided Design-Daten) dienen als Grundlage für die Erstellung von technischen Zeichnungen, 3D-Modellen und Prototypen in verschiedenen Branchen wie Architektur, Ingenieurwesen, Maschinenbau und Produktdesign. Sie sind der De-facto-Standard in der Industrie. Wenn Produkte, Maschinen oder Immobilien in VR präsentiert werden sollen, existieren in fast allen Fällen bereits CAD-Daten dazu. Da CAD-Daten i.d.R. bereits 3D-Daten sind, stellt sich die Frage: Kann man CAD-Daten direkt verwenden, um sie in der Virtual-Reality-Simulation zu integrieren?
Was kann man aus CAD-Daten machen?
Da CAD-Daten die Basis für die Fertigung von realen Objekten sind, müssen sie die reale Welt sehr detailliert wiederspiegeln. Entsprechend sind sie in der Regel sehr groß und umfangreich. Durch diesen hohen Detailgrad eigenen sie sich als Ausgangsmaterial für die Erstellung von Fotos und Videos. Mit einem Render-Programm wie z.B. Blender, Cinema 4D, 3Ds Max oder Maya können fotorealistische Medien erstellt werden. Diese finden oft ihren Weg in Websites, Kataloge oder Produktfilme.
In dem Beispiel oben sieht man die aus den CAD-Daten einer Maschine erstellten Polygondaten, wie sie aus dem Programm des Ingenieurs kommen können. Das Modell in dem Beispiel besteht aus 2,7 Millionen dreieckigen Polygonen (also der kleinsten geometrischen Flächenform, aus der alle anderen Formen gebildet werden). 3D-Grafik-Programme auf starken Grafikrechnern können Millionen von Dreiecken problemlos verarbeiten. Wenn man ein Produktfoto daraus rendert, kann der Computer mehrere Minuten brauchen, um ein einziges Bild zu berechnen.
Wenn man aber bedenkt, dass eine VR-Brille 120 Bilder pro Sekunde darstellen muss, dann wird klar, dass hier Optimierung notwendig ist. Und hier kommt die Kunst von 3D-Grafiker:innen ins Spiel: Sie müssen die Komplexität der 3D-Szenen so start reduzieren, wie nur möglich:
Optimierungen
Im Beispiel oben sieht man eine Baugruppe vor und nach der Optimierung.
3D-Grafiker:innen sind in der Lage, viele Details stark zu reduzieren, ohne dass man signifikante Verschlechterungen sieht. Es gibt zwar Programme wie z.B. Unity Pixyz, die solche Reduktionen automatisch machen, aber die Ergebnisse sind meistens nicht gut genug, um sie professionell in einem VR-Projekt zu verwenden. Das liegt daran, dass diese Tools mit starren Algorithmen geometrische Formen suchen und diese Formen mit weniger Details nach modellieren. Das Ergebnis ist technisch gesehen tatsächlich besser, sieht aber für Menschen nicht gut aus. Und auch dann gibt es immer noch Optimierungspotenzial, das von starren Algorithmen nicht erkannt werden kann: ein Programm weiß nicht, was die optisch wichtigen Details eines Objekts sind. Vielleicht kann zukünftig eine künstliche Intelligenz bessere Ergebnisse erzielen, aber Stand heute kann auf die Optimierung durch 3D-Grafiker:innen kaum verzichtet werden.
3D-Grafiker:innen machen viele unterschiedliche Arbeiten, um ein 3D-Modell zu optimieren. Z.B werden die Elemente aus dem 3D-Modell gelöscht, die man nicht sieht oder die optisch gesehen nicht relevant sind. Kleine Objekte werden auf die Textur (grafische Oberfläche) verlegt, sodass sie visuell, aber nicht mehr in der 3D-Struktur vorhanden sind. Die Gitternetze werden auf das Wesentliche reduziert. Das sind nur einige Beispiele für Bearbeitungen, die manuell gemacht werden. Oft kann es der schnellere (und damit günstigere) Weg sein, wenn man das gesamte Modell komplett neu erstellt.
Beispiele
Im Beispiel oben sieht man links eine Maschine mit 2,7 Millionen Dreiecken vor der Optimierung und rechts dieselbe Maschine mit 13.000 Dreiecken nach der Optimierung. Im ersten Moment sieht man kaum Unterschiede. Aber wenn Sie genauer hinschauen, sehen Sie viele kleine Veränderungen: Achten Sie z.B. auf die kleinen schwarzen Bauteile auf den grünen Platinen. Sie sind in der optimierten Version nicht mehr 3D-Objekte, sondern aufgemalt. Außerdem wurden Maschinenteile (z.B. kleine Zylinder) entfernt, die für diese VR-Simulation nicht von Bedeutung sind. Insbesondere im Inneren der Maschine wurde alles entfernt, was von außen nicht sichtbar ist.
Ein gutes Beispiel, wie ein VR-Projekt aussehen kann, das auf Basis von CAD-Daten entstanden ist, kann man in diesem Projekt sehen:
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10 Punkte zu Verwendung von CAD-Daten für VR-Projekte
Damit die CAD-Daten aus Ihrer Ingenieur-Abteilung von den Virtual-Reality-Entwicklern gut genutzt werden können, muss auf einiges geachtet werden. Aus zahlreichen Projekten haben wir hier unsere Top 10 Punkte zusammengetragen, die man wissen und beachten sollte, damit es eine reibungslose Zusammenarbeit zischen den Ingenieuren und dem VR-Team gibt:
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