Was sind 3D Visualisierung, 3D Animation und CGI? Was sind ihre Vorteile und wie können Sie diese für Ihre Produkte und Dienstleistungen nutzen?
Dieser Blog-Artikel über 3D Visualisierung, 3D Animation und CGI soll Ihnen einen Überblick verschaffen. Was genau eine 3D Visualisierung ist und wie man Sie am besten einsetzt. Vielleicht stehen Sie ja auch vor der Frage, ob Sie sich eine Visualisierung erstellen lassen sollen. Dann ist dieser Artikel genau das, was Sie brauchen.

Was ist eine 3D Visualisierung?

Sie beschreibt zunächst die Darstellung virtueller Modelle in einem dreidimensionalen Raum. Das können einfache oder komplexe 3D Modelle sein. Dabei muss es sich nicht zwangsläufig um einzelne Objekte handeln. Bei der Visualisierung von Innenräumen werden beispielsweise viele Objekte in einem 3D Raum zusammengesetzt. Fußboden, Innenwände und Fenster sind Objekte oder Flächen, die einen virtuellen Raum darstellen. Die reine Darstellung eines 3D Modells am Bildschirm des Rechners ist bereits eine 3D Visualisierung.

Wie entstand die 3D Visualisierung?

Zu Beginn musste es erst einmal eine Möglichkeit geben, Computergrafik zu erstellen. Ivan Sutherland (geboren 1938 in Nebraska, USA) stellte 1963 in seiner Dissertation das Zeichensystem „Sketchpad“ vor. In der Geschichte der Computergrafik ein Meilenstein. Im gleichen Jahr begann John Lansdown (geboren1929 in Cardiff, Wales) eigene CAD-Programme zu schreiben und Steven Anson Coons (1912  – 1979) entwickelte Techniken zur parametrischen Modellierung von Flächen. 1969 wurde das erste kommerzielle CAD-Grafiksystem mitdem Namen LDS-1 (Line Drawing System-1) vorgestellt. Damit waren diese Entwicklungen die Wegbereiter für die Möglichkeiten der heutigen Visualisierungen von 3D Daten.

Was ist Rendern bzw. was ist ein 3D Rendering?

Sie wissen jetzt, dass die reine Darstellung am Bildschirm schon eine 3D Visualisierung ist. Was ja für den Anfang auch nicht schlecht ist. Doch richtig interessant wird es doch erst, wenn wir diese auch in irgendeiner Form ausgeben können, oder? Und genau diesen Vorgang nennt man in der 3D Computergrafik „rendern“. Beim Rendern errechnet die Software das endgültige Bild.
Anders als bei der 2D Grafik, wird das Bild nicht einfach abgespeichert werden. Die Darstellung am Bildschirm zeigt dem Betrachter die aktuelle Szene. Sie besteht aus Objekte, die in der Regel bestimmte Materialeigenschaften haben. Weiterhin gibt es Lichtquellen zur Ausleuchtung. Zu guter Letzt ist auch mindestens eine virtuelle Kamera Bestandteil der Szene. Sie Definieren die Position und die Blickrichtung des Betrachters. Jetzt leuchtet einem ein, warum die Software das Bild nicht einfach abspeichern kann. Es müssen bei der Berechnung gleich mehrere Aufgaben gelöst werden.

Die Aufgaben:

  • Das Shading – Darstellung von Oberflächen und deren Materialeigenschaften
  • Die Verdeckungsberechnung – Ermittlung der sichtbaren Objekte
  • Die Berechnung der Lichtverteilung – reflektierende Materialien beleuchten andere Objekt indirekt

Was ist Shading?

Beim Shading (Schattierung) werden die Farben der Oberflächen und das direkt auf ihnen eintreffende Licht berechnet. Jedoch bleibt hierbei die in direkte Beleuchtung anderer Oberflächen unberücksichtigt.

Wie funktioniert die Verdeckungsberechnung?

In einer Szene mit mehreren Objekten können sich diese gegenseitig verdecken. Je nachdem aus welchem Blickwinkel man die Szene betrachtet. Zur Verdeckungsberechnung wird das sogenannte Raytracing (Strahlverfolgung) verwendet. Ein auf der Aussendung von Strahlen basierender Algthmus. Das Prinzip ähnelt dem Aufbau einer Lochkamera. Nur das beim Raytracing die Richtung vertauscht ist.

Was passiertbei der Berechnung von Licht und dessen Verteilung?

Lichter besitzen eine bestimmte Fläche. Die Intensität des emittierenden Lichts dieser Fläche nimmt quadratisch mit der Entfernung ab. Diese physikalische Eigenschaft wird bei einem realistischen Rendering berücksichtigt. Abhängig von der Oberfläche, wird das ausgesendete Lichtteilchen entweder ins Innere des Objekts gebrochen, absorbiert oder reflektiert. Mit Ausnahme von Metallen. Hierkann das Licht nicht ins Innere gebrochen werden. Zudem streuen nichtmetallische Objekte das Licht in ihrem Inneren. Dadurch ergibt sich insgesamt ein weiches Erscheinungsbild. Diese Eigenschaft von Licht nennt man Volumenstreuung. Wir nehmen es im Alltag nicht bewusst war. Aber jedes nichtmetallische Objekt bricht und streut das Licht im Inneren anders. Die 3D Visualisierung ist erst dann fotorealistisch, wenn beim Rendering auch die Volumenstreuung zum Material passt.
Dafür bedient man sich beim Rendern der Methode „Separable Subsurface Scattering“. Sie wurde von der TU Wien, der Universität Saragossa (Spanien) und dem Spielehersteller Activision-Blizzard entwickelt. In diesem Video erklärt Károly Zsolnai die genaue Funktionsweise.

Was ist eine 3D Animation?

Das Wort Animation kommt vom Lateinischen „animare“ und bedeutet „zum Lebenerwecken“. Bei einer Animation wird aus vielen Einzelbildern ein bewegtes Bild oder auch Bewegtbild erzeugt. Diese Technik wird übrigens immer dann eingesetzt, wenn wir Filme sehen. Im Fernsehen, im Kino oder bei YouTube. Ab einer Frequenz von etwa 24 Bildern pro Sekunde entsteht für uns eine annähernd flüssige Bewegung. Damit ist die 3D Animation eine Erweiterung der 3D Visualisierung. Dazu werden beim finalen Rendering also mindestens 24 Bilder pro Sekunde errechnet und ein Videoformat geschrieben.
Sicher kennen Sie den Begriff CGI. Oder Sie haben ihn schon irgendwo gehört. CGI ist der englische Fachausdruck für Computer Generated Imagery. Die Bezeichnung steht für im 3D erzeugte Bilder.Für Computersimulation, Filmproduktion und visuelle Effekte. Diese Filmbilder können ausschließlich am Computer erzeugt werden oder mit realen Bildern kombiniert werden. Die erste CGI-Filmszene erschien 1977 auf der Kinoleinwand und dauerte ca. 40 Sekunden. Es war das animierte Drahtgittermodell des Todessterns in Star Wars. Doch wie entstehen denn jetzt die eigentlichen Bewegungen?

Dafür gibt es in der Computeranimation verschiedene Techniken.

  • Schlüsselbildanimation (Keyframing) und Interpolation
  • Animation über hierarchische Objekte
  • Animation auf Grundlage von Motion Capture

Schlüsselbildanimation (Keyframing) und Interpolation

Bei der klassischen Schlüsselbildanimation gibt es mindestens zwei Keyframes. Der Startframe und der Endframe. Sitz nun beispielsweise das zu animierender Objekt im Endframe an einer anderen Position. Dann werden die dazwischen befindlichen Interframes vom Rechner erzeugt. Sie werden interpoliert. Diesen Vorgang nennt man auch Tweening (von dem Englischen in betweendt. zwischen, dazwischen). Er sorgt für den flüssigen Ablauf – vom ersten bis zum letzten Frame der Animation.

3D Animationüber hierarchische Objekte

Hierbei sind die Objekte in einer baumartigen Struktur organisiert. Sie sind miteinander verbunden und besitzen eine relative Positionierung zu einander.Als Konstrukteur ist einem diese Struktur bestens bekannt. Denn Baugruppen sind im CAD Programm auf gleiche Weise organisiert. Nehmen wir an, Sie wollen einen Roboter-Arm animieren. Dann besitzt dieser Roboter mit Sicherheit diverse Gelenktypen und andere bewegliche Teile. Alle in einem Bauteil miteinander verbunden und in ihrer Funktion beweglich. Die Animation von Baugruppen dieser Art erfolgt über kinematischen Techniken. In vielen CAD-Programmen ist diese bereits integriert. Wie zum Beispiel bei Creo, dem früheren Pro/ENGINEER.

3D Animation auf Grundlage von Motion Capture

Motion Capture (Bewegungserfassung) ist ein Verfahren, mit dem Bewegungen erfasst werden. Die dann aufgezeichnet, analysiert und weiterverarbeitet werden können. In unserem Fall die Objekte einer 3D Animation. Motion Capture oder auch Motion Tracking wird unter anderem eingesetzt, um Computeranimationen realistischer darzustellen. Die Mimik eines Menschen oder der besonders natürliche Bewegungsablauf einer rennenden Person. Kennen Sie den Computeranimationsfilm „Happy Feet“ aus dem Jahr 2006? Die Geschichte handelt vom Kaiserpinguin Mamble. Der Außenseiter kann nicht, wie die anderen Pinguine, singen aber dafür umso besser steppen. Zur Animation verwendete man hier das Motion-Capture-Verfahren. Der Film wurde 2007 mit dem Oscar in der Kategorie „Bester animierter Spielfilm“ ausgezeichnet. Nicht schlecht oder?!

Wie entsteht eine 3D Visualisierung?

Einmal angenommen, Sie benötigen eine 3D Visualisierung bzw. 3D Animation von einem Ihrer Produkte oder Baugruppen. In diesem Fall existieren in der Regel bereits erste 3D Modelle. Mit einem CAD Programm konstruiert, werden sie  entsprechend weiterverarbeitet.
Das Modell kann auch aus eineranderen Quelle kommen. Es gibt unzählige Programme zum Erstellen von 3D Modellen. Viele sogar kostenlos und frei verfügbar. Es gibt Lösungen, mit denen auch ungeübten Benutzer zu guten Ergebnissen kommen. Die Industrie hat ein natürliches Interesse daran. Sie werden jetzt fragen warum? Diese Entwicklung hat auch etwas mit der schnellen Entwicklung im Bereich 3D Druck zu tun. Denn wenn jeder sich 3D Modelle erstellen kann, verkaufen sich auch 3D Drucker besser. Sie können 3D Modelle auf mittlerweile allen Plattformen erstellen. Am Desktop-Rechner, per App auf Smartphone und Tablet oder auch schon Online. Ja genau! Auch die browserbasierte Erstellung von 3D Modellen ist möglich. Einfach irre!

Ausschließlich für diesen Zweck geschaffen.

Zwar besitzen auch CAD Programme Render-und Animationsfunktionen.Viele 3D Modellierungs-Programme ebenfalls. Doch führen diese in den wenigsten Fällen zu fotorealistischen Abbildungen bzw. Animationen und die Bearbeitungsmöglichkeiten sind begrenzt. Das müssen Sie auch nicht können. Der Fokus dieser Software-Lösungen liegt auf dem Konstruieren oder Modellieren. Das Erzeugen von fotorealistischen Visualisierungen können andere Programme besser. Welche, die ausschließlich für diesen Zweck geschaffen wurden. Die Rede ist von Render-Software-Lösungen.
Hat man also sein 3D Modell zur Hand, kann man mit der Bearbeitung der Visualisierung starten. Dazu gibt es in der Render-Software verschiedene Werkzeuge und Einstellungsmöglichkeiten. In der Regel kann man auf eine ganze Palette an Materialien, Lichter, Beleuchtungssituationen und Umgebungen zugreifen. Reichen die Vorgaben nicht aus? Dann können eigene erstellt werden. Bei den Materialien fängt es mit einfachen Einstellungen, wie Farbe oder Rauheit an und geht bis komplexen Modifikationen in denen mehrere Materialeigenschaften und Texturen miteinander kombiniert werden. Bei den Umgebungen kann nahezu alles simuliert werden. Besondere Orte, Positionen in gefährlichen Situationen oder komplette Fotostudios. Nichts ist unmöglich…

Wann entstand die 3D Animation / CGI

Dass der Todesstern aus Star Wars der erste Protagonist in einer CGI Filmszene war, wissen Sie bereits. Seit dem wurde weiter an dieser Technik gearbeitet. Die höhere Rechenleistung der Computer brachte auch immer bessere Ergebnisse hervor. Im Jahr 1982 brachtendie Disney-Studios den US-Spielfim Tron in die Kinos. Obwohl nur ca. 15 bis 20 mincomputergenerierte Sequenzen eingesetzt wurden, war es doch ein Meilenstein in der Computeranimation.

Was sind die Vorteile von einer 3D Visualisierung?

3D Visualisierungen haben in vielen Bereichen ihre Vorteile. Daher werde ich nachfolgend die Vorteile in Bezug aufden jeweiligen Bereich eingehen.

3D Visualisierung für die Produktentwicklung

In der Produktentwicklung ist es von großem Vorteil, wenn man bereits ab dem ersten CAD Modell auf fotorealistische Abbildungen zugreifen kann. Mit Prototyp-Visualisierungen können Investoren und Entscheider überzeugt werden. Denn die Abbildungen vermitteln schon frühzeitig ein realistisches Bild. Ein weiterer Vorteil ist die Entscheidungshilfe bei Farb- und Materialkombinationen. In vielen Fällen kann die rein optische Begutachtung einer bestimmten Kombination zur Abwahl führen. Hätte man diese vorher nicht per 3D Visualisierung geprüft und stattdessen ein entsprechenden Prototypen anfertigen lassen, dann hätte man viel Geld in den Sand gesetzt.

3D Animation für die Produktentwicklung

Mit einer frühen 3D Animation auf Basis von Konstruktionsdaten lassen sich die Formen und Proportionen sehr gut beurteilen. Auch wird die spätere Funktionsweise einfach und verständlich vermittelt. Technische Hintergründe lassen sich mit einer 3D Animation hervorragend beschreiben. Beispielsweise durch Explosions-Darstellungen.
Illustration auf Basis von CAD

Illustration erzeugt auf Basis von CAD Daten

Produktdokumentation mit Hilfe von 3D Visualisierung

3D Daten bilden die optimale Basis für Dokumentationen aller Art. Funktionsbeschreibung, Bedienungsanleitung oder Reparaturanleitungen. Ohne gute Abbildungen sind diese Unterlagen nichts wert. Nichts ist schlimmer als eine Funktionsbeschreibung mit schlechten oder gar keinen Abbildungen. Sind die Abbildungen hingegen von guter Qualität und stellen den Sachverhalt optimal dar, dann kann der Anwender sie schneller erfassen und umsetzen. Das Rendern der 3D Daten ist nicht nur fotorealistisch möglich. Vielmehr ist es Möglich, Illustrationen zu erzeugen. Der Vorteil: Unwichtige Elemente im Bild blendet man beim Rendern einfach aus. Die einfachen Illustrations-Darstellungen zeigen keine unnötigen Details. Man lenkt den Fokus auf das Wesentliche. Das, worauf es ankommt. Was bei der Produktpräsentation funktioniert, ist für viele Produktdokumentationen Pflicht. Damit meine ich Explosionsdarstellung, Schnittdarstellung oder schematische Darstellung. Mit Illustrationen auf Basis von CAD Daten kein Problem.
3D Visualisierung

3D Visualisierung auf Basis von CAD Daten

3D Visualisierung für die Produktpräsentation

Die fotorealistische Visualisierungvon 3D Modellen hat dazu geführt, dass das Leben einiger Fotografen schwieriger geworden ist. Denn in vielen technischen Bereichen sind 3D Visualisierungen um ein vielfaches günstiger als  ein vergleichbares Shooting. Das betrifftaber nicht nur Shootings in gefährlichen Bereichen oder zum Beispiel aufwändige Shootings für Offshore-Windanalgen. Der Automotive-Bereich war einer der ersten Nutzer dieser Möglichkeiten. Fahrzeuge werden seit dem immer öfter gerändert und nicht fotografiert. Wem wundert es? Betrachtet man den Aufwand einmal genauer.

Dazu ein kleines Beispiel:

Ein Automobilhersteller möchte in einer groß angelegten Kampagne sein neuestes Fahrzeug abbilden lassen. Die Fahrzeugbilder sollen in allen Medien und auf allen Plattformen eigesetzt werden können. Dazu zeichnet die ausführende Agentur ein Bild, in dem das Fahrzeug in urbaner Kulisse zu sehen ist. Das Fahrzeug fährt durch den Großstadt-Jungle. Als Highlight soll es ein zusätzliches Bild geben, in dem das Fahrzeug auf einem Hubschrauberlandeplatz steht, welcher sich auf dem Dach eines Hauses befindet.
Was mag alleine die Erstellung dieser Bilder mit herkömmlichen Mitteln wohl kosten? Das Fahrzeug, der Fotograf, die Crew, die technische Ausrüstung und die gesamte Logistik dahinter. Dazu kommt, dass Straßen abgesperrt und Genehmigungen eingeholt werden müssen. Unvorhergesehene Faktoren, wie beispielsweise das Wetter, können die Kosten weiter in die Höhe treiben.
Jetzt wird schnell klar, warum die Autoindustrie auf 3D Visualisierung setzt. Selbst herkömmliche Produktfotos. In einem Studio produziert. Selbst dann ist die 3D Visualisierung die Alternative zur Produktfotografie. Man benötigt keine Fotostudio (für Fahrzeuge), keine Technik und nicht einmal das Auto. Bei der Fahrzeug-Visualisierung können gleich mehrere Farben, Ausführungen und Ausstattungen gerendert werden. Damit ist der Auftraggeber viel flexibler. Kann sich für seine Kampagne spontan für eine andere Fahrzeugfarbe oder Ausführung entscheiden.

Welche Vorteile hat eine 3D Animation / CGI?

Computergenerierte Filmbilder setzen der 3D Visualisierung so zu sagen noch einen drauf. Das Produkt in bewegten Bildern zu sehen, ist natürlich ein ganz anderes Erlebnis. Interessante Kamerafahrten, ungewöhnliche Blickwinkel und Perspektiven sorgen für Begeisterung beim Betrachter. Mit der passenden Musik und einem abgestimmten Schnitt, kreieren Sie eine Benutzererfahrung mit dem Produkt. Sie erzeugen positive Emotionen. Und es ist ja bekannt: Keine Kaufentscheidung ohne Emotionen.
CGI Produktionen lassen sich also sehr gut für Imagefilme, Produktfilme, Messefilme und Werbespots einsetzten. CGI kann aber noch mehr. Auch bei Filmen und kurzen Videos zur Vermittlung von Informationen sind Computer Generated Imagery super geeignet. Damit lassen sich komplexe Abläufe und technische Hintergründe sehr gut vermitteln. Auch hier lassen sich Schnittdarstellungen, Explosionsdarstellungen oder schematische Darstellungen integrieren. Es ermöglicht Bedienungsanleitungen oder Montageanleitungen zu erstellen, die zum Teil ohne Text auskommen. Das heißt auch, Sie können diese international einsetzen, ohne  Übersetzungsdienstleistungen in Anspruch zu nehmen. Falls man doch nicht ganz ohne auskommen sollte, dann zumindest nur in einem minimalen Umfang.

Warum CGI / 3D Visualisierung für einen Produktkonfigurator interessant ist?

Im Render-Workflow positioniert man das Produkt, setzt das Licht, vergibt die Materialien und passt die Umgebung an. Mit den festen Kamerapositionen steht das fertige Setup. Anders als in der Produktfotografie ist es in diesem Moment dennoch möglich, die Produktausführung, Farben oder Materialien zu ändern. Perfekt um damit die Abbildungen für Produktkonfiguratoren zu erstellen. Die CGI Bilder werden oft als PNG-Dateien gerendert. Der Vorteil: Sie unterstützen Transparenz. Im Produktkonfigurator sind die Abbildungen in Ebenen angeordnet. So liegen zum Beispiel die Abbildungen von verschiedenen Felgen übereinander. Werden entsprechend angezeigt, wenn der Benutzer sie auswählt. Da sich nur an der Position der Felgen Informationen im Bild befinden und der Rest transparent ist, ändern sich optisch nur die Felgen.

Fazit

Mit Hilfe von 3D Visualisierungen und 3D Animationen / CGI werden lassen sich Abbildungen für viele Bereiche erstellen. Vor allem vergleichsweise günstig, schnell und zielgerichtet. Von der der Produktentwicklung, über die Produktdokumentation, bis zur schlussendlichen Vermarktung. Richtig angestellt, überzeugen Sie damit alle Menschen, die mit Ihrem Produkt oder mit Ihrer Dienstleistung in Kontakt kommen.

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