Virtuelle Rekonstruktion einer Klosteranlage – Animation und ...

VDI-Fotschrittsberichte, Reihe 4,Nr.163, S.97-203, VDI_verlag, Düsseldorf, 1997
Virtuelle Rekonstruktion einer Klosteranlage
– Animation und Informationssystem –
Dipl.-Ing. Martin Keller, Dr.-Ing. Karsten Menzel, cand.-Ing. Petra Schulz
Institut für ComputerAnwendungen im Bauingenieurwesen, TU Braunschweig
Kurzfassung: Der Einsatz von CAD und Visualisierungstechniken bei der Gestaltung
und der Präsentation von Bauwerken wird immer verbreiteter. Diese Techniken können
aber auch genutzt werden, um zerstörte bzw. zerfallende Gebäude virtuell wieder auferstehen
zu lassen. In einem weiteren Schritt ist es dann möglich dem CAD-Modell Informationen
anzuhängen. Diese Informationen können durch einen Besucher bei einem
virtuellen Rundgang abgerufen werden.
Einleitung
Ausgehend von den technischen Neuerungen im Bereich der Visualisierungstechniken
ist es möglich, Bauwerke heute nahezu photorealistisch darzustellen. Dies bedeutet
nicht nur eine Unterstützung der Planungsaktivitäten für Neubauten oder im Bereich
Facility Management, sondern in gleicher Weise können auch historische Bauwerke,
welche ganz oder teilweise zerstört sind, mit Hilfe von CAD- und Visualisierungssoftware
als digitale Rekonstruktion wieder auferstehen. Durch zusätzliche Animations- und
VR-Techniken kann der Betrachter sich auf eine Reise durch das virtuell rekonstruierte
Gebäude begeben und so einen Eindruck über den ursprünglichen Zustand bekommen.
Neben der visuellen Darstellung des Gebäudes kann das virtuelle Modell auch als Metapher
für die Nutzeroberfläche eines Informatiossystem genutzt werden. In einer Kombination
aus Information und Unterhaltung sind verschiedene Nutzungsmodi möglich.
In diesem Beitrag soll dargestellt werden, welche Schritte bei einer digitalen Rekonstruktion
vollzogen werden müssen, um als Ergebnis einerseits einen Videofilm sowie
andererseits ein interaktives Informationssystem zu erhalten. Als Beispiel zur Erläuterung
der Thesen dient ein aktuell bearbeitetes Projekt, der Rekonstruktion des teilweise
nur noch als Ruine vorhandenen Klosters Walkenried im Südharz.

Beispielobjekt
Das Kloster Walkenried im Südharz besteht bereits seit dem 12ten Jahrhundert und
gehört zu den eindrucksvollsten monumentalen Kirchenbauten der Gotik in Niedersachsen.
Auf Grund der wirtschaftlichen Macht des Klosters entstanden in den anschließenden
Jahrhunderten immer neue Gebäude. Zentraler Mittelpunkt war die im Jahre 1253
fertiggestellte Klosterkirche mit dem angeschlossenen Kreuzgang.
Die Gesamtlänge der Kirche betrug 92 m, die maximale Breite 26.80 m und die lichte
Höhe des Mittelschiffes 22,30 m. Die Grundrißposition läßt auf eine einheitliche Planung
schließen, die noch in der Spätromantik wurzelt, während einige Baudetails der Frühgotik
angehören. Im 14. Jahrhundert erfolgte ein spätgotischer Umbau.
Nach einer Verwüstung der Klosterkirche im Jahre 1525 diente die Ruine bis zum 19.
Jahrhundert als Steinbruch. Erhalten geblieben sind nur die westliche Giebelfassade,
Partien des südlichen Querhauses und Teile des Chorpolygons.
Da aus der Bauzeit keine genauen Unterlagen über die Klosterkirche existieren, ist die
Raumgestaltung umstritten. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts haben mehrere Forscher
versucht die Klosterkirche zu rekonstruieren. Wobei sie zum Teil zu unterschiedlichen
Ergebnissen kamen. Die detaillierteste Beschreibung stammt aus dem Jahr 1910 von
Karl Steinacker [5]. Dessen Aufzeichnungen dienen auch als Vorlage für das CAD-
Modell.
Datenaufnahme
Abbildung 1: Klosteranlage Walkenried
Vor der virtuellen Rekonstruktion historischer Bauwerke ist es notwendig eine Analyse
über die vorhandenen (historische) Aufzeichnungen zu machen. Ausgehend von der

Tatsache, daß viele historische Unterlagen nicht mehr zur Verfügung stehen, ist zu betrachten,
welche Genauigkeiten und Informationsdichte für die einzelnen Nutzungsmöglichkeiten
erforderlich sind. Dabei ist darauf zu achten, daß die computergetützte, virtuelle
Rekonstruktionen nicht zu unerwünschten „Fehldarstellungen“ führen.
Zeitgenössische Darstellungen bieten häufig nur Anhaltspunkte für das dreidimensionale
Modell, und müssen in vielen Details an die in der Zeit üblichen Bauweise angepaßt
werden. Dieses Beinhaltet eine Untersuchung der unterschiedlichen Baustiele der
einzelnen Epochen.
Durch eine Analyse der Proportionen des Projektes kann zu Beginn der Modellierung
ein dreidimensionales Gerüst der Systemlinien des Bauwerkes bestimmt werden. In
Anlehnung an dieses Gerüst können die unterschiedlichen Bauteile in ihren Dimensionen
an das Gesamtbauwerk angepaßt weden.
CAD-Modellierung
Ausgangspunkt einer Visualisierung ist das CAD-Modell. Dieses beschreibt die räumlichen
Zusammenhänge das Gebäudes durch Oberflächen- und Volumenmodelle (siehe
Abbildung 2). Dabei sind insbesondere die (scheinbar) divergierenden Anforderungen,
die sich einerseits aus der angestrebten, möglichst detailgetreuen Darstellung und andererseits
aus einer effizienten und schnellen Berechnung der Visualisierung ergeben,
zu beachten. Dieses schließt Überlegungen zum Grad der Detaillierung, der Oberflächengestaltung,
der Nutzung von Lichtquellen usw. ein.
lines wire-frame surface
solid
surfaces
volumes
vertex,
line,
vertex,
line,
vertex,
line,
surface,
vertex,
line,
surface,
solid
solid
from 3D
wire-frame
model
surface
model
B-Rep
model
Constructive
Solids Geom.
Abbildung 2: Modellierugstechniken

Da bei diesem Projekt die Visualisierung des Gebäudes im Vordergrund steht, und es
sich weniger um ein technisches Modell handelt, können Kompromisse in der Detailierung
und Genauigkeit eingegangen werden. Weiterhin kann durch die Identifizierung
von baugleichen Bauteilen und Bauteilgruppen der Arbeits- und Rechenaufwand reduziert
werden.
Virtuelles Modell
Abbildung 3: Maschenmodell vom Kloster Cluny [1]
Die virtuelle Realität modelliert die Attribute der physischen Welt, die mit den Sinnen
des Menschen faßbar sind [2]. Über entsprechende Darstellungstechniken ist es möglich
die künstliche, virtuelle Welt der physischen, realen Welt vergleichbar präsent erscheinen
zu lassen.
Die virtuelle Rekonstruktion als Videofilm soll potentiellen Nutzern einen Eindruck über
das ursprüngliche Erscheinungsbild der Klosterkirche vermitteln. Über einen vordefinierten
Kamerapfad bewegt sich der Betrachter durch und um das Gebäude. Dabei ist
auf eine möglichst natürlichen Sichtweise eines gehenden Menschen zu achten.
Der gesamte Film besteht aus Einzelbildern, die in Größe und Bildabfolge auf das Bild
eines PAL-Bildschirmes (768*576 Pixel bei 25 Bilder/Sec) abgestimmt werden müssen.
Um einen CAD-Datensatz sichtbar zu machen, können unterschiedliche Visualisierungstechniken
angewendet werden. Zu diesen Verfahren zählen: Flat Shading, Gouraud
Shading, Phong Shading, Ray-Tracing und Radiosity. Diese Algorithmen stellen
meistens Annäherungen an physikalische Gesetzmäßigkeiten dar und verwenden unterschiedliche
Verfahren der Physik als Berechnungsgrundlage [4]. Die Ergebnisse der
unterschiedlichen Algorithmen unterscheiden sich sowohl in Qualität, als auch in dem
Rechenaufwand.
Das für den Film verwende Visualisierungsverfahren ist Ray-Tracing. Dabei werden von
einer synthetischen Kamera (dem Bildschirm) aus die theoretisch eintreffenden Lichtstrahlen
bis zur Lichtquelle verfolgt. Dadurch reduziert sich die Anzahl der möglichen

Lichtstrahlen auf die für die Darstellung notwendigen. Jeder Lichtstrahl wird bis zur
Lichtquelle verfolgt, wodurch sich Brechnungen, Spiegelungen und Schatten darstellen
lassen.
Spiegel
Lichtquelle
Objekt
Schatten
Betrachter
Bildschirm
Abbildung 4: Ray-Tracing
Während Ray-Tracing Berechnungen noch relativ hart wirken kann der Algorithmus für
das Radiosity sowohl Reflexion als auch Absorption an Oberflächen bestimmen. Dadurch
lassen sich diffuse Licht- und Schattenerscheinungen darstellen. Nachteil der
Methode ist das Fehlen jeglicher Spiegelungen. Eine Kombination aus Radiosity und
Ray-Tracing führt zu sehr realitätsnahen Ergebnissen, wobei sich der Rechenaufwand
in den meisten Fällen nur bei Einzelbildern lohnt.
Abbildung 5: Altenberger Dom [Uni Dortmund Fachgebiet Baugeschichte]

Informationsmodell
Neben der reinen Visualisierung der Klosteranlage wird in ein einem weiteren Schritt ein
Informationsmodell des Klosters entstehen. Einerseits hat der Nutzer dabei die Möglichkeit
selbständig durch den „Informationsraum Gebäude“ zu navigieren und dabei
willkürlich Informationen über das Bauwerk abzurufen. Andererseits lassen sich im voraus
erstellte Sequenzen – im Sinne eines „Rundganges“ – nachvollziehen. Dabei werden
Informationen dem Nutzer gezielt aus bestimmten Perspektiven oder Sichtweisen
präsentiert. In beiden Fällen dient das visualisierte Gebäudemodell als „Nutzerschnittstelle“
im Sinne einer Raummetapher. Die verschiedensten Arten von Information, wie
Bilder, Texte, Datenströme (Video, Audio) sind mit den Bauteilen des Modells verbunden.
Über die Bauteile erfolgt der Zugriff zur eigentlichen Information.
Auf der Grundlage dieses Wahrnehmungsmodells werden im Sinne einer Raummetapher
die Beschreibung des physikalischen Modells, der Informationsverarbeitung und
der Benutzerinteraktion zusammengeführt. Sowohl Architektur als auch Informationstechnologien
werden mit Hilfe der Raummetapher auf die gleiche Art dem Nutzer zugänglich
gemacht. Die im Datenmodell getrennte räumliche- und Informationssicht werden
an der Nutzerschnittstelle vereinigt und schaffen dadurch ein komplexes Informationssystem.
Zusammenfassung
Die virtuelle Rekonstruktion einer nicht mehr existierenden Klosteranlage gliedert sich in
drei Projektabschnitte. In der Datenaufnahme werden die Dimensionen der Gebäude
bestimmt und die entsprechenden Baustiel definiert. In der anschließenden CAD-
Modellierung wird das Gebäude durch Oberflächen- und Volumenmodelle abgebildet.
Das Ergebnis der Modellierung kann nach der Definition von Oberflächen und Beleuchtungsmodellen
mit unterschiedliche Visualisierungsalgorithmen visualisiert werden.
Durch ein Informationsmodell können den einzelnen Bauteilen des virtuellen Modells
Nutzerinformationen hinterlegt werden.
Literatur
[1] Cramer, Horst; Koob, Manfred: Cluny Architektur als Vision, Edition Braus, Heidelberg
1993, ISBN 3-89466-088-0
[2] Hovestadt, Volkmar: Informationsgebäude – Ein Integrationsmodell für Architektur
und Informationstechnologien, Fortschritt-Brerichte VDI, VDI Verlag GmbH,
Düsseldorf 1998, ISBN 3-18-327620-8
[3] Maier, Konrad; Keibel-Maier, Maria: Kloster Walkenried, Deutscher Kunstverlag
München Berlin, 1997

[4] Sassmannshausen, V.: Architektur und Simulation – Animation als manipulierbares
Darstellungswerkzeug in der Architektur - , Wissenschaft und Technik Verlag,
Berlin 1998, ISBN 3-89685-302-3
[5] Steinacker, K.: Die Bau- und Kunstdenkmäler des Kreises Blankenburg, Wolfenbüttel
1922, Nachdruck H.Th. Wenner, Osnabrück 1979, ISBN 3-87898-143-0