"Auf den Lack gekommen" - Software zur physikalisch korreken ...

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SCHWERPUNKT: DIGITALE FABRIK
physikalisch korrekte Computersimulation
eines eingemessenen Lacks in
einer real existierenden Umgebung.
Komponenten
Auf den Lack
gekommen
Software zur physikalisch korrekten
Lacksimulation
Ingo Thomas und Holger Beckersjürgen, Lüdenscheid
Simulationswerkzeuge können hilfreich sein und Markteinführungszeiten
drastisch verkürzen sowie Prototypenkosten senken.
Für die Lackiertechnik eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten
mit der richtigen Software und physikalisch korrekten Berechnungsmodellen.
Wenn man weiß, worauf man achten sollte.
Bisher existierte weltweit kein Software-
System zur physikalisch korrekten Simulation
und zur Visualisierung von komplexen
Lacken. Verschiedene Programme,
die vor allem im Marketing- und Designbereich
der Automobilindustrie Anwendung
finden, erlauben zwar das
Generieren von „bunten Bildern“, berücksichtigen
jedoch nicht die physikalischen
Verhältnisse im Lack.
Das aus mehreren Komponenten bestehende
Lacksimulations-System des
japanischen Herstellers Integra, das in
Europa von Thomas & Gilles, Lüdenscheid,
vertrieben wird, basiert auf einem
physikalisch korrekten Berechnungsmodell.
Die Grundlagen bilden spezielle
Raytracing-Technologien in Kombination
mit statistischen Methoden. Mit diesem
Paket lässt sich die Wirkung von
Effektlacken und optisch komplexen
Oberflächen auf beliebigen Objekten
unter jeder Tages- und Kunstlichtsituation
physikalisch korrekt simulieren
und in Echtzeit bewerten. Die komplexen
Reflexionscharakteristiken der verschiedenen
Oberflächen können in Abhängigkeit
von Lichteinfallswinkel, Farbe
und Betrachtungswinkel analysiert und
bewertet werden. Das Titelbild zeigt eine
Durch das Lacksimulations-System
PEARL werden physikalisch korrekte und
kalibrierbare synthetische Bilder von
lackierten virtuellen Prototypen am
Computer erzeugt. Zusätzlich können eingemessene
komplexe Reflexionsdiagramme
von Lacken gemischt und angepasst
werden. Mit Hilfe einer Spezial-
Kamera der Spheron VR AG lassen sich
hochaufgelöste 360°-HDRI-Panoramen
fotografieren und Bibliotheken von real
existierenden Umgebungen bzw. Lokalitäten
anlegen. Gleichzeitig werden die
darin enthaltenen natürlichen Beleuchtungsbedingungen
„colorimetrisch korrekt”
zur Simulation der eingemessenen
Lacke genutzt.
Das Lackdesign-System FORMULA II
erweitert diese Möglichkeiten um das
bidirektionale interaktive Lackdesign so,
dass ein Lack vom grundsätzlichen physikalischen
Aufbau aus mit den entsprechenden
Schichten, den enthaltenen
Bunt- und Effektpigmenten designed und
simuliert wird.
Für Präsentationen, das Marketing
und den Bereich E-Commerce bietet der
physikalisch korrekte Echtzeit-3D-Viewer
FLY verschiedene Kommunikationsmöglichkeiten.
Virtuelle Prototypen können
ohne Verzögerung unter beliebigen
Beleuchtungsbedingungen aus beliebigen
Perspektiven betrachtet werden.
Die Haupteinsatzgebiete der Integra-
Lacksimulationssoftware sind nachfolgend
dargestellt:
■ Lackdesign nach dem Aussehen des
Lacks über die interaktive Anpassung
intuitiver Parameter wie zum Beispiel
Basisfarbe, Glanzintensität und Glanzbereich.
■ Lackdesign nach der Zusammensetzung
des Lacks über die schichtweise
Entwicklung unter Berücksichtigung
der spezifischen Bunt-/Effektpigmenteigenschaften
und des Lackaufbaus.
■ Erzeugen physikalisch korrekter und
kalibrierbarer synthetischer Bilder
von lackierten virtuellen Prototypen.
■ Mischen und Anpassen eingemessener
komplexer Reflexionsdiagramme
von Lacken.
■ Analyse virtueller Prototypen unter
beliebigen Beleuchtungsbedingungen
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■
und aus beliebigen Perspektiven in
Echtzeit.
Erstellung von Bibliotheken bereits
entwickelter Lacke durch ein spezielles
Messverfahren.
Um hochwertige Computergrafiken von
virtuellen Objekten mit modernen Effektlacken
realistisch zu reproduzieren, wird
zu Beginn ein dreidimensionales Modell
erzeugt, das sowohl die Geometrie (Umgebung,
Prototyp) als auch die Beschreibung
von Materialeigenschaften
und Lichtquellen enthält. Eine speziell
entwickelte Lichtsimulationstechnologie
dient dabei als Grundlage, um erstmals
physikalisch korrekte und kalibrierbare
synthetische Bilder von virtuellen Prototypen
mit optisch komplexen Oberflächen
zu erzeugen.
Virtuelles Lackdesign
Realistische und reproduzierbare virtuelle
Lackdarstellungen werden nur dann
am Computer korrekt simuliert, wenn
sowohl die Licht-Interaktionen der Umgebung
mit dem Lack als auch die Physik
im Lack berücksichtigt werden.
Zur Berechnung des Ergebnisses eines
Lackdesigns werden daher neben vielen
weiteren Effekten auch Interreflexionen
zwischen den jeweiligen Lackpigmenten
berücksichtigt. Dies gilt auch für die
Simulation des Effekts von Interferenzpigmenten.
Für diese werden außerdem
das Trägermaterial und die Beschichtung
mit den entsprechenden optischen Eigenschaften
sowie den entsprechenden
Abmaßen als Grundlage für die Berechnung
verwendet (zum Beispiel Brechungsindex,
abhängig von der Wellenlänge).
Bunt- und Effektpigmente sind auf
Grund der verschiedenen Größendimensionen
mit verschiedenen Berechnungsmethoden
in die Simulation integriert.
Der Lack wird vom grundsätzlichen
physikalischen Aufbau aus mit den entsprechenden
Schichten, den enthaltenen
Bunt- und Effektpigmenten designed und
simuliert.
Jeweils beliebig viele verschiedene
Bunt- und Effektpigmente können in der
Lackschicht kombiniert werden. Bei den
Effektpigmenten lassen sich entweder
Metallic-Effektpigmente oder Interferenz-
Effektpigmente definieren. Der Lackdesign-Prozess
kann sowohl über die
Zusammensetzung des Lackes als auch
Bild 1. Computersimulation: Wirkung eines Lacks bei verschiedenen Sonnenständen und Bewölkungsgraden.
Beliebige Tages- und Kunstlichtsituationen können simuliert und visualisiert werden
über dessen Aussehen her fortgeführt
werden, bis das Aussehen und das
Verhalten des Lackes den Zielvorstellungen
des Anwenders entspricht.
Die erarbeiteten Parameter können
anschließend ausgegeben werden und
dienen als wichtige Grundlage bei der
Formulierung und Herstellung des Lacks.
Es lassen sich von den aus der Simulation
resultierenden mehrdimensionalen komplexen
Reflexionsdiagrammen (BRDF)
winkelabhängige Graphen erzeugen, die
bei einer genaueren Analyse hilfreich
sind. Die Ausgabe von CIELab-Werten mit
den Messgeometrien handelsüblicher
Messgeräte bietet weitere Analysemöglichkeiten.
Um den Designprozess so effektiv wie
möglich zu gestalten, werden vorberechnete
Einzelszenen oder ganze Kamerafahrten
mit allen nötigen Szeneninformationen
dazu benutzt, die Änderun-
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Bild 2. Schematischer Querschnitt eines virtuell designten Lacks
gen des Lacks virtuell unter realistischen
Bedingungen zu bewerten. Ebenso werden
verschiedene Beleuchtungssituationen
physikalisch korrekt mit in die
Simulation einbezogen.
Nach dem Laden einer Szene kann der
Benutzer direkt mit dem Lackdesign
beginnen. Alle wichtigen Lackparameter
für eine Simulation und als interessant
bewerteten Farbeffekt, lassen sich direkt
im Lackeditor ablesen. Dazu gehören:
■ Pigmentmaterial,
■ optische Eigenschaften,
■ Beschichtungsdicke der Pigmente,
■ Abmessungen der Pigmente und
■ Dichte der Pigmente in der Lackschicht.
Hierzu stehen für das Design nach intuitiven
Parametern und das Design des Lacks
nach der Zusammensetzung unterschiedliche
Dialogfenster zur Verfügung, die
sowohl die mausgestützte als auch die
numerische Eingabe der zu verändernden
Lackparameter ermöglichen. In Sekundenbruchteilen
wird der modifizierte
Lack auf dem Bildschirm dargestellt. Der
virtuelle Prototyp kann im Fall einer vorher
geladenen Animation mit dem veränderten
Lack interaktiv von verschiedenen
Perspektiven betrachtet werden. Hochqualitative
Bilder von interessanten Lackvarianten
lassen sich so einfach erzeugen
und speichern. Die veränderten Lackparameter
können ohne Zeitverzögerung
auf einem virtuellen Prototypen, zum
Beispiel einem Fahrzeugmodell, interaktiv
aus verschiedenen
Perspektiven beobachtet
werden.
Physikalischer
Ansatz
Auch die verschiedenen
Farbmischungsverhalten
von Effekt- und
Buntpigmenten (additiv
bzw. subtraktiv) werden
in der Simulation
berücksichtigt. Weiterhin
kann die Ausrichtung
und die Dichte der
Pigmente im Lack bestimmt
werden. Es ist
möglich, eine beliebige
Anzahl von Bunt- bzw.
Effektpigmenten pro
Lackschicht zu mischen
und zu simulieren.
Für die Reproduktion eingemessener
Lacke steht ein umfassendes Materialmodell
zur Verfügung. Dieses Materialmodell
ist bis zu fünfdimensional und
ermöglicht selbst die Simulation und
Visualisierung von Metamerie, zum Beispiel
auf verschiedenen Fahrzeugteilen
nach einer „virtuellen Reparatur“. Buntpigmente
können spektral simuliert werden,
so dass selbst ein möglicher Metamerieeffekt
in der Simulation nachgebildet
werden kann. Für Effektlacke ist das
Materialmodell abhängig von Lichteinfallswinkel,
Reflexionswinkel, Betrachtungswinkel
und der Wellenlänge. Nur
durch die Erfassung sämtlicher Richtungsabhängigkeiten
ist es möglich, den
Lack ohne Einschränkungen auf einem
virtuellen Prototypen unter beliebigen
Beleuchtungsbedingungen zu betrachten.
Das Errechnen einer Lackformulierung
aus einer eingemessenen Lackprobe
(Reverse Engineering) ist zur Zeit nur in
beschränktem Umfang möglich. Für einfache
Lackmodelle ist bereits eine entsprechende
Funktionalität vorhanden.
Durch die weitere Entwicklung dieser
Arbeitsweise für die „Nachformulierung“
vorliegender Lackmuster kann in Zukunft
sehr viel Zeit gespart werden.
Echtzeit-Darstellung
mit „Hi Color Fidelity“
Ein speziell entwickelter Echtzeit-3D-
Viewer ermöglicht eine genaue Analyse
des designten Lacks auf beliebigen virtuellen
Prototypen, zum Beispiel einem
Fahrzeugmodell. Mit einer neu entwickelten
Realtime-Raytracing-Technologie ist
es erstmals möglich, sich frei in sehr großen
Szenen zu bewegen, inklusive Transparenzen
und Spiegelungen. Die inte-
Bild 3. Lackdesign nach der
Zusammensetzung
Bild 4. Lackdesign nach
dem Aussehen des Lacks
über die interaktive Anpassung
intuitiver Parameter
wie z. B. Basisfarbe,
Glanzintensität und
Glanzbereich
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Die Autoren dieses Beitrags
Bild 5. Es stehen vielfältige Möglichkeiten zur Charakterisierung der Bunt- und Effektpigmente zur
Verfügung
Kontakt
Thomas & Gilles GmbH
3D-Visualisierung
58513 Lüdenscheid
Tel. 0 23 51 / 570 99- 0
Fax 0 23 51 / 570 99- 20
www.T-G.de
E-Mail: beckersjuergen@T-G.de
grierten Funktionen des Viewers enthalten
vielfältige Anwendungen: In Dragand-Drop-Bibliotheken
lassen sich Lichtszenen,
Materialien und Kameraperspektiven
ablegen. Die Modellbibliotheken lassen
sich einfach induviduell erstellen. Dazu
werden die eigenen 3D-Daten in die
Software eingeladen. Derzeit unterstützte
Formate sind IGES, VRML2, ARRIS, DXF,
Intergraph und GDS. Ein STEP-Import
wird in Kürze verfügbar sein. Geplant ist
der direkte Import von CATIA-Daten.
Zur Bewertung verschiedener Oberflächenvarianten
können Materialien per
Drag-and-Drop zugewiesen werden. Die
gesamte Beleuchtungssituation lässt sich
mit einer einzigen Drag-and-Drop-Operation
verändern, aus einer Bibliothek
zuweisen und dort wieder verändert ablegen.
Virtuelle Prototypen können ohne
Verzögerung unter beliebigen Beleuchtungsbedingungen
aus beliebigen Perspektiven
in Echtzeit betrachtet werden.
Die Tageslichtsituation der virtuellen
Szene ist inklusive Schattenwurf, Zeit,
Datum, Ort und Nordrichtung einstellbar.
Selbst korrekte Umgebungsreflexionen
werden verwendet.
Die Software wird
von gängigen Hardware-Ressourcen
voll
unterstützt. Bereits
mit handelsüblichen
Personal Computern
(AMD-Athlon- oder
Intel-Pentium-Prozessor
mit OpenGL-Grafikkarte)
können hervorragende
Simulationen
und Visualisierungen
erzeugt
werden.
Bild 6. Designte und
eingemessene Lacke
können in Bibliotheken
gespeichert und
einfach verfügbar
gemacht werden
www.datapaq.de
Dipl.-Wirt.-Ing. Ingo Thomas, Jahrgang
1973, studierte technische Betriebswirtschaft
an der MFH Hagen. Seine Schwerpunkte
liegen in den Bereichen der optischen
Simulations- und Visualisierungstechnik.
Er ist Mitbegründer der Thomas
& Gilles GmbH und seit 1996 als Geschäftsführer
für dieses Unternehmen
tätig.
Dipl.-Betriebswirt Holger Beckersjürgen,
Jahrgang 1965, studierte Wirtschaftswissenschaften
an der FH Münster.
Sein Schwerpunkt liegt im Bereich
des Corporate Network Collaboration.
Seit 2000 ist er für die Thomas & Gilles
GmbH als Marketing- und Vertriebsleiter
tätig.
Fotos: Titelbild: Integra, Japan 2003, mit
freundlicher Unterstützung der Volkswagen
AG
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DATAPAQ GmbH,Valdorfer Strasse 100, 32602 Vlotho, Germany
Tel: (+49) 05733 91070 Fax: (+49) 05733 910727 sales@datapaq.de
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