Wer sich als kreativer Architekt am hart umkämpften Markt behaupten will, muss nicht nur entwerfen können. Mindestens ebenso wichtig ist es, den Bauherrn, den potenziellen Investor oder eine Wettbewerbsjury von den eigenen Ideen zu überzeugen, ein ausgefeiltes Konzept schlüssig und verständlich zu vermitteln. Dabei können Animationen ein nützliches Hilfsmittel sein.
Was mit Computeranimation im »High-End-Bereich« heutzutage möglich ist, kann man mittlerweile in zahlreichen Kinofilmen bestaunen. Die künstlichen Menschen und Monster auf der Leinwand »zum Leben zu erwecken« (lateinisch »animare«), stellt höchste Anforderungen an Hard- und Software sowie an das Know-how der »Animateure«. 3D-Animationen zur Entwurfspräsentation oder als virtuelles Arbeitsmodell lassen sich im Vergleich dazu mit recht bescheidenen Mitteln realisieren. Die meisten modernen CAD-Programme bieten – »von Haus aus« oder in Zusammenarbeit mit einem Zusatztool – die Möglichkeit, neben gerenderten Einzelbildern auch Animationen zu erzeugen.
Animation gleich Animation? Animationen können sich in vielerlei Hinsicht unterscheiden. Ein wesentliches Kriterium ist die »Interaktivität«: Läuft die Animation als Film von vorne bis hinten ab, oder entstehen die bewegten Bilder in unmittelbarer Reaktion auf die Eingaben des Betrachters? Je nachdem, für welchen Zweck die Animation gedacht ist, ist die eine oder andere Art zu bevorzugen – unter der Voraussetzung natürlich, dass die verwendete Software dem Anwender überhaupt die Wahl lässt. So ermöglicht eine als Film inszenierte Animation (im Folgenden als »filmische Animation« bezeichnet), durch geschickte Bildregie die Vorzüge des Entwurfs hervorzuheben und eventuelle Schwächen zu kaschieren. Sie eignet sich deshalb besonders zur Präsen- tation eines Projektes. Bei interaktiven Animationen kann der Betrachter hingegen weitgehend frei entscheiden, wie er sich um oder – je nach den Möglichkeiten der Software – auch durch das virtuelle Gebäude bewegt. Dies ist insbesondere zur Entwurfskontrolle nützlich, da sich beispielsweise eventuelle geometrische Probleme wesentlich leichter entdecken lassen als auf einzelnen Perspektiven oder gar in den 2D-Plänen.
Unterschiede weisen Animationen auch darin auf, was animiert wird. Für die animierte Darstellung von Architekturentwürfen ist zweifellos die bewegte Kamera unentbehrlich. Hier gibt es drei gängige Verfahren, Kamerafahrten zu definieren (s. S. 74). Bewegte 3D-Objekte sind bei vielen auf die Architekturvisualisierung zugeschnittenen Programmen nicht möglich – sieht man vom Drehen des gesamten Modells einmal ab. Bei Gebäuden ist diese Einschränkung in der Regel zu verschmerzen. Aber es gibt natürlich auch Fälle, bei denen die Beweglichkeit (oder Verformung) einzelner Bauteile wesentlicher Bestandteil des Entwurfskonzeptes ist und deshalb in der Animation auch dargestellt werden sollte. Ob man Filmanimationen mit sich in der Szene bewegenden Fahrzeugen oder gar Menschen »belebt«, hängt selbstverständlich davon ab, wen man damit beeindrucken will und ob sich der zusätzliche Aufwand auszahlt.
Die Bewegung von Lichtquellen in der Animation hat in aller Regel den Zweck, Verschattungen im Tages- und/oder Jahresverlauf zu simulieren. Voraussetzung dafür ist, dass die Software die Position der Sonne in Abhängigkeit von geografischer Lage des Projektes, Datum und Uhrzeit automatisch ermittelt. Zur Vollständigkeit soll auch noch ein Spezialfall von »Bewegung« erwähnt werden: das Ein- und Ausblenden von Objekten beziehungsweise Ein- und Ausschalten von Lichtquellen. Programme, die diese Möglichkeit anbieten, erlauben es beispielsweise, einen Bauablauf oder unterschiedliche Beleuchtungssituationen darzustellen.
Bildqualität und Zeitaufwand Die theoretische Obergrenze der mit einem bestimmten Programm erzielbaren Bildqualität von Animationen entspricht der, die dieselbe Software beim Rendering fotorealistischer Einzelbilder liefern kann. Bei filmi- schen Animationen rendert die Software zunächst die einzelnen Bilder des Films und generiert daraus einen Videoclip – was eine ganze Weile dauern kann, wenn man bedenkt, dass für einen zweiminütigen Clip die Berechnung von 3000 Einzelbildern erforderlich ist. Dauert das Rendern eines einzelnen Bildes beispielsweise eine Minute, so ist ein einzelner Rechner mit dem zweiminütigen Filmchen also gut zwei Tage beschäftigt. Bei der Produktion von computeranimierten Filmen kommen deshalb so genannte Renderfarmen zum Einsatz, in denen Dutzende oder sogar Hunderte von vernetzten Rechnern sich die oft mehrwöchige Arbeit teilen. Wer nicht auf solche Hardwareressourcen zurückgreifen kann, muss, um die Wartezeit in vertretbaren Grenzen zu halten, die Qualität der Renderings zugunsten einer schnelleren Berechnung herunterschrauben. Wesentlichen Einfluss auf die Rechenzeit haben die Bildgröße (für die Anzeige auf einem Fernsehgerät genügen 768 x 576 Pixel beziehungsweise 1024 x 576 bei einem Seitenverhältnis 16:9), das »Antialiasing« (Kanten- und Texturglättung), die Anzahl der Lichtquellen, Qualität der Schatten, Transparenz und Spiegelungen sowie spezielle Effekte, etwa die realistische Simulation von Lichtbrechung und -bündelung.
Bei interaktiven Animationen sind technisch bedingt gewisse Abstriche zu machen. Denn dabei wird ein großer Teil der Bildberechnung von der Grafikkarte erledigt, die dazu ihre eigenen Algorithmen verwendet. Zwar kann man die Echtzeitvisualisierung moderner Grafikkarten mit etwas gutem Willen als fotorealistisch bezeichnen, die Ergebnisse hochwertiger Visualsierungstools erreichen die in Sekundenbruchteilen berechneten Bilder aber nicht. Hinzu kommt, dass Programme zum interaktiven Betrachten von 3D-Modellen die Grafikkarte über standardisierte Programmierschnittstellen (meist die plattformunabhängige OpenGL-Schnittstelle, zunehmend auch über Microsofts Direct3D) ansprechen. Da diese Standards dem Stand der Hardwareentwicklung immer etwas hinterher- hinken, können brandneue Features aktueller Grafikkarten meist nicht genutzt werden. Werden neben einer interaktiven Animation nicht ohnehin fotorealistische Einzelbilder in hoher Qualität benötigt, so sollte man überprüfen, welche Visualisierungsparameter in der Echtzeitvisualisierung überhaupt berücksichtigt werden. Unter Umständen braucht man sich beispielsweise bei der Definition von Materialien nicht mit differenzierten Einstellungen für das Reflexionsverhalten einer Oberfläche zu beschäftigen, wenn in der Echtzeitdarstellung der interaktiven Animation ohnehin nur Farben oder Texturen angezeigt werden. Entsprechendes gilt für Anzahl und Art der Lichtquellen, die Parameter der Schattenberechnung sowie für Spezialeffekte.
Weitergabe Dient eine Animation nicht ausschließlich bürointernen Zwecken, so muss bedacht werden, welche Hard- gegebenenfalls Software dem Betrachter zur Verfügung steht. Interaktive Animationen erfordern auf jeden Fall einen PC, dessen Prozessor und Grafikkarte vor allem zur flüssigen Darstellung komplexerer 3D-Modellen nicht älter als zwei Jahre sein sollten. Zudem wird eine Viewer-Software benötigt. Verschiedene Hersteller von CAD- beziehungsweise spezialisierten Visualisierungs- und Animationsprogrammen bieten einen Viewer für ihr eigenes Datenformat an, der kostenlos weitergegeben werden darf. Alternativ kann das 3D-Modell in einem Standardformat exportiert werden. Weit verbreitet ist das Format VRML (Virtual Reality Modeling Language). Es wurde ursprünglich als Standard für die Darstellung von 3D-Daten im Internet entwickelt, zur Anzeige der VRML-Modelle sind zahl-reiche kostenlose Viewer oder Webbrowser-Plugins erhältlich.
Eine erst seit wenigen Monaten verfügbare Lösung zur Weitergabe und interaktiven Betrachtung von 3D-Modellen kommt von Adobe. Der Erfinder des PDF-Formats hat dieses so erweitert, dass es neben Texten und Bildern auch 3D-Daten enthalten kann. Um solche PDFs zu erzeugen, wird das neue Acrobat 3D benötigt, als Viewer dient die aktuelle Version des kostenlosen Adobe Readers. Da letzterer inzwischen auf fast jedem Rechner installiert ist, braucht man sich kaum Sorgen zu machen, dass der Empfänger einer PDF-Datei mit 3D-Daten diese womöglich nicht öffnen und das Modell deshalb nicht betrachten kann. Nützlich ist zudem das im Lieferumfang von Acrobat 3D enthaltene 3D Toolkit. Mit diesem lassen sich unter anderem Objektanimationen erstellen, die im PDF dann als Endlosschleife ablaufen. 3D-Modelle aus Programmen, mit denen sich Acrobat 3D besonders gut versteht (z. B. AutoCAD), behalten beim Import ihre Objekthierarchie. Dadurch ist es möglich, beim Betrachten des Modells im PDF gezielt einzelne Elemente, Gruppen oder Ebenen auszublenden. Modelle aus »unbekannten« Programmen können wie ein Screenshot über die »Druck«-Taste in Acrobat 3D eingefügt werden. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass sie im Open- GL-Modus angezeigt werden, da die Adobe- Software die 3D-Daten direkt aus dem Speicher der Grafikkarte liest.
Filmische Animationen werden üblicher-weise als AVI-, Quicktime- oder MPEG- Videos exportiert. Diese abzuspielen stellt wesentlich geringere Anforderungen an die Computerhardware als das Betrachten interaktiver Animationen. Die benötigte Software ist zudem im Lieferumfang der aktuellen Betriebssysteme bereits enthalten. Bei Bedarf lassen sich die Videos auch auf VHS-Kassette oder DVD überspielen, so dass zur Wiedergabe das praktisch in jedem Wohnzimmer vorhandene AV-Equipment ausreicht.
Standpunkte Der wesentliche Unterschied zwischen interaktiver und filmischer Animation besteht darin, dass in letzterer der Weg der Kamera um und durch das 3D-Modell vorab festgelegt wird. Aber auch bei interaktiven Animationen sollte zumindest eine Kameraposition gesetzt werden, die bei der späteren Ansicht im Viewer als Ausgangspunkt der Erkundung des virtuellen Projektes dient. Viele Viewer erlauben es dem Anwender, zu benannten Kamerapositionen direkt zu springen. Dies setzt jedoch voraus, dass diese Positionen vor dem Export – beispielsweise als VRML- Modell – festgelegt wurden.
Das Setzen von Kamerapositionen ist eigentlich nichts »Animationsspezifisches«, denn dies ist ja beim Rendern von Einzel- bildern genauso erforderlich. Da das Thema im Artikel »Fotorealistisches Rendering« (db 3/2006) jedoch ausgeklammert wurde, soll an dieser Stelle darauf eingegangen werden. Bei den diversen CAD- und Visualisierungsprogrammen werden im Wesentlichen zwei Verfahren verwendet. Das eine behandelt eine Kameraposition (meist nur »Kamera« genannt) als spezielles, in das 3D-Modell gesetzte Objekt, das in den verschiedenen Ansichten in einer symbolischen Darstellung erscheint. Je nach Programm lassen sich Position und Blickrichtung durch allgemeine Transformationsfunktionen (Drehen, Verschieben) ändern, nummerisch durch Parameter der Objekteigenschaften setzen oder mit der Maus durch Ziehen an so genannten Griffen des Kamerasymbols variieren. Auch die Brennweite (beziehungsweise der Bildwinkel) kann meist nummerisch und/oder durch das Verschieben eines »Griffes« eingestellt werden.
Beim anderen Verfahren wird die Kamera durch eine Echtzeitsteuerung mittels Maus oder Tastaturbefehlen verschoben und ausgerichtet. Dieser Methode ist zwar eine gewisse »Intuitivität« nicht abzusprechen, da der aus der Kameraposition resultierende Blick auf das Modell direkt dargestellt wird und gegebenenfalls sofort korrigiert werden kann. Sie hat aber auch einige gravierende Nachteile. So ist es innerhalb von etwas komplexeren Projekten gar nicht so einfach, die Kamera an eine bestimmte Stelle zu bugsieren. Insbesondere dann, wenn die Software kein »Durchwandern« des Modells erlaubt, sondern die Kamera lediglich gedreht, geschwenkt sowie vor und zurück bewegt werden kann. Ausgesprochen lästig kann es auch sein, wenn das Programm das Drehen nicht so einschränkt, dass der Horizont stets waagerecht bleibt. Ist die Kamera erst einmal in Schräglage gekommen, kann es äußerst mühsam sein, sie wieder einigermaßen korrekt auszurichten. Solche Probleme sind ein deutliches Indiz dafür, dass die Software ursprünglich für das Industriedesign oder den Maschinenbau entwickelt wurde. Denn dort ist das Betrachten des virtuellen Prototyps aus allen erdenklichen Blickwinkeln durchaus sinnvoll und zur Kontrolle des Entwurfs sogar meist notwendig.
Kamera läuft! Damit bei filmischen Animationen Bewegung in die Szene kommt, müssen Kamerafahrten definiert werden. Hierfür gibt es drei grundsätzliche Vorgehensweisen, unter denen der Anwender bei einigen Programmen auch wählen kann.
Software, die mit Kamera-Objekten arbeitet, bietet meist die Möglichkeit, die Bewegung über einen so genannten Pfad zu steuern. Dies kann ein 3D-Linienzug oder eine 3D-Freiform-Kurve sein, der/die mit den zur Verfügung stehenden Zeichenwerkzeugen erzeugt und der Kamera zugeordnet wird. Die Blickrichtung ist dabei entweder konstant (meist nicht sinnvoll), identisch mit der Bewegungsrichtung oder kann völlig unabhängig gesteuert werden. Letzteres über einen zweiten Pfad, der aber beispielsweise auch nur ein Punkt sein kann, wodurch sich recht einfach »Rundflüge« um das Projekt realisieren lassen, ohne dass dieses dabei aus dem Blickfeld geraten kann. Einziger Nachteil des Konzeptes: Es ist nicht unbedingt intuitiv und erfordert etwas intensivere Einarbeitung. Sozusagen als Entschädigung bietet es maximale Kontrolle über das Animationsgeschehen.
Die zweite Möglichkeit zur Definition der Kamerabewegung besteht darin, diese über eine Abfolge zuvor gesetzter Kamerapositionen festzulegen, man spricht dabei von einer »Keyframe Animation«. Ausgehend von den vom Anwender gesetzten Kamerapositionen (Keyframes) berechnet die Software die für eine flüssige Bewegung notwendigen Zwischenzustände (Interframes) durch Interpolation der Lagekoordinaten, Blickrichtungsvektoren und gegebenenfalls auch der Brennweiteneinstellungen.
Die dritte Möglichkeit ist den Programmen vorbehalten, bei denen die Kamera in Echtzeit bewegt wird. Sie besteht darin, diese Bewegung direkt aufzuzeichnen. Hier gilt das schon zur Echtzeitsteuerung bei der Festlegung von Kamerapositionen Gesagte: Die an sich einfache, intuitive Methode hat ihre Tücken. Insbesondere, wenn die Software kein »Schneiden« der aufgezeichneten Bewegung erlaubt: »Verfährt« man sich während der Aufnahme, bleibt nichts anderes übrig, als wieder von vorne zu beginnen.
Rundschau Ein Mittelding zwischen filmischen und interaktiven Animationen sind QuickTime VR-Panoramen. Man könnte sagen, es handelt sich dabei um »interaktive Videos«: Im einfachsten Fall wird ein 360-Grad-Panoramabild auf die Innenfläche eines Zylinder projiziert. Der Betrachter »befindet sich« im Zentrum des Zylinders und kann seinen Blick mit der Maus in die gewünschte Richtung lenken. In einem kubischen oder sphärischen Panorama sind auch Schwenks nach oben und unten uneingeschränkt möglich. Frei bewegen in der Szene kann sich der Betrachter jedoch nicht. Allerdings können auch QuickTime VR-Animationen erstellt werden, die Panoramen mehrerer Standorte enthalten. Der Betrachter kann seine Position dann verändern, indem er auf einen so genannten Hotspot im Panoramabild klickt und dadurch zu einem damit verlinkten Standort »gebeamt« wird. Welcher Standort mit welchen anderen Standorten verlinkt ist und wo sich die Hotspots befinden, muss vom »Regisseur« der Animation natürlich vorher festlegt werden.
QuickTime VR hat die Vorteile, dass die Dateien relativ klein sind, eine hochwertige, fotorealistische Darstellung möglich ist und ihre flüssige Wiedergabe keine hohen Anforderungen an die PC-Hardware stellt. Zudem ist die Player-Software kostenlos, zum Betrachten von in Internetseiten eingebundenen Animationen ist ein Webbrowser-PlugIn verfügbar. Durch das Prinzip des Rundumblicks eignet sich QuickTime VR weniger für die Außenansicht einzelner Gebäude, sondern vor allem zur semi-interaktiven Visualisierung von Innenräumen.
Mit einer QuickTime VR praktisch identischen Technik arbeiten übrigens die »GVR-Panoramen«, die das Visualsierungstool des Schweizer CAD-Herstellers Messerli Informatik generieren kann.
Fazit Das Erstellen von 3D-Animationen ist keine Hexerei – zumindest nicht, solange man es dabei mit so unbeweglichen und »groben« Objekten wie Gebäuden zu tun hat. Dennoch ist der erforderliche Aufwand nicht zu vernachlässigen. Wie groß dieser ausfällt, hängt nicht zuletzt vom Komfort der verwendeten Software ab. Auch wenn es das im Büro eingesetzte CAD-System erlaubt, die Planung in bewegten Bildern darzustellen, kann es deshalb lohnen, in eine für diesen Zweck besser geeignete Software zu investieren. Diese kann nicht nur kostbare Arbeitszeit sparen, sondern auch zusätzliche Möglichkeiten eröffnen. Im Übrigen gilt für die 3D-Animation dasselbe wie für das Rendern von einzelnen Bildern: Professionelle Ergebnisse zeichnen sich oft durch die Beschränkung der Mittel aus, die dann aber optimal genutzt werden. jr
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