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3D-Pipeline: Wie werden Daten zu 3D-Content?

3D-Pipeline: Vom Datensatz zu 3D-Content
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Warum sind 3D-Modelle fünfdimensional? Und was steckt hinter unserer 3D-Pipeline? Wirf einen Blick in den Maschinenraum der rooom-Plattform.

Wenn man sich online umsieht, könnte man meinen, die Welt sei flach, zweidimensional. Doch in Wirklichkeit ist sie natürlich dreidimensional. Warum sollte das nicht auch im Internet so sein? Fakt ist aber, dass selbst die Webauftritte der innovativsten und modernsten Tech-Unternehmen größtenteils 2D sind.

Warum 3D?

Es fehlt online oftmals die Möglichkeit, Produkte von allen Seiten und im Detail zu betrachten. Es fehlt das plastische Erleben, das Gefühl für die Dimension – und natürlich die Sicherheit, dass ein Objekt in die eigenen vier Wände passt. Für Unternehmen ist es entscheidend, sich von ihren Wettbewerbern abzuheben. Eine innovative Möglichkeit, um dies zu erreichen, ist es eindrucksvolle digitale Erlebnisse in 3D, AR und VR zu kreieren. Doch genau hierfür braucht es eine Plattform und Technologie, mit der man ohne Fachkenntnisse einfach selbst 3D-Content erstellen kann. Genau das hat rooom erkannt. Kern unserer Mission war es daher, eine 3D-Pipeline aufzubauen, die beliebige 3D-Daten webfertig macht, damit diese von Unternehmen für ihre Marketingzwecke genutzt werden können.  

Die Herausforderungen, vor denen wir standen? Die 3D-Inhalte müssen schnell laden und auf jedem Gerät abrufbar sein, damit sie in der Praxis von Unternehmen genutzt werden können. Und 3D-Content ist nicht gleich 3D-Content. Es gibt unterschiedliche Typen von 3D-Daten, die sich nach Kontext, Funktion und Anwendungsfall unterscheiden.  

Es gibt auch die Möglichkeit 3D-Modelle aus 2D-Fotos zu erstellen, wir fokussieren uns in diesem Artikel auf die Verarbeitung expliziter 3D-Daten, die die folgenden Typen haben können.  

3D-Konstruktionsdaten: CAD-Daten umfassen präzise Geometrien, Materialeigenschaften und technische Spezifikationen, die mit CAD-Software erstellt werden, und dienen als Grundlage für die Fertigung und Qualitätskontrolle. Der Fokus liegt auf Funktionalität und hoher Präzision. 

CGI-Daten (Computer Generated Imagery): Diese Modelle besitzen eine extrem hohe Polygonanzahl, hochauflösende Texturen und eine große Datenmenge, was zu einer lebensechten, fotorealistischen Darstellung führt. Sie werden in spezialisierter Software zum rechenaufwändigen Erzeugen fotorealistischer Bilder oder Videos erstellt. Im Fokus hierbei steht die grafische Qualität. 

Echtzeit-3D: Diese Daten werden z. B. für Videospiele, Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) verwendet. Sie ermöglichen eine sofortige visuelle Darstellung und Interaktion ohne Verzögerung oder Latenz, wodurch dynamische und immersive Benutzererlebnisse geschaffen werden. Die Anzeige erfolgt oft mithilfe von leistungsfähigen Grafikprozessoren (GPUs) und spezialisierten Spiele-Engines wie Unity oder der Unreal Engine. Im Fokus steht die Interaktion. 

All diese Anwendungsfälle sind Inseln, man kann 3D-Modelle, die für einen dieser Zwecke gebaut worden sind, nicht ohne weiteres für andere Zwecke verwenden. Da aber jeder Sektor auch von dem anderen profitieren kann, war es unser Ansinnen und der Grundansatz von rooom, Brücken zwischen diesen Systemen zu bauen. 

 

Warum 3D-Modelle eigentlich fünfdimensional sind? 

3D-Modelle sind computergenerierte Darstellungen von Objekten in einem dreidimensionalen Raum, definiert durch ihre geometrische Struktur und Oberflächeneigenschaften. In der 3D-Modellierung werden Oberflächen normalerweise durch Polygone dargestellt, also Dreiecke, die als elementare Flächen zur Darstellung komplexer Geometrien dienen. 

Polygone sind durch Eckpunkte (Vertices) definiert, die durch Kanten (Edges) verbunden sind. Ein einzelnes Polygon bildet eine Fläche, und durch die Kombination vieler Polygone entstehen die Oberflächenstrukturen des Modells. Die Anzahl der Polygone bestimmt sowohl die Detailgenauigkeit der Oberfläche als auch die Berechnungsanforderung des Modells. Materialeigenschaften, wie Farbe, werden in Bildern gespeichert. Um das 2D-Bild mit den 3D-Flächen zu verknüpfen, kombiniert man diese in 5D-Datenpunkten. Bilder, die so an 3D-Modellen hängen, nennt man Texturen. Diese können verschiedene Daten wie Rauheit und Glanz speichern. Damit sind 3D-Modelle üblicherweise fünfdimensional.  

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3 Meilensteine der 3D-Technologie

Doch genauso wie Brückenbauer auf technischen Fortschritt angewiesen sind, brauchten wir Meilensteine in der 3D-Technologie, um dem Ziel unserer Mission näherzukommen. Am Anfang gab es kaum Vereinheitlichungen: Die verschiedenen Typen von 3D-Daten funktionierten unabhängig voneinander, es gab keine standardisierten Formate. Die Möglichkeit zur nahtlosen Integration oder Datenübertragung zwischen verschiedenen Systemen wurde erst durch folgende Entwicklungen möglich: 

  • Vereinheitlichtes Format in der 3D-Industrie: Mit dem Aufkommen des glTF-Formats (Graphics Library Transmission Format), entwickelt von der Khronos Group, hat sich der Datenaustausch zwischen verschiedenen Anwendungen erheblich vereinfacht. Hiermit verbesserte sich die Interoperabilität und Effizienz bei der Übertragung und Nutzung von 3D-Inhalten in webbasierten Anwendungen. 
  • Physically based Rendering (PBR): Mit PBR wurde ein einheitliches System zur Darstellung von Materialien und Oberflächeneigenschaften eingeführt, das auf physikalisch korrekten Prinzipien basiert und eine realistische Darstellung unter verschiedenen Lichtbedingungen ermöglicht. 
  • Webbasierte 3D-Engines: Sie haben es möglich gemacht, 3D-Inhalte direkt im Browser anzuzeigen, schnell verfügbar und ganz ohne zusätzliche Software. Egal ob auf dem PC, Tablet oder Smartphone – diese Engines funktionieren plattformunabhängig, ermöglichen Echtzeit-Rendering und 3D-Content kann via URLs einfach geteilt und auf Webseiten eingebettet werden.  

3D-Pipeline – Wie entsteht ein webfertiges 3D-Modell?

Doch auch nach der Vereinheitlichung von Systemen bleibt ein großes Problem: Trotz Standardisierungen gibt es weiterhin einen Riss im System. Funktionale Anwendungen und Konstruktions-3D-Daten haben einen speziellen Aufbau, der mit webbasierten Anwendungen nicht einfach harmoniert. Die Daten, die im CGI-Bereich genutzt werden, sind so umfangreich, dass sie für interaktive Anzeigen ungeeignet sind. Genau hier entstand der Need für eine “3D-Pipeline”. Bei rooom werden 3D-Daten importiert und durchlaufen diverse Schritte bis sie als 3D-Modelle auf Webseiten angezeigt werden können, dies wird als Pipeline bezeichnet.  

Um webfertige 3D-Modelle aus beliebigen Daten zu generieren, braucht es folgende Schritte. 

1. Datenkonvertierung 

Der erste Schritt in der 3D-Pipeline ist die Datenkonvertierung. Hierbei werden die ursprünglichen Datenformate, z. B. gängige CAD-Dateien in ein einheitliches Zwischenformat umgewandelt. Wir nutzen hierzu glTF, das mit vielen 3D-Anwendungen kompatibel ist. Konstruktions- und Maschinendaten sind aufgrund der benötigten Präzision aus mathematisch berechneten Flächen aufgebaut. Da diese nicht für die fotorealistische Darstellung von Oberflächen geeignet sind, werden solche Flächen im ersten Schritt der Pipeline in Dreiecke konvertiert, um eine effiziente Darstellung in Echtzeit mit erweiterten Materialeigenschaften zu ermöglichen. 

2. Datenreduktion 

Da in der 3D-Modellierung Oberflächen durch Polygone dargestellt werden, erscheinen runde Oberflächen oft nicht glatt, sondern kantig. Um wirklich glatte Oberflächen zu erzeugen, müssen viele Dreiecke verwendet werden, was mitunter zu sehr großen Datenmengen führt, zum Beispiel bei CGI-Modellen. Um 3D-Modelle zu erzeugen, die detailgetreu sind, aber auch keine großen Datenmengen verbrauchen, braucht es den zweiten Schritt der 3D-Pipeline. Datenmengen werden verringert, indem der Detailgrad auf das minimal nötige Maß reduziert wird. Damit die Form und Qualität des Modells aber erhalten bleibt, werden die weniger sichtbaren Bereiche des 3D-Modells besonders stark optimiert. Dadurch lassen sich Datenmengen von Millionen von Polygonen auf Zehntausende runterrechnen. 

3. Datenkompression & Aufbereitung für Echtzeit-3D 

Im nächsten Schritt geht es an die Datenkompression. In der Nachbearbeitungspipeline werden verschiedene Analysealgorithmen verwendet, um Dreiecke zu größeren Dreiecken zusammenzufassen, wobei die Formqualität des 3D-Modells aber weiterhin erhalten bleibt. Das nennt sich Dezimieren. Hierbei muss das Verhältnis der Bildkoordinaten zu den Texturen gleichbleiben oder auf ein simpleres Layout übertragen werden. Anschließend werden die Texturen auf Formatebene komprimiert und in verschiedenen Größen gespeichert. Sollten noch Metadaten, unnötige Materialien oder redundante Informationen im Modell liegen, werden diese entfernt oder komprimiert. Je nach Leistungsfähigkeit und Verbindungsqualität wird die passende Texturgröße ausgeliefert. So ist es möglich, dass die 3D-Modelle qualitativ hochwertig aussehen und trotzdem geringe Datengrößen haben. 

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4. Anzeige in der Plattform 

Nach dem Upload in die Datenbank können die vorbereiteten Daten samt Bildinformationen, genannt, Texturen in der rooom Plattform geladen werden. Für die Anzeige wird ein virtueller 3D-Raum aufgespannt, in dem das Objekt platziert wird. Eine virtuelle Kamera wird erstellt, die sich im Raum bewegen und 60 Bilder/Sekunde aufnehmen kann, Ihre Steuerung ist an das Touchscreen-Input oder die Tastatur bzw. Maus gekoppelt, wodurch Nutzer:innen sie bewegen können. Für die Darstellung der Modelloberfläche wird die Geometrie weiß gezeichnet und mit den Farben aus der BaseColor-Textur eingefärbt. Anschließend wird ein 360 °-Panorama geladen, um die Reflektion auf der Oberfläche des 3D-Modells zu berechnen. Die Roughness-Textur bestimmt, wie verschwommen diese Reflektionen sind, und die Metalness-Textur legt fest, ob bestimmte Bereiche metallisch wirken. 

Lichtquellen in der virtuellen Szene werden einzeln berechnet und auf die Farbe des Objekts addiert. Schließlich wird die Oberflächenfarbe mit dem in den Texturen vorberechneten Licht verrechnet, sodass das 3D-Objekt in vollem Glanz erscheint. Dieser Prozess wiederholt sich 60-mal pro Sekunde für alle Objekte, deswegen ist es so wichtig, dass die Daten sehr stark reduziert sind, um eine optimale Performance zu ermöglichen.  

Einher mit dieser interaktiven Darstellung geht die echte Interaktion mit den Modelleigenschaften, sodass vom Nutzer im Product Editor live Eigenschaften wie Farbe oder Material verändert und getestet werden können.  

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What’s to come? Von webbasiertem 3D bis hin zu KI-generiertem 3D-Content

Einfach zu konfigurierende, virtuelle 3D-Spaces, Geräteunabhängigkeit und hohe visuelle Qualität – das ist, was wir für die nächste Stufe des Internets brauchen. Das Geheimnis dahinter ist, dass wir eine webbasierte Game Engine um ein leistungsstarkes Baukastensystem und eine optimierte Datenbank erweitert und mit einer leicht zu bedienenden Nutzerschnittstelle verknüpft haben. Entstanden ist ein ganzes Ökosystem, in dem man selbst erstellten 3D-Content, wie Objekte oder Räume für verschiedene Szenarien wiederverwenden kann. Und das Beste? Dafür sind keine besonderen Fachkenntnisse nötig. Mit unserer Plattform lösen wir technische Hürden, die User:innen bisher davon abgehalten haben, immersive Technologien zu nutzen, denn sie waren noch nie so leicht verwendbar.  

Ein Dauerbrenner in der Tech-Welt ist das Thema Künstliche Intelligenz (KI). Das hat natürlich auch Auswirkungen auf den 3D-Bereich. Wie sieht es also mit dem Feld KI vs. Menschen in der Erstellung von 3D-Content aus? Aktuell gibt es verschiedenste Forschungen, die untersuchen, inwieweit ganze 3D-Modelle textbasiert erstellt werden können, ähnlich wie in der Bildtechnologie. Noch haben KI-generierte 3D-Modelle aber eine geringe Qualität und Auflösung und können nur simple Oberflächeneigenschaften wie Farbe darstellen. Innerhalb der nächsten 3–5 Jahre ist zu erwarten, dass sich dies massiv ändert.  

Allerdings muss man sich immer der Tatsache bewusst sein, dass KI ähnlich wie Blockchain-Technologie ein massives Performance-Problem hat: Um qualitativ hochwertige Bilder und Texte, die man von modernen KI-Tools gewohnt ist, erzeugen zu können, müssen große Serverfarmen laufen. Sobald der Hype abflaut, wird KI schwerer finanzierbar sein, wenn sich das Verhältnis von Serverlast zu Abos nicht massiv verbessert. Aus diesem Grund ist die Leistungsoptimierung bei gleicher oder höherer Qualität der generierten Inhalte ein großer Schwerpunkt aktueller KI-Forschung. Und im Fall von KI-generiertem 3D-Content? Bei 3D-Modellen kommt noch eine Dimension dazu, das heißt auch die benötigte Rechenlast ist um ein Vielfaches höher. Es wird daher noch etwas dauern, bis das Thema 3D powered by KI an Fahrt aufnimmt. Wir sind aber bereit und freuen uns schon auf die bahnbrechenden Entwicklungen, die KI im 3D-Bereich mit sich bringen wird.  

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Autor

Hendrik Lober

Chief 3D Development Officer (C3DO) bei rooom

Mit insgesamt 14 Jahren Erfahrung im Bereich 3D-Entwicklung und einem Bachelor in Medieninformatik…

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