VR-Museumsführer: Stiftskirche Stuttgart

Ein zentraler Aspekt der Arbeit ist die Erzeugung von Echtzeit-Grafiken für eine Virtual-Reality-Anwendung. Die gewünschte Framerate von mindestens 15 FPS stellt hohe Anforderungen an das Rechnersystem. Der Text betont die Bedeutung der Optimierung des Rendering-Prozesses, um diese Framerate zu erreichen. Die Komplexität der Szenen, gemessen an der Polygonanzahl der 3D-Modelle und der verwendeten Texturen, beeinflusst maßgeblich die Rechenleistung. Die Arbeit erwähnt explizit, dass Renderzeiten von mehreren Stunden für ein einzelnes Bild bei statischen Bildern oder Filmen keine Seltenheit sind, während für VR-Anwendungen deutlich kürzere Berechnungszeiten notwendig sind. Der Kompromiss zwischen der Detailgenauigkeit des Modells (Anzahl der Polygone) und der erreichten Framerate wird als entscheidende Herausforderung dargestellt. Die Verwendung von PC-Clustersystemen wird als vorteilhafte Lösung für die Bewältigung der hohen Rechenleistung im Vergleich zu teureren Multipipeline-Rechnern genannt. Der schnelle Fortschritt in der Entwicklung von CPUs und GPUs durch die Spieleindustrie unterstützt ebenfalls die Echtzeitfähigkeit von VR-Anwendungen.

Die Arbeit beschreibt verschiedene Techniken der 3D-Modellierung, die für die Erstellung des Modells der Stiftskirche Stuttgart eingesetzt wurden. Es wird die Verwendung von Grundrissplänen und Fotografien als Grundlage für die Modellierung betont. Der Text verweist auf die Verwendung von 3D Studio Max als Modellierungssoftware, und erläutert Techniken wie das Klonen von Objekten zur effizienten Erstellung von repetitiven Elementen (z.B. Seitenkapellen). Die Modellierung der komplexen, gewölbten Decke des Chors wird als besonders herausfordernd dargestellt, wobei die Verwendung von NURBS-Flächen erwähnt wird. Ein wichtiger Aspekt ist die Texturierung der 3D-Modelle, um einen realistischeren Eindruck zu erzielen. Es wird detailliert auf die digitale Bildbearbeitung mit Software wie Adobe Photoshop eingegangen, um aus Fotografien hochwertige Texturen zu generieren. Der Text hebt die Wichtigkeit der Auswahl und Bearbeitung der Bilder hervor, um einen harmonischen und konsistenten Bildeindruck zu gewährleisten und unrealistische Perspektiven oder Schattenwürfe zu vermeiden. Die Verwendung von nahtlos aneinanderfügbaren (tiled) Texturen wird als effiziente Methode für den Umgang mit hochauflösenden Bildern und dem begrenzten Texturspeicher beschrieben. Das VRML-Format wird als Datenaustauschformat erwähnt, wobei der Vorteil des ASCII-Formats für die einfache Bearbeitung im Texteditor hervorgehoben wird.

Das finale 3D-Modell der Stiftskirche Stuttgart wird im Detail vorgestellt. Es umfasst ca. 300.000 Polygone und verwendet über 60 verschiedene Materialien und Texturen. Die Texturen wurden großteils aus eigenen Fotografien der Kirche erstellt. Der Text hebt hervor, dass das Modell alle wichtigen Räume der Kirche realistisch nachbildet, einschließlich der Gruft, der Türme, der Galerie und der Fenster, und diese vollständig begehbar sind. Als Grundlage für die Modellierung dienten ein maßstabsgerechter Grundrissplan aus dem Jahr 1992 sowie zusätzliche Informationen aus dem Buch „Kleine Geschichte der Stuttgarter Stiftskirche“ von Oliver Auge und „Die Stiftskirche in Stuttgart“ (Autor nicht genannt). Der Text beschreibt die besondere Herausforderung, die Komplexität der Stiftskirche mit ihren Details realistisch und gleichzeitig echtzeitfähig darzustellen. Die Kombination aus detailgetreuer Modellierung und Optimierung der Polygonanzahl für eine akzeptable Framerate wird als wichtiger Aspekt der Arbeit betont.

Der Text beschreibt verschiedene Virtual-Reality-Systeme, die für immersive Erfahrungen eingesetzt werden können. Ein wichtiger Aspekt ist das Head Mounted Display (HMD), bestehend aus zwei kleinen Displays, die jeweils vor einem Auge positioniert sind und durch ein helmähnliches Gehäuse vor Fremdlicht geschützt werden. Flüssigkristallbildschirme werden aufgrund ihrer geringeren Größe und ihres geringeren Gewichts gegenüber Kathodenstrahlröhren bevorzugt. Ein limitierender Faktor bei HMDs ist das eingeschränkte Blickfeld, das von der Größe der Displays und der verwendeten Optik abhängt. Die Integration von Trackern am HMD ermöglicht die präzise Erfassung der Kopfposition und -orientierung, wodurch das dargestellte Bild dynamisch an die Bewegung des Benutzers angepasst werden kann. Ein anderes Beispiel für ein VR-System ist die CAVE (Cave Automatic Virtual Environment), ein Raum aus diffusen, transparenten Kunststoffscheiben, die von bis zu zwei Projektoren zur stereoskopischen Darstellung bestrahlt werden. In der voll ausgebauten 6-Seiten-Variante ist der Benutzer vollständig von Projektionsflächen umgeben. Die Positions- und Orientierungserfassung erfolgt hier über ein magnetisches Trackingsystem, da ein optisches System in diesem geschlossenen Raum schwierig zu implementieren ist. Das Fraunhofer IAO eröffnete am 16. Mai 2001 die erste 6-Seiten-CAVE „HyPI-6“, die als High-End-Lösung mit aktiver und passiver Stereoprojektion und einem PC-Clustersystem oder High-End-Grafikcomputer (Onyx 3 IR) beschrieben wird.

Die Bedeutung von Trackingsystemen für die Interaktion in virtuellen Umgebungen wird hervorgehoben. Ein präzises Tracking mit kurzer Latenzzeit ist laut Bowman (bow04) entscheidend für ein flüssiges und benutzerfreundliches Interaktionserlebnis. Der Text beschreibt verschiedene Arten von Trackingsystemen, darunter mechanische, akustische, magnetische und optische Verfahren. Die magnetischen und optischen Verfahren finden dabei die weiteste Anwendung. Die Funktion eines Trackingsystems besteht in der Bestimmung der aktuellen Position und Blickrichtung des Benutzers sowie der von ihm verwendeten Interaktionsgeräte. Dies ermöglicht eine Anpassung des dargestellten Bildes an die Benutzerbewegung und -orientierung, was den Immersionsgrad erheblich verbessert. Im Kontext der CAVE wird explizit die Verwendung eines magnetischen Trackingsystems aufgrund der räumlichen Gegebenheiten erwähnt. Die Genauigkeit und die Latenzzeit des Trackingsystems sind entscheidende Faktoren für die Qualität der VR-Erfahrung und die Möglichkeit, realistische Interaktionen zu ermöglichen.

Für die Interaktion mit Objekten in virtuellen Umgebungen werden spezielle Eingabegeräte benötigt, die sich von herkömmlichen PC-Eingabegeräten durch ihre räumliche Beweglichkeit (6 Freiheitsgrade) unterscheiden. Die Vielfalt dieser Geräte wird mit dem Begriff „Zoo von höherdimensionalen Eingabegeräten“ (Kettner, ket93) beschrieben. Eine detaillierte Beschreibung verschiedener Eingabegeräte findet sich laut Text bei Bowman (bow04). Als Beispiel wird die Space-Mouse als tischgebundenes 3D-Eingabegerät vorgestellt, das ermüdungsfreieres Arbeiten ermöglicht, da der Arm auf dem Tisch aufliegt. Im Gegensatz zu getrackten Eingabegeräten, die absolute Koordinaten verwenden, steuert die Space-Mouse einen Geschwindigkeitsvektor, abhängig von der Position und Orientierung ihrer Sensorkappe. Dies ermöglicht die Kontrolle von Bewegungen und Rotationen im Raum. Die Auswahl und die Eigenschaften der Eingabegeräte beeinflussen maßgeblich die Benutzerfreundlichkeit und den Erfolg der VR-Anwendung. Die Arbeit konzentriert sich auf die Einsetzbarkeit eines einzigen Eingabegeräts zur Steuerung aller Interaktionsmöglichkeiten.

Die VR-Anwendung integriert historische Informationen über die Stiftskirche Stuttgart, indem sie informationsbehaftete 3D-Modelle einschließt. Diese Modelle repräsentieren historische Artefakte wie Grabmäler, Wandfresken und Statuen innerhalb der virtuellen Kirche. Der Ansatz besteht darin, authentisch nachgebildete 3D-Modelle mit entsprechenden Informationen zu verknüpfen, um das interaktive Erlebnis zu bereichern. Beispiele für solche informationsbehafteten Modelle sind das Grafenstandbild und die Grabplatte des Stiftspropstes Ludwig Vergenhans (Ludwig Nauclerus), über die detaillierte biographische Informationen bereitgestellt werden. Zusätzlich wird die Gruft der Stiftskirche als interaktives Element integriert, wobei Informationen über die dort bestatteten württembergischen Grafen und die Geschichte der Gruft zugänglich gemacht werden. Die Vermittlung dieser Informationen erfolgt über ein speziell entwickeltes Konzept, das in einem separaten Kapitel (Kapitel 6.3) detailliert beschrieben wird. Die Positionierung der informationsbehafteten Modelle in der virtuellen Umgebung ist strategisch geplant, um eine intuitive Erkundung zu ermöglichen.

Die Interaktion mit der virtuellen Umgebung und den informationsbehafteten Modellen erfolgt über drei verschiedene Modi: Navigationsmodus, Interaktionsmodus und Informationsmodus. Der Benutzer kann zwischen diesen Modi wechseln und steuert alle Interaktionen mit nur einem Eingabegerät. Die Navigation innerhalb der virtuellen Stiftskirche wird durch zwei Metaphern realisiert: ‚Fly‘ und ‚Walk‘. Im ‚Fly‘-Modus kann der Benutzer sich frei im Raum bewegen und die Orientierung (Pitch, Yaw, Roll) steuern. Der ‚Walk‘-Modus schränkt die Orientierung auf Yaw ein (Drehung nach links/rechts), erleichtert aber die Fortbewegung, da der Benutzer sich auf einer definierten Höhe über dem Boden bewegt, was einen realistischen Geh-Eindruck erzeugt. Diese Methode ist besonders für enge Räume und präzises Ansteuern von Objekten geeignet. Um die Orientierung zu unterstützen, wird eine ‚World In Miniature‘ (WIM) visualisiert – ein kleines, vereinfachtes Modell der Stiftskirche mit transparenten Wänden, das die Position des Benutzers und die Lage der interaktiven Objekte anzeigt. Diese Minaturansicht dient als dreidimensionale Karte innerhalb der virtuellen Umgebung.

Die Anwendung bietet verschiedene interaktive Elemente, um mit Objekten der virtuellen Stiftskirche zu interagieren. Ein Beispiel ist die ‚Greiflogik‘ (clGrabber), die es dem Benutzer ermöglicht, ein auf dem Altar liegendes Buch virtuell aufzuheben und zu bewegen. Dies wird durch einen SelectRay und ein Gruppenelement realisiert, die mit dem Eingabegerät verbunden sind. Ein weiteres Beispiel ist die ‚X-Ray Taschenlampe‘ (clSargReactor), die es erlaubt, einen Sarg virtuell zu durchleuchten, um das Skelett im Inneren zu betrachten. Dies wird durch eine Schnittebene (Cutting Plane) realisiert, die den Sarg durchschneidet und die entstandene Schnittfläche mit der Textur des Sarges belegt. Die Interaktion mit der Orgel (clOrgelReactor) wird durch einen SelectRay und ein Piktogramm (Notenschlüssel) ermöglicht. Die Berührung der Orgel oder ihrer Pfeifen aktiviert ein Orgelstück von Bach, während gleichzeitig ambiente Hintergrundmusik abgespielt wird. Der InteractionController steuert die Interaktion mit den einzelnen Modellen, indem er die Distanz zwischen Benutzer und Objekt berechnet und den entsprechenden Interaktionsmodus aktiviert, sobald sich der Benutzer in einem definierten Aktionsradius befindet.

Die Informationen zu den informationsbehafteten Modellen werden über ein Informationsmenü (clInfoMenue) vermittelt. Dieses Menü, modelliert in 3D Studio Max, enthält eine Textplane zur Anzeige der Informationen und Schaltflächen zum Blättern und für die Aktivierung einer geführten Tour. Die Steuerung des Menüs erfolgt über einen SelectRay, der mit dem Eingabegerät verbunden ist. Die Datenbankabfrage für die Informationen wird durch die Methode ‚dbSelect‘ gesteuert und verwendet den Namen des Objekts (z.B. ‚Grabplatte‘) als Identifier. Die geführte Tour führt den Benutzer automatisch zu den verschiedenen Points of Interest (POI), indem sie die Kamerabewegung und -orientierung über Pfade (Wegpunkte in einer Liste) steuert, die mit einem ltVectorInterpolator linear interpoliert werden. Die Beleuchtung der Szene wird dynamisch angepasst: Bei Betreten der Gruft dunkelt sich die Szene langsam ab, und beim Verlassen wird sie wieder heller, gesteuert durch die Position des Benutzers und einen LightController. Die Piktogramme werden zur Visualisierung des aktuellen Status und der verfügbaren Interaktionsmöglichkeiten verwendet. Der Stil der Piktogramme wird als schnörkellos und abstrakt beschrieben (vgl. [sta87]).

Die Entwicklung der VR-Anwendung erfolgte mit der Software Lightning, die auf dem Szenengraph OpenGL Performer (roh94) basiert. Dieser hierarchische Baum dient zur Strukturierung der visuellen Geometrie im virtuellen Raum, wobei die Attribute der Objekte in den jeweiligen Knoten gespeichert sind. Änderungen an einzelnen Knoten und deren Kindknoten können effizient erkannt und nur diese neu berechnet werden. OpenGL fungiert als Schnittstelle zwischen der Grafikhardware und dem Szenengraph. Um die Funktionalität von Lightning zu erweitern und komplexe Logik zu implementieren, wird die Skriptsprache Tcl verwendet, speziell die objektorientierte Erweiterung [incrTcl] (mcl96). Diese Erweiterung ermöglicht das Kapseln von Funktionalität in Objekten, die Definition objektspezifischer Variablen, das Aufrufen von Methoden und das Vererben von Funktionen. Dies ist besonders vorteilhaft für die Entwicklung großer Anwendungen, da es die Übersichtlichkeit und den Umgang mit komplexen Abhängigkeiten verbessert. Zusätzlich werden Lightning-spezifische Befehle verwendet, um den Funktionsumfang der Anwendung weiter zu erweitern.

Die Datenstruktur in Lightning basiert auf einem System von Routen und Feldern. Die Ausgabefelder eines Objekts können mit den Eingabefeldern anderer Objekte verbunden werden, sofern diese den gleichen Datentyp (z.B. Vec3, Float, String) besitzen. Diese gerichteten Verbindungen werden als Routen bezeichnet. Ein Eingabefeld kann nur eine, ein Ausgabefeld jedoch mehrere Verbindungen haben. Der Datenfluss besteht somit ausschließlich aus Routen und Feldern. Ein Routen-Manager sortiert die Routen in einen Baum, wobei jeder Knoten ein Objekt und jede Kante eine aktive Route repräsentiert. Um die Objektdaten zu aktualisieren, wird pro Frame einmal der gesamte Baum durchlaufen. Dieses System ermöglicht eine effiziente Datenverwaltung und -verarbeitung innerhalb der VR-Anwendung. Die Darstellung der Daten in Form eines Baumes mit Knoten (Objekten) und Kanten (aktiven Routen) erlaubt eine strukturierte und nachvollziehbare Organisation der Datenströme. Dieses System ist grundlegend für die Funktionalität und die Echtzeitfähigkeit der Anwendung.

Als Datenaustauschformat wird VRML verwendet, da 3D Studio Max ein geeignetes Plug-in für den Export von VRML-Dateien bereitstellt. Lightning beinhaltet Loader für verschiedene Geometriefomate, darunter auch einen VRML-Loader basierend auf libVRML97 von Chris Morley (mor03). Allerdings werden nicht alle Features des VRML-Standards genutzt, da die [incrTcl]-Programmierschnittstelle von Lightning für komplexe Logik besser geeignet ist als die Beschreibung dieser Funktionalität in VRML. Der Vorteil des ASCII-Formats von VRML wird besonders hervorgehoben, da kleine Änderungen an Materialeigenschaften oder Positionen von Objekten schnell und einfach mit einem Texteditor vorgenommen werden können. Die Wahl des VRML-Formats erleichtert den Datenaustausch mit anderen 3D-Modellierungsprogrammen und trägt zur Effizienz des Workflows bei. Die Kombination von VRML für die geometrischen Daten und [incrTcl] für die komplexere Logik stellt einen effizienten Ansatz für die Entwicklung dar.

Die Stuttgarter Stiftskirche besitzt eine lange und vielschichtige Geschichte, die im Text kurz zusammengefasst wird. Ihre Ursprünge reichen wahrscheinlich bis ins frühe 11. Jahrhundert zurück. Ein spätromanischer Umbau erfolgte in der zweiten Hälfte des 12. Jahrhunderts, wobei nur das Untergeschoss eines Turmes aus dieser Zeit erhalten geblieben ist. Um 1240 stiftete Graf Ulrich I. eine spätromanische Basilika, was zu umfassenden Veränderungen des ursprünglich als Chorturm genutzten Baukörpers führte. Etwa ein Jahrhundert später wurde das romanische Langhaus durch eine dreischiffige Halle der Spätgotik ersetzt. Hänslin Jörg wird als Architekt des 1433 begonnenen Neubaus genannt, der 1495 von seinem Sohn Aberlin vollendet wurde. Im selben Jahr begann der Bau eines mächtigen Westturms, der jedoch im Zuge der Reformation nicht fertiggestellt wurde. Die Aufstockung des südöstlichen Turms wurde 1578 abgeschlossen. Am 16. Mai 1534 fand der erste protestantische Gottesdienst in der Stiftskirche statt. Die heutige Gestalt der Kirche ist sowohl das Ergebnis dieser langen Entstehungszeit als auch des vereinfachten Wiederaufbaus nach den schweren Zerstörungen im Zweiten Weltkrieg. Die beschriebene Geschichte dient als Kontext für die informationsbehafteten Modelle in der virtuellen Rekonstruktion.

Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Geschichte der Orgel der Stiftskirche. Der Text erwähnt den Ausbau der Orgel der Klosterkirche Zwiefalten und deren Transport nach Stuttgart im 19. Jahrhundert. Eberhard Friedrich Walcker erweiterte die Orgel auf 80 Register und stattete sie mit einem beeindruckenden neugotischen Prospekt aus. Leider wurde diese legendäre Orgel 1944 bei einem Bombenangriff vollständig zerstört. Die Firma Walcker baute danach eine neue Orgel mit 86 Registern, die aber später als nicht mehr restaurierungswert eingestuft wurde. Die heutige Orgel ist das Ergebnis einer Neuplanung, wobei nur die großen und wertvollen Holzpfeifen des Pedals der alten Orgel wiederverwendet wurden. Der Bau der neuen Orgel erforderte 5000 kg Orgelmetall und Holz eines kleinen Mischwaldes. Elektronik wurde nur zur Speicherung und zum schnellen Abruf von Klängen integriert. Diese detaillierte Beschreibung der Orgelgeschichte unterstreicht den hohen Stellenwert des historischen Kontextes für die Gestaltung und den Inhalt der virtuellen Rekonstruktion der Stiftskirche.