Colonia3d Abschlussbericht 2009 by Colonia3D

Visualisierung des Rรถmischen Kรถln

Abschlussbericht

Inhaltsverzeichnis Einleitung 3

Aufbau des Berichts

Start des Projektes

Zielsetzung des Projektes

Einrichtungen

Grundstrukturen der Arbeitsgruppen

Vorgehensweise 5

Digitales Geländemodell

Bauteilbibliothek

3D-Modellierung

Die einzelnen Gebäude und Anlagen

Erstellung der Texturen

Visualisierungsstil

Texturen mit Lichtinformation

Echtzeitanwendung 14

Export der Daten an die Echtzeitanwendung

Konvertierung und Optimierung der Modelle

Optimierung der Echtzeitberechnung

Flash-Schnittstelle

Konfiguration per XML

Projektverwaltung 16

Inhalt

Lehrveranstaltungen 17

Colonia-Filmprojekt

Ausstellung Colonia

Interface Design

Publikationen 18

CAA 2007 in Berlin

VSMM 2008 in Limasol/Zypern

Öffentlichkeitsarbeit 19

Pressekonferenzen

Internetauftritt

Lange Nacht der Kölner Museen

Medienecho 20

Zeitungen

Fernsehen

Internet

Resümee 21

Inhalt

Einleitung Aufbau des Berichts

Zielsetzung des Projekts

Der nun folgende Abschlussbericht gliedert sich in neun Kapitel: Im ersten Kapitel wird die Vorgehensweise bei der wissenschaftlichen Rekonstruktion der Gebäude sowie die nachfolgende Konstruktion im dreidimensionalen Raum verdeutlicht. Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit der Echtzeitanwendung und deren Besonderheiten. Die restlichen Kapitel zeigen Entwicklungen, die sich aus dem eigentlichen Kernprojekt entwickelt haben. Schließlich ziehen wir am Schluss Bilanz und geben einen kurzen Ausblick auf zukünftige Perspektiven.

Ziel des Projekts war es, ein interaktives digitales Stadtmodell des gesamten römischen Köln zu erstellen, welches den augenblicklichen Stand der Forschung zur römischen Architektur in Köln einer breiten Interessentengruppe anschaulich präsentiert. Dabei sollten die bereits vorhandenen Kompetenzen im Bereich der Computervisualisierung an allen beteiligten Institutionen ausgebaut und deren Zusammenarbeit verstärkt werden. Das Stadtmodell sollte dabei die Anforderungen einer Echtzeitvisualisierung erfüllen und damit besonders gute Aktualisierungs- und Nutzungsmöglichkeiten bieten.

Start des Projektes Das Projekt startete im März 2006, es entwickelte sich aus einer Lehrveranstaltung der KISD, der Fachhochschule Köln in Zusammenarbeit mit dem Archäologischen Institut der Universität zu Köln. Die Initiatoren des Projektes waren Dipl. Des. Michael Eichhorn und Prof. Dr. Henner von Hesberg. Nach einer Konsolidierungsphase bildete sich ein festes Team von Bearbeiten, welches gemeinsam die anstehende Aufgabe in Angriff nahm.

Einrichtungen Eine der Besonderheiten an diesem Projekt ist die Interdisziplinarität. Die Archäologen und Bauforscher lieferten die Inhalte, die Designer gestalteten die Informationen und erstellten wissenschaftlich korrekte und anschauliche 3DModelle. Die Informatiker ermöglichten durch Bereitstellung und Weiterentwicklung einer speziellen Software die Visualisierung des Stadtmodells in Echtzeit.

Einleitung

Die erste Arbeitsgruppe war am Archäologischen Institut der Universität zu Köln verortet. Von den dort tätigen Bauforschern und Archäologen wurden alle vorhandenen Rekonstruktionen zusammengetragen und unter Berücksichtigung aktueller Befunde und Forschungsergebnisse überarbeitet. Die so gewonnenen Ergebnisse wurden in 2D-CAD-Zeichnungen umgesetzt und waren die Grundlage der 3D-Rekonstruktionen. Die zweite Arbeitsgruppe war an der KISD (Köln International School of Design) der Fachhochschule Köln verortet. Diese Gruppe war hauptsächlich für die Erstellung und Gestaltung des dreidimensionalen Modells verantwortlich. Weitere wichtige Aufgabenfelder sind die Aufbereitung der einzelnen Objekte für die Echtzeitanwendung und das Interfacedesign. Das Römisch-Germanische Museum stellte fachliche Beratung zur Verfügung. So konnten aktuelle Forschungsergebnisse direkt in das Modell einfließen.

Grundstrukturen der Arbeitsgruppen Universität zu Köln Die Leitungs- und Koordinationsaufgaben auf der archäologischen Seite lagen in den Händen von Prof. Dr. Henner von Hesberg. Für die Ausführung der bauforscherischen Arbeiten war Dipl. Ing. Johannes Bäuerlein verantwortlich, er wurde dabei durch Frau Dr. Anette Paetz gen. Schieck unterschützt. Einen wichtigen Beitrag leistete Herr Dr. Ing. Bernhard Irmler, der auch

Projektleitung

Prof. Dr. v. Hesberg

Universität zu Köln

Archäologie

nach seinem Weggang aus dem Amt für Bodendenkmalpflege dem Projekt weiterhin beratend zur Seite stand.

Fachhochschule Köln (KISD) Das Team auf der Seite der KISD bestand am Anfang des Projekts aus einem festen Mitarbeiterstab und einer Gruppe von studentischen Hilfskräften. In der mittleren Phase des Projekts konnte das Team durch die Unterstützung des RGM um einen weiteren festen Mitarbeiter ausgebaut werden. Die Stellenbesetzung wechselte innerhalb der Gesamtdauer, folgende Personen waren dabei für die zweite Arbeitsgruppe tätig: Dipl. Des. Christopher von Bronsart, Dipl. Des. Rafael Pokorski, Dipl. Ing. Christian Rademann, Dipl. Ing. Simone Lamberts.

Hasso Plattner Institut (HPI) Bereits im ersten Projektjahr kam es zu einer Kooperationsabsprache mit dem HPI. Das Team im Fachgebiet Computergrafische Systeme unter der Leitung von Prof. Dr. Jürgen Döllner verfügte bereits über umfangreiche Erfahrung im Bereich der Echtzeitvisualisierung von Stadträumen. Die bisherigen Erkenntnisse der Informatiker bezogen sich aber auf die Darstellung aktueller Architektur der heutigen Metropolen (z.B. Berlin), die römische Architektur stellte somit neue und ganz spezielle Anforderungen an das Team. Für die Programmierung der entsprechenden Software waren Dipl.-Inform. Stefan Maaß und Dipl.Inform. Matthias Trapp zuständig. Sie wurden durch studentische Mitarbeiter bei der Lösung ihrer Aufgabe unterstützt.

Projektleitung

KISD

HPI

Michael Eichhorn

Design

Prof. Dr. Döllner

Informatik Einleitung

Vorgehensweise Digitales Geländemodell Parallel zu ersten Gebäuderekonstruktionen wurde das Geländemodell - sozusagen der Bauplatz für das antike Stadtmodell - vorbereitet. Um die Computerbelastung in Grenzen zu halten, wurde ein Quadrant mit der Seitenlänge von einem Kilometer als Bauebene ausgewählt.

Ausgangssituation Grundlage unserer Arbeit war ein digitales Geländemodell (DGM) des heutigen Kölns. Es bestand aus dreidimensionalen Koordinatenwerten, aus denen wir ein Gitternetz für die weitere Bearbeitung erzeugen konnten. Die einzelnen Punkte lagen dabei in einem regelmäßigen Gitter von 1 m x 1 m. Das Gelände enthielt allerdings noch zahlreiche Veränderungen aus der Neuzeit (Brücken, Tiefgaragen usw.).

ähnlich einer Fotographie retuschiert werden. Anschließend konnte aus der überarbeiteten Höhen-Map das neue Gelände erzeugt werden. Zum Einsatz kam dabei das Displacement Mapping, ein Verfahren, bei dem die Punkte des Gitternetzes entsprechend der Graustufentextur entlang ihrer Normalen, das heißt senkrecht zur Oberfläche verschoben werden. Im nächsten Schritt wurde die Topografie an die vorhandenen Befunde angepasst, wo es keine Daten gab, wurde interpoliert. Diese Korrekturen konnten direkt am Modell durch Verschiebung der einzelnen Punkte erfolgen. Schließlich

Methoden und Werkzeuge Um aus dem heutigen Modell alle bekannten topografischen Veränderungen der Zeitgeschichte zu beseitigen, erzeugten wir eine so genannte Höhen-Map des Geländes. Es handelt sich dabei um ein einfaches Graustufenbild, dabei repräsentieren die einzelnen Graustufen die Höhen des Geländes. Damit konnte das Gelände

Vorgehensweise

wurde der Stadtgraben modelliert, hier kam ein einfaches Sculpting-Werkzeug zum Einsatz. Dieses erlaubt das komfortable Verformen eines Modells, ohne die Notwenigkeit jeden Punkt separat zu manipulieren. Der Einsatz einer HöhenMap lieferte in diesem Fall zu ungenaue Ergebnisse.

Texturen Die Geländetextur unterscheidet sich von den anderen Texturen im Modell, weil hier im Grunde alle wahrgenommenen Details ausschließlich über die Textur transportiert werden. Während der Detailgrad der Gebäude stellenweise kaum durch die Texturierung gesteigert wurde – ein großer Teil der Texturen hebt bereits in der Geometrie vorhandene Details nur farblich voneinander ab – übernimmt die Geländetextur die Darstellung der Details von Grund auf. Es kam darauf an, Straßen, Wiesen, Nutzflächen, Gräben und Schotterflächen von einander zu unterscheiden und die Plastizität der einzelnen Flächen wiederzugeben. Zum Beispiel sind die befestigten Straßen von einem Abfluss und einem Viehtrieb gesäumt. Dieses Detail musste ausschließlich über die Geländetextur sichtbar gemacht werden. In der vorgegebenen Auflösung der Geländetextur (in der Arbeitsdatei 8192px im Quadrat) waren die Straßenabflüsse nur zwei bis vier Pixel breit. Hier ging es also auch um eine effiziente Darstellung der Oberflächenbeschaffenheiten. Die grobe Struktur – also das Straßennetz, Gräbenund Flussverläufe und Ufergrenzen – war durch

einen Vektorplan der Archäologen vorgegeben. Trotzdem musste die Arbeitsdatei flexibel angelegt werden, weil nicht jedes Detail von Anfang an festgelegt werden konnte, sondern die Textur in der Diskussion einige Male überarbeitet werden musste. Daher wurden alle möglichen Detailebenen in Bildebenen unterschieden. Jeder Bereich des Geländes besteht also aus mehreren getrennt bearbeitbaren Ebenen. Die befestigten Straßen zum Beispiel bestehen aus einer Grundebene, die nur die Straßenfläche definiert und die Grundfarbe festlegt, einer zweiten Schicht zur Darstellung der Pflasterstruktur und einer dritten zur Darstellung von Volumen mithilfe von Lichtverläufen.

Ergebnisse Unsere Vorgehensweise lieferte ein sehr genaues Geländemodell, das problemlos die Rekonstruktionen der einzelnen Gebäude aufnehmen konnte. Allerdings muss man sagen, dass eine höhere Genauigkeit, also höher als 1 m x 1 m, in der Innenstadt durchaus wünschenswert wäre. Zur großen Überraschung zeigte sich in dem Topografiemodell der Gegenwart, dass man noch heute das antike Stadtgebiet, also das überschwemmungssichere Plateau, auf dem die Römer die Stadt gründeten, deutlich erkennen kann. Die Form des Geländes führte außerdem oft zu kleineren Korrekturen an den Gebäudekomplexen, insgesamt ließen sich aber die einzelnen Gebäude relativ gut mit dem Gelände kombinieren. Insgesamt hat sich also die heutige Geländeform im Vergleich zu der Römerzeit nicht gravierend verändert.

Bauteilbibliothek Um die Konstruktion der großen Bauten zu erleichtern, wurde im Vorfeld eine Bauteilbibliothek erstellt. Abgesehen von der Arbeitserleichterung wird durch den Einsatz einer Bibliothek das Modell besser normiert. Zu den wichtigsten wieder verwendbaren Bauteilen zählen sicherlich die Kapitelle und Säulen. Des Weiteren ließen sich auch die Bauelemente für die Insulae gut konfektionieren. Unsere Sammlung enthält neben den eigentlichen Bauteilen auch Objektoberflächen, so genannte Texturen und Vorlagen für spezielle Arbeitsschritte (z.B. Beleuchtungsvorlagen).

Vorgehensweise

3D-Modellierung Datenimport Wie eingangs erwähnt, basieren alle wichtigen 3D-Rekonstruktionen der Stadt auf zuvor erstellten zweidimensionalen Plänen. Diese so genannten CAD-Zeichnungen verfügen über eine große Detailgenauigkeit, diese Details müssen beim Import der Daten in die 3D-Anwenung erhalten bleiben, um dies zu erreichen wurden mehrere Verfahren miteinander verglichen. Bitmaps Gewöhnlicherweise werden Bilddaten (z.B. TIFF oder JPEG) als Vorlagen erzeugt und im 3DProgramm in die einzelnen Ansichten (vorne, rechts, oben usw.) geladen. Dieses Verfahren ist einfach in der Handhabung, bietet aber aufgrund der beschränkten Auflösung der Bilder nur eine geringe Detailgenauigkeit (z.B. 8192 x 8192 Pixel). EPS Als Alternative werden häufig EPS- oder PDFDateien eingesetzt. EPS steht dabei für Encapsulated Postscript, beim PDF-Format handelt es sich schließlich um eine Weiterentwicklung des Postscript-Formats. Grundsätzlich kommen hier die graphischen Primitiven wie Linien, Kreise oder Rechtecke zum Einsatz. Die so erzeugte Verktorgrafik ist frei skalierbar und somit auflösungsunabhängig. Allerdings wurde dieser Standard für die Druckindustrie entwickelt, weshalb er nicht die für uns notwendigen Größen unterstützte. Die Gebäudepläne lagen in Originalgröße vor (z.B. mit 50 Meter Breite), eine Skalierung der Daten vor dem Import brachte leider Qualitätsverluste mit sich. DWG Als beste Lösung stellte sich schließlich das DWG-Format heraus. Es wird von vielen CADProgrammen unterstützt und hat keine Probleme bei großen Plänen mit vielen Details. Ein direkter Import der CAD-Pläne hat die 3D-Software überfordert, deshalb waren wir gezwungen, vor dem Import die Daten eines Gebäudes auf das Notwendigste zu reduzieren und sie gleichzeitig auf mehrere Dateien zu verteilen.

Konstruktion der 3D-Modelle Die Konstruktion im 3D-Raum erfolgte hauptsächlich mit Polygonen. Diese Methode gab uns die höchste Kontrolle über die Geometrie und eröffnet gute Optimierungsmöglichkeiten für die Echtzeitanwendung. Einzelne Teile wurden aber auch aus Effizienzgründen mit anderen Modellierungsmethoden erzeugt und anschließend konvertiert. Besondere Anforderungen Die Rekonstruktion der römischen Architektur bringt besondere Anforderungen mit sich. Die Gebäude enthalten in ihrer ornamentalen Erscheinungsform zahlreiche Details, diese sind fast für die Hälfte der Gesamtlast im Modell verantwortlich. Durch den konsequenten Einsatz von polygonsparenden Verfahren und einer vorausschauenden Arbeitsweise konnte trotzdem ein detailreiches Stadtmodell erstellt werden. Vergleich verschiedener Verfahren Bei der Polygonmodellierung besteht jede Fläche aus einer Vielzahl von kleinen Dreiecken. Die Objekte werden ausschließlich durch ihre Oberflächen abgebildet und können besonders schnell von Computern dargestellt werden. Die schnelle Berechnung gehört zu den wichtigsten Argumenten für dieses Verfahren. Mit dieser Methode erzeugte Objekte können fast alle Formen abbilden, nachträgliche Änderungen des

Vorgehensweise

Bauteils können aber einen erheblichen Arbeitsaufwand verursachen. Ein weiteres Modellierungsverfahren beruht auf volumetrischen Körpern (Solid Geometry), mit Hilfe von einfachen parametrischen Grundkörpern und logischen Operatoren können dabei komplexe Elemente erzeugt werden. Der prozedurale und parametrische Ansatz erlaubt eine exakte Berechnung und eine nachträgliche Änderung der Körper. Die so erzeugten Objekte müssen allerdings am Ende der Konstruktion in Polygone umgewandelt werden, eine direkte Einbindung in die Echtzeitumgebung ist nicht möglich. Bei der Konvertierung entstehen Körper mit einer sehr hohen Anzahl von Dreiecken, weshalb eine nachträgliche Optimierung oft notwendig ist. Umgang mit komplexen Strukturen Große Stadtmodelle erfordern eine gute Planung vor der eigentlichen Umsetzung. Einerseits müssen die einzelnen Bauten optimiert werden, andererseits muss auch der Aufbau der Gesamtszene wohlüberlegt sein. Nur so bleibt der Speicherbedarf des Gesamtmodells in einem ertragbaren Rahmen. Grundsätzlich ist der Einsatz einer 64-Bit Arbeitsumgebung sinnvoll, diese Rechnerkonfiguration erlaubt im Augenblick den Einsatz von 4 bis 8 GByte Hauptspeicher. In der nahen Zukunft werden wohl auch Maschinen mit 16 GByte RAM preislich attraktiv sein. Trotzdem ist der sparsame Umgang mit den Ressourcen angebracht. Diese Werte beziehen sich aber nur auf die Konstruktionsumgebung, die finale Echtzeitanwendung muss definitiv mit weniger Ressourcen auskommen, dazu später mehr. Optimierung der Geometrie Ein wesentlicher Punkt ist dabei die konsequente Instanzierung sich wiederholender Elemente. Viele Schmuckelemente, Geländer, Fenster

oder Türen finden mehrfach Verwendung und bieten sich für diese Maßnahme an. Bei der Instanzierung wird das Bauteil nur einmal in der Szene platziert, die zahlreichen Kopien enthalten nur einen Verweis auf das Quellobjekt, diese Verknüpfungen verbrauchen dabei wesentlich weniger Speicher als echte Kopien. Runde Elemente wie Bögen bestehen bei Polygonmodellen aus einer Annäherung mit geraden Segmenten, die automatische Annäherung kann dabei durch manuelles Eingreifen mit Hinsicht auf die Komplexität der Elemente deutlich verbessert werden. Des Weiteren standen Objekte in der Bauteilbibliothek in verschiedenen Auflösungsstufen zur Verfügung, je nach Bedarf konnte der Bearbeiter die entsprechende Stufe auswählen und einbauen. Optimierung des Gesamtmodells Das Gesamtmodell der Stadt wurde in ca. 60 Grundstücke aufgeteilt, die wichtigen Parzellen lagen dann als separate Dateien vor und wurden getrennt bearbeitet. Die Hauptdatei enthielt nur das Gelände, das Straßennetz und die Profanbebauung der Stadt. Bei ebenen Grundstücken wurde nachträglich die Polygonanzahl stark reduziert. Für Verwaltungszwecke eignet sich die Aufteilung aller Objekte in einzelne logische Gruppen (Ebenen), die später während der Bearbeitung gezielt ausgeblendet werden können. Diese Maßnahmen waren nötig, weil das Bearbeitungsprogramm das Stadtmodell in seiner Gesamtheit nicht laden konnte. Abgesehen davon benötigt man für die effiziente Arbeit am Modell schnelle Reaktionszeiten seitens der Software.

Vorgehensweise

Die einzelnen Gebäude und Anlagen Im Rahmen des Projekts entstanden sechs große Gebäu derekonstruktionen, die wir im Anschluss ausführlicher behandeln. Zusätzlich wurde auch die komplette Befestigungsanlage der Stadt konstruiert, dazu zählen vier große und fünf normale Stadttore, zwanzig Türme und die dazwischen liegenden Stadtmauerabschnitte. Gebäude, bei denen keine ausreichende Befundlage vorhanden war, wurden als Volumenkörper ins Modell eingefügt, dazu zählen beispielsweise die gallo-römischen Umgangstempel oder das große Badehaus. Die restliche Profanbebauung (Insulae) besteht ebenfalls aus Volumenkörpern, die von einer stilisierten und reduzierten Vegetationsdarstellung ergänzt werden. Schließlich enthält das Modell auch Bauten, die sich außerhalb der Stadtmauer befanden, es handelt sich hier hauptsächlich um Gräberfelder an den Hauptausgangsstraßen. Im folgenden Abschnitt wollen wir kurz die wichtigsten Rekonstruktionen der virtuellen Stadt erläutern.

Dionysosvilla Es handelt sich hierbei um ein repräsentatives Wohnhaus mit etwa 2600 m2 Grundfläche.

In der Mitte liegt das große Peristyl mit einem etwa 530 m2 großen Garten. Der Festsaal war mit dem im Römisch-Germanischen Museum ausgestellten Dionysosmosaik geschmückt. Es handelt sich hier um die genaueste Rekonstruktion eines Wohngebäudes innerhalb des Stadtmodells, sie enthält bereits auch die wichtigsten Elemente des Innenraums. Viele Entscheidungen, die das endgültige Aussehen des Gebäudes bestimmen, wurden in diesem Fall erst bei der 3D-Konstruktion getroffen. Bei der einfacheren Wohnbauarchitektur kann diese Arbeitweise im 3D-Raum durchaus Vorteile bieten.

Kapitolstempel Der Kapitolstempel befand sich an der Stelle der heutigen Kirche St. Maria im Kapitol. Der Tempel wurde vermutlich in der ersten Hälfte des 2. Jhs. n. Chr. erbaut. Die Podiumsgröße beträgt circa 41 m x 29,5 m, die rekonstruierte Gesamthöhe etwa 30 m. Der umgebende Tempelhof maß

etwa 90 m x 69 m. Dieses wichtige Gebäude zählt nicht nur zu den imposantesten Bauten des römischen Köln, sondern auch zu den aufwendigsten Modellen innerhalb der virtuellen Stadt. Es war das erste große vollendete Modell im Projekt und diente deshalb immer auch als Versuchsobjekt für neue Techniken und Methoden. Es ist geometrisch sehr komplex und enthält auch zahlreiche aufwendige Texturen. Besonders eindrucksvoll ist sicherlich die Ausarbeitung des Giebeldreiecks.

Vorgehensweise

Ara Ubiorum

Forumshalle

Das Heiligtum der Ara Ubiorum war der wichtigste sakrale Platz im Opidum Ubiorum und findet sich auch später in der Namensgebung der Kolonie wieder (Colonia Claudia Ara Agrippinensium). Der dargestellte Komplex lag etwa

An der Westseite des Forums lag eine halbrunde, vermutlich zum Platz hin offene Säulenhalle mit 141 m Durchmesser. In ihrem Untergeschoss befand sich ein so genannter Cryptoporticus, der als zweischiffige Säulenhalle ausgeführt war.

in der Mitte der Rheinfront des römischen Kölns. Er wurde in dieser Form vermutlich Ende des 1. Jhs. n. Chr. errichtet. Die Komplexität des Gebäudes ist geringer als die des Tempels, die große Grundfläche der Anlage verursacht aber einen hohen Texturverbrauch.

Die Größe, die halbrunde Form und die hohe Anzahl an Kapitellen verursachten erhebliche Probleme bei der Konstruktion, als Belohnung erhielten wir aber ein visuell äußerst attraktives Gebäude im Herzen der Stadt.

Prätorium

Es handelt sich um das einzige Stadttor in der nördlichen Stadtmauer mit einer Breite von 30,5 m. Das Tor weist eine Hauptdurchfahrt (5,6 m) auf mit einem Fallgitter und zwei schmaleren seitlichen Durchgängen (1,9 m). Am Hauptbogen findet sich der abgekürzte Name des römischen Köln CCAA.

Das Prätorium ist der Sitz des vom Kaiser eingesetzten Statthalters. Er hatte den Oberbefehl über die in der Provinz stationierten Truppen und war gleichzeitig auch für die zivile Verwaltung verantwortlich. Das Modell enthält die

Nordtor

Römerturm

letzte und vierte Bauphase des Prätoriums. Neben den Verwaltungsgebäuden schließt auch eine große Basilika an das Hauptgebäude an.

Der so genannte Römerturm ist der nordöstlichste Eckturm der Stadtbefestigung. Er hat einen Durchmesser von 9,2 m. Seine Außenseite ist mit mosaikartigen Einlegearbeiten aus Kalkstein, Sandstein und Trachyt geschmückt. Dieses besondere Schmuckelement wurde weitgehend rekonstruiert und als hoch aufgelöste Textur eingebaut, so wird auch das Betrachten von sehr feinen Details ermöglicht.

Forum Das Forum bildet den zentralen Platz im römischen Köln. Der Platz wurde nach der Koloniegründung monumental ausgebaut und erhielt ein Pflaster aus Steinplatten. Im Norden und Süden stehen zwei große Marktgebäude, im Osten schließt eine dreischiffige Forumsbasilika den Platz ab.

Vorgehensweise

Gräberstraße Die Begräbnisplätze lagen außerhalb von den Mauern der Stadt entlang der Verbindungsstraßen in das Land. Die Monumente mit Inschriften und reichem Skulpturenschmuck standen dabei unmittelbar am Rand der Straße, so dass

sie von Passanten leicht zu sehen waren, die bescheideneren Anlagen befanden sich dahinter. Insgesamt wurden fünf Gräberstraßen/-felder erstellt, große, aufwändige Gräber befanden sich ausschließlich an den vier großen Zugangsstraßen (Luxemburger-, Severin-, Neusser- und Aachenerstraße). Aus technischen Gründen konnte bislang als repräsentatives Beispiel nur die Luxemburgerstraße in das Echtzeitmodell implementiert werden.

lungen ihre häufigste Anwendung. Viele Fenster, beispielsweise am Ara Ubiorum oder am Prätorium sind mit pompejanisch Rot gefasst. Rote Linien finden sich an den entsprechenden Gebäudekanten. Die Profile und Zahnschnitte sind farblich vom Untergrund abgesetzt. Beide Gebäude werden, wie auch das Dyonisos-Haus, von einem roten Band am unteren Gebäuderand optisch gestützt. Die Innenwände der beiden Ara-Hallen sind durch farbige Rahmen in Abschnitte unterteilt. Gleiches trifft auf den Rundportikus am Marktplatz zu. Die Kapitelle bestehen aus diversen floralen Einzelteilen, die sich farbig von dem Korb absetzen und auch in sich farbig gestaltet sind. Die Pläne für die Gebäudebemalung sind zum Teil auf der Grundlage derselben CADZeichnungen angefertigt worden, die auch für die 3D-Rekonstruktion zum Einsatz kamen; zum größeren Teil aber wurden sie auf der Basis von Bildern der untexturierten 3D-Modelle angefertigt. Die farbliche Gestaltung eines Gebäudes wurde also erst geplant, nachdem das Modellieren des Gebäudes abgeschlossen war. Das Gebäude wurde dann mit einem neutralen Grau gefärbt und mit ebenso neutralem Licht berechnet. So hatten wir gute Vorlagen, die wir in di-

Wasserleitung Die dargestellte zweite Bauphase der Wasserleitung versorgte die Stadt ab dem Ende des 1. Jhs. n. Chr. Ihre Länge betrug 95,4 km und sie förderte in optimalem Zustand etwa 200 Liter pro Sekunde. Schätzungen zufolge war sie etwa 190 Jahre in Betrieb.

Erstellung der Texturen Auch die Texturierung der Modelle erfolgte in enger Abstimmung mit Bauforschern und Archäologen. Die Texturen dienen grob gesagt zur Gestaltung der Geometrie-Oberflächen des 3D-Modells. Es gibt einige Anwendungsarten, denen sich die Oberflächen des 3D-Modells des römischen Köln zuordnen lassen: Gebäudebemalung, Ornamentwiedergabe (Friese und Reliefe), Strukturwiedergabe (Bodenkacheln, Dachschindeln), Wiedergabe von natürlichen Oberflächen (Landschaftsdarstellung, Hecken) und die Darstellung von eingesparter Geometrie (z.B. Kaneluren an Säulen). Die Texturen finden in der Darstellung von Gebäudebema-

Vorgehensweise

rekter Zusammenarbeit im Gespräch vor Ort mit den Archäologen einfärben konnten. Mit der Bildbearbeitungssoftware und einem Grafiktablett wurden die Gebäudeteile, aufgeteilt in einige Bildebenen, farbig gefasst.

Ornamentik Zur Rekonstruktion der Ornamentik lagen als Vorlagen meistens schwarzweiße Fotos von realen Fundstücken vor. Diese Fotos zeigten stark korrodierte Reliefe, deren Details stellenweise schwer zu erkennen waren. Glücklicherweise handelt es sich bei den meisten der rekonstruierten Ornamente um Stäbe oder Friese, die sich durch die Wiederholung weniger meist floraler Elemente ergeben.

Die meisten Ornamente sind im Modell durch eine Textur dargestellt. Nur solche Details, die Profil bilden, wie zum Beispiel die Details an den Kapitellen oder Zahnschnitte an vielen Dachkanten, wurden modelliert. Ornamente, die aus wiederholten Elementen bestehen, wurden durch das Nachbilden eines Abschnitts und anschließende Kachelung erzeugt. Die Zuweisung der Ornamente an die entsprechenden Gebäudeelemente wurde in Absprache mit dem wissenschaftlichen Mitarbeiter der Archäologen vorgenommen. Die Ornamente ordnen sich der Farbgebung des Gebäudes unter. Es gibt also keine grundsätzliche Übereinstimmung von Ornament und Farbe.

Die Reliefe der Ornamente bestehen immer aus einer Grundfläche und aus einem davor erhabenen Objekt. In unserer Rekonstruktion ist der Grund in der Regel farbig und das Objekt setzt sich weiß davon ab. Dadurch scheint das Relief vor dem Grund zu schweben. Die Ornamente befanden sich immer an den Profilbändern, die zur Gliederung der Gebäude verwendet wurden. Zum Beispiel besteht der Architrav eines Stockwerks in der Regel aus solchen übereinander angeordneten Profilen. Diese Profile wurden farblich gefasst und durch die verschiedenen Ornamente gegliedert.

Texturkoordinaten UV-Mapping ist eine Technik, um zweidimensionale Bilder, Texturen genannt, auf einen dreidimensionalen geometrischen Körper zu übertragen. Jeder Punkt eines Polygons bekommt so zweidimensionale Koordinaten zugewiesen, die bestimmen, welcher Teil des Bildes für das Polygon verwendet wird. Diese Informationen heißen Texturkoordinaten oder kurz UVs. Der Vorgang zum Erstellen der UV-Map heißt “unwrap” (auseinanderfalten), da es einem Auseinanderfalten der Objekte auf eine zweidimensionale Fläche entspricht. Man kann sich die UV-Map also als eine Art Hülle vorstellen, die exakt wie eine Haut um das 3D-Objekt liegt. Zusammen-

fassend kann man sagen, dass die UV-Map eine Art Schablone ist, die der 3D-Software genau vorschreibt, wo die später zugewiesene Textur auf dem Objekt platziert werden muss. Alle Objekte des Stadtmodells enthalten entsprechende Texturkoordinaten, die Erstellung dieser Koordinaten muss leider zum großen Teil immer noch manuell erfolgen. Bei der beträchtlichen Anzahl an Gebäuden in einer Stadt verursacht dieser Arbeitschritt einen erheblichen Zeitaufwand. Es ist zu hoffen, dass in der Zukunft neue, effizientere Verfahren entstehen und sich so der enorme Aufwand weiter verringern lässt.

Vorgehensweise

Texturen mit Lichtinformation

Visualisierungsstil Das virtuelle Stadtmodell ist ein dreidimensionales Informationssytem, hier kam es darauf an eine Erscheinungsform zu wählen, die einen einfachen und schnellen Zugriff auf diese Informationen erlaubt. Im Gegensatz zu Abbildungen von modernen Gebäuden ist die realistische Darstellung von Spiegelungen bei Glas und Metall hier nicht notwendig. Wichtig war hingegen die monumentale und plastische Wirkung der großen Gebäude. In Absprache mit den beteiligten Archäologen entstand eine abstrahierte Darstellung mit einer reduzierten Farbpalette. Diese Palette enthält gerade noch so viele Farben wie wir benötigen, um die im Modell dargestellten Materialien wie Kalkstein, geschlemmten Stein oder Holz zu unterscheiden und die Bemalungen der Gebäude wiederzugeben. Dabei ist es wichtig zu erwähnen, dass es nicht »die richtige Farbe« gibt. Vielmehr gilt es, einen sinnvollen Farbeindruck zu erzielen. Farben hängen immer voneinander und von der Lichtsituation ab, in der sie gezeigt werden. Die gesehenen Farben werden also auch von dem Licht beeinflusst, dass das virtuelle Modell ausleuchtet. Zu Beginn der Texturierungsarbeiten haben wir die Farbpalette daher einige Male an die sich ebenfalls entwickelnde Lichtsituation anpassen müssen. Das Ergebnis ist ein abgestimmter Licht-Farb-Komplex.

Durch das Abspeichern der Lichtinformation in Texturen ist man in der Lage, die komplexen Berechnungen der Beleuchtung (Lichtbrechung, Reflexion, Bumpmapping etc.) in einer Textur abzulegen. Das hat den Vorteil, dass auch aufwendigere Lichtverhältnisse dargestellt werden können, die in Echtzeit nicht zu erreichen wären, oder mit hohem Performance-Verlust verbunden wären. Stattdessen speichert man die Informationen darüber, wo Licht auf ein Objekt trifft, direkt zusammen mit den Farbinformationen in der FarbTextur ab und muss nur noch diese eine Textur in Echtzeit darstellen lassen. Es ist, als würde man die Szene berechnen, nur eben nicht als Bild aus der Sicht einer Kamera, sondern als Bild aus der Sicht der Oberflächen. Anschließend projiziert man die fertigen Bilder auf die einzelnen Objekte. Das Ergebnis ist eine eindrucksvolle Darstellung mit hoher Performance. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt sicherlich in den aufwendigen Vorarbeiten. Um die Lichtinformation zu speichern, benötigt man zusätzliche Texturkoordinaten bei allen Objekten. Wie bereits oben erwähnt, ist dieser Arbeitsschritt leider sehr aufwendig. Die ausgiebige Recherche nach alternativen Spezial-Tools für diesen Zweck brachte leider keine positiven Ergebnisse. Der steigende Bedarf in der Wirtschaft wird hier aber sicherlich bald zu Neuentwicklungen führen.

Vorgehensweise

Echtzeitanwendung Export der Daten an die Echtzeitanwendung Zu Beginn des Projekts wurden verschiedene 3D-Datenformate für den Datenaustausch untersucht, nur das damals recht neue ColladaFormat erfüllte alle Anforderungen. Bei Collada handelt es sich um einen auf XML basierenden offenen Standard, der von einer Vielzahl von internationalen Hardware- und Softwareherstellern unterstützt wird. Das Format enthält alle wichtigen Funktionen, die für den Austausch benötigt werden, sichert den Zugriff auf die erstellten 3D Modelle auch für zukünftige Anwendungen und wird außerdem von vielen wichtigen 3D-Applikationen unterstützt. Die offene Spezifikation erlaubte eine schnelle Integration der Importfunktion in die Echtzeitanwendung. Das Format hat sich in der Zwischenzeit zum Standard etabliert.

Konvertierung und Optimierung der Modelle

so neu angeordnet, dass die Grafikkarte sie optimal verarbeiten kann. Objekte, die über gleiche Eigenschaften verfügen, formen dabei eine Gruppe und werden hintereinander berechnet. Im dritten Schritt folgen Optimierungen, die den Zugriff auf die Modelle im Grafikkartenspeicher verbessern, und schließlich werden die Texturen der Gebäude komprimiert; das verringert den Speicherbedarf auf der Grafikkarte und verbessert die Transfergeschwindigkeit zwischen Haupt- und Grafikkartenspeicher.

Clean-Up Mesh & Bake Transformation Binary File Format Create Index Mesh

Vertex-Chache Optimization Batch Segmentation File Format

Compress Textures

Die Modelle durchlaufen vor dem Einbau in die Echtzeitanwendung eine Reihe von Optimierungen. Als erstes werden aus den Daten alle überflüssigen Informationen herausgefiltert. Im nächsten Schritt werden die Elemente der Szene

Echtzeitanwendung

Optimierung der Echtzeitberechnung Wie oben bereits erwähnt, haben wir die Lichtberechnungen in den Texturen abgespeichert. Deshalb kann in der Echtzeitanwendung die Lichtberechnung deaktiviert werden und die Grafikkarte muss sich nur noch um die Erzeugung der aktuellen Kameraperspektive kümmern. Bei der hohen Anzahl der Polygone in den Szenen ist dies eine immer noch sehr anspruchvolle Aufgabe.

Konfiguration per XML Viele Einstellungen in der Echtzeitanwendung können über eine XML-Datei konfiguriert werden, dieser Ansatz in Kombination mit der FlashSchnittstelle ermöglicht schnelle Anpassungen und Änderungen in der Gesamtanwendung. So können beispielsweise recht einfach weitere Sehenswürdigkeiten mit neuen Kamerapostionen definiert werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit neue Gesamtszenen zu laden, so könnten auch Innenräume der Gebäude bei Bedarf geladen werden.

Flash-Schnittstelle Um die 3D-Visualisierung mit zusätzlichen multimedialen Informationen zu ergänzen, wurde eine Schnittstelle für Adobe Flash implementiert. Damit können wir Inhalte, die nicht direkt im 3D-Modell untergebracht werden können, unabhängig entwickeln. Die Flash- und die Echtzeitanwendung können dabei kontinuierlich Daten untereinander austauschen und sich so gegenseitig beeinflussen. In der Anwendung, die für die Lange Nacht der Museen entwickelt wurde, dient Flash zur Steuerung und zur Präsentation von kurzen Zusatztexten. Auf einem Touchscreen bekommt der Benutzer die Möglichkeit, vordefinierte Kamerafahrten abzurufen. Eine Grundrisskarte der Stadt liefert dabei einen guten Überblick über die wichtigsten Sehenswürdigkeiten. Nach der Ankunft der virtuellen Kamera am Ziel werden auf dem Touchscreen entsprechende Informationen eingeblendet. Um das Gebäude genauer zu erkunden, kann der Benutzer sich mit einer so genannten Spacemaus frei im 3D-Raum bewegen.

Echtzeitanwendung

Römerturm

Nordtor

53 15 17

51a

Marstor

23 49a 25

49 27 45

Ubiermonument

Südtor

37 33

Projektverwaltung

ei der Arbeit an einem großen Stadtmodell ist die sinnvolle Organisation der Ablagestrukturen sehr wichtig. Nach der Planung der Projektabläufe konnte eine erste Ablagestruktur definiert werden, leider unterliegt die Projektplanung ständigen Korrekturen, nicht alle erforderlichen Prozesse und Arbeitspakete können am Anfang vollständig definiert werden. Die Ablagestrukturen müssen also entsprechend angepasst werden. Zusätzlich wurden auch Konventionen für die Benennung der Daten eingeführt. Besonders wichtig ist es, den Mitarbeitern den Sinn und Nutzen dieser Regeln bewusst zu machen. Nur wenn alle Beteiligten

die Regeln konsequent anwenden, kann eine konsistente Ablagestruktur entstehen. Mit studentischen Hilfskräften oder freien Mitarbeitern sind solche Maßnahmen nicht immer umzusetzen, so kam es im Projekt leider auch vereinzelt zu Unregelmäßigkeiten. Für alle Arbeitspakete wurden Zwischenabnahmen durchgeführt, diese prüften die Ergebnisse hinsichtlich bauforscherischer und technischer Korrektheit. Durch frühzeitige Korrekturen können Fehler rechtzeitig vermieden werden; auch wenn dadurch ein vermeintlicher Mehraufwand entsteht, sparen diese Maßnahmen doch letztlich Arbeit ein.

Projektverwaltung

Lehrveranstaltungen

n Zusammenhang mit dem Forschungsprojekt sind auch studentische Arbeiten enstanden, die Projekte stammen aus verschiedenen Fachbereichen und wurden unter wechselnden Leitungen realisiert. Die Teilnehmer der Projekte waren wechselnde StudentInnen gemischter Semester mit unterschiedlichen Vorkenntnissen. Die Zeitrahmen für die Bearbeitung waren langfristig, mittelfristig oder kurzfristig.

Colonia-Filmprojekt In Zusammenarbeit mit dem Forschungsprojekt „Das römische Köln“ und den Unternehmen Cine+ und Bluespace (beide aus Köln) wurde im Rahmen eines langfristigen Projektes ein kurzer Reenactment-Film erstellt, in welchem Teile der bereits fertigen 3D-Rekonstruierten mit realen Darstellern kombiniert wurden (Virtuelles Studio). Hierbei wurde der gesamte Prozess des audiovisuellen Arbeitens durchlaufen, dazu zählen die inhaltliche Entwicklung, die gestalterische Planung, die Produktion bis hin zur Postproduktion.

konz e p t „ Rom am Rhe in“

Ausstellung Colonia In dem Projekt “Ausstellung Colonia“ wurden Ausstellungskonzepte entwickelt, in denen mediale, interaktive, gestalterische und inhaltliche Aspekte zusammenfließen.

Interface Design Im diesem Projekt beschäftigten sich die StudentInnen mit der Visualisierung von archäologischen Forschungsergebnissen mit Hilfe von 3D-Anwendungen und entwickelten InterfacePrototypen.

Lehrveranstaltungen

Publikationen CAA 2007 in Berlin Im April 2007 auf der Fachtagung CAA (Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology) wurden die Projektergebnisse dem internationalen Fachpublikum vorgestellt. In Zusammenhang mit dieser Veranstaltung wurde eine Publikation mit dem Titel „Visualization Project of Roman Cologne - How to Make VR models Available for Scientific Work“ ausgearbeitet.

VSMM 2008 in Limasol/Zypern Im Oktober 2008 wurde das Projekt erneut dem Fachpublikum präsentiert, diesmal auf der VSMM (14th International Conference on Virtual Systems and MultiMedia). Stefan Maaß aus der Nachwuchsforschergruppe des HPI stellte dort mit dem Beitrag „Techniques For The Interactive Exploration Of High-Detail 3D Building Reconstruction Using The Example Of Roman Cologne“ das interdisziplinäre Projekt vor.

FMX 09 in Stuttgart Im Mai 2009 stellte das Colonia3D-Team das Forschungsprojekt auf der fmx in Stuttgart vor. Die fmx ist eine jährlich stattfindende Konferenz für Experten und Interessierte aus den Bereichen Animation, Visual Effects, digitale Postproduktion, Games und Mobile Entertainment. Der Vortrag bot einen umfangreichen Einblick in alle Aspekte der Vorgehensweise bei der Rekonstruktion des römischen Kölns.

Publikationen

Öffentlichkeitsarbeit Pressekonferenzen Jeweils zum Jahresende, insgesamt also dreimal, wurde ein Pressetermin angesetzt, in dem die Ergebnisse des Forschungsprojekts der Presse und der interessierten Öffentlichkeit vorgestellt wurden. Besonders erfolgreich verlief dabei die Endpräsentation, es folgte eine sehr positive und starke Medienreaktion auf die Veranstaltung.

Internetauftritt Das Projekt präsentiert sich und die Ergebnisse selbstverständlich auch im Internet (www.colonia3d.de). Auf professionellen Internetseiten können sich interessierte Personen über die Vorgehensweise, die Teammitglieder und die Echtzeitanwendung informieren. Auch wenn die Anwendung selbst aus technischen Gründen nicht im Internet lauffähig ist, der Ressourcenund Speicherverbrauch wäre einfach zu groß, können sich die Besucher in der Mediathek ein umfassenden Bild über die römische Stadt machen.

Lange Nacht der Kölner Museen In dieser Veranstaltung wurde erstmals die digitale Rekonstruktion des „Römischen Köln“ ausgestellt und für die breite Öffentlichkeit virtuell erlebbar gemacht. In Rahmen einer Ausstellung präsentierte das Team die virtuelle Stadt auf einer großflächigen Projektion, zusätzlich wurde ein interaktiver Tisch aufgebaut, mit dem die Besucher wichtige Punkte direkt ansteuern konnten

Öffentlichkeitsarbeit

Medienecho

ie Medienresonanz entwickelte sich über die gesamte Projektdauer überaus positiv. Besonders im letzen Abschnitt der Projektdauer, also am Ende des vergangenen Jahres, bekamen wir viel Aufmerksamkeit, auch in der überregionalen Presse.

Internet Im Netz erschienen zahlreiche Beiträge zum Thema, der Aufbau einer eigenen umfangreichen Internetpräsenz brachte hier sicherlich den Durchbruch. Wichtige Anbieter wie Spiegel-Online oder Heise-Online berichteten ausführlich über das Projekt. In Folge ist teilweise unsere Internetseite durch die große Anzahl der Abrufe zusammengebrochen.

Fernsehen Auch im Fernsehen liefen Beträge über das Projekt, unter anderem im ZDF und 3sat. In Interviews konnten die beteiligten Projektmitglieder über die Arbeit am Projekt berichten. Es wurden aber auch Videoaufzeichnungen der Echtzeitanwendung vorbereitet, die dann von den Redaktionen in ihre Beiträge eingebaut wurden.

Zeitungen Zahlreiche Zeitungen berichteten über das Projekt, insbesondere die regionale Presse. Aber auch im Ausland sind Artikel erschienen, beispielsweise in Österreich und in der Schweiz.

Medienecho

Resümee

er derzeitige Stand zeigt das komplette römische Köln in einem Zeithorizont, ein Idealbild der antiken Stadt etwa im zweiten Jahrhundert nach der Zeitenwende. Es ist nun möglich verschiedene Blicke auf die römische Stadt zu gewinnen, aber auch in Echtzeit durch das Innere zu gehen. Durch die Kooperation mit dem renommierten Hasso-Plattner-Institut der Universität zu Potsdam ist diese Echtzeitvisualisierung gelungen, die das Optimum des derzeit technisch Machbaren in Bezug auf Realitätsgrad, Performance und Informationsgehalt erfüllt. Auch für die Zukunft gibt es eine Fülle von Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, z. B. wie Überblendungen auf die jetzige Situation vorgenommen werden können, wie wissenschaftliche Befunde oder auch die schon bekannten Materialien und Reste der antiken Bauten so integriert werden können, dass sie bequem abrufbar sind, oder auch wie didaktisch das Erhaltene gegen die Rekonstruktion

abgesetzt werden kann. Erst wenn diese Dinge umgesetzt wurden, kann sich der Betrachter der Grenzen unserer Erkenntnismöglichkeiten vergewissern. Das Projekt wird dank der Unterstützung der Fachhochschule Köln auch im Jahr 2009 weitergeführt. Zwischenzeitlich haben Gespräche mit dem Direktor des Römisch-Germanischen Museums stattgefunden, ebenso mit Prof. Heinzelmann, dem Nachfolger von Prof. Hesberg am Archäologischen Institut der Universität zu Köln. Mit ihm ist eine Fortsetzung des Projekts besprochen, um in einem nächsten Schritt das Römische Köln sozusagen museumstauglich zu machen. Hier wären auch das Römisch-Germanische Museum sowie das Hasso Plattner Institut wieder Projektpartner. Für den Einsatz im RGM wurde als Zeithorizont die Landesausstellung (März 2010) anvisiert. Es bestand Übereinkunft, dass möglichst bald ein museumsdidaktischer Anforderungskatalog für den Einsatz im RGM erarbeitet werden soll.

Resümee