Datenbasierte prozedurale Modellierung von Innenräumen

Dieser Antrag behandelt die Erforschung neuer Methoden für die effiziente und interaktive prozedurale Generierung von Innenräumen. Das Ziel ist die Nutzung von prozeduraler Modellierung, Graphentheorie und Optimierungsmethoden für die automatische Erzeugung von hochdetailierten, möblierten Räumen. Unsere Methoden werden die Vielfalt und Größe an hochqualitativen Innenräumen, die durch Einzelne oder kleine Teams erzeugt werden können, beträchtlich erweitern. Dies wird ermöglicht durch (1) Abstraktionen von Beschreibungen der Objektklassen, (2) die automatische Erzeugung von Designs, und (3) die Wiederverwendung und Variabilität der erzeugten Designs. Zielanwendungen umfassen Design für Innenarchitektur, gewöhnliche Planung von Möbelaufstellung, Immobilien-Marketing, Erstellung von digitalen Inhalten, Gebäudemanagement, historische und archäologische Visualisierung und viele andere mehr. Für die automatische Erzeugung von Modellen werden wir ein das Konzept von Shape Grammars verbessern. Ein datenbasierter Ansatz wird semantische Beschreibungen von Innenräumen in geometrische Modelle umwandeln. Es werden aus allen bekannten prozeduralen Regeln die wahrscheinlichsten ausgewählt und kombiniert, um eine Vielfalt von neuen Modellen zu erzeugen. Die benötigten Eingaben werden durch die Verwendung von abstrakten Beschreibungen reduziert, jedoch bleiben direkte geometrische Änderungen möglich. Unser Ansatz wird auch die effiziente Verarbeitung von bereits existierenden Designs ermöglichen, wobei semantische und geometrische Plausibilität automatisch erhalten bleiben. Weil Designs von Innenräumen oft in mehreren Iterationen erzeugt werden, können wir so die Kosten von Verfeinerungsschritten und Fehlerbehebungen stark reduzieren. Gegenwärtige prozedurale Techniken für Innenräume widmen sich nur spezifischen Teilproblemen. Unsere Resultate werden in einer einheitlichen prozedurale Pipeline kombiniert. In diesem Projekt werden dafür drei Grundlagenforschungsprobleme aus der Computergraphik behandelt: 1. Die Grundrissplanung teilt ein Stockwerk in Räume auf. Semantisches und architektonisches Wissen bestimmt Größen, Formen und Verbindungen Räumen. Unser wissenschaftlicher Beitrag wird die Entwicklung von einem Graphen-basierten Algorithmus für die Erzeugung von beliebigformigen Räumen ohne Lücken im Grundriss sein. Dabei wird eine minimale Anzahl von Optimierungsparametern verwendet. 2. Die Möbeleinrichtung verteilt Objekte im Raum. Zusammenhänge, Funktionalität, Ergonomie und Einrichtungsstil bestimmen die Anordnung. Unser wissenschaftlicher Beitrag wird die automatische Optimierung für Beleuchtung, Ergonomie und Notsituationen sein, sowie die abstrakte Kontrolle der Ergebnisse durch semantische Gestaltung. 3. Die Generierung von Möbeln entwirft Möbelstücke, verwaltet bewegliche Teile der Modelle und wendet Texturen an. Unser wissenschaftlicher Beitrag wird die prozedurale Erzeugung von beliebigen Möbelstücken innerhalb vorgegebener Grenzen sein, sowie die prozedurale Kinematik und Auswahl von Stellungen.

Das Ziel unserer Forschungsarbeit war, effiziente interaktive Methoden für die Generierung von 3D-Modellen zu entwickeln. Dabei standen vom Menschen geschaffene, also künstliche Objekte im Vordergrund. Innovationen in digitalen Technologien treiben die Qualität von virtuellen Umgebungen voran. Wir betrachten virtuelle Welten häufig auf Bildschirmen unserer mobilen Geräte, Desktops und Fernseher. Unsere Erwartungen an die Menge an Details, Ausmaß und Realismus der 3D Inhalte für Filme, Computerspiele, Werbung, Stadtplanung, Immobilienmarketing und historische architektonische Darstellungen wachsen ständig. Mit neuen VR und AR Geräten sowie auch UHD Bildschirmen wird sich der Bedarf noch steigern. 3D-Modelle und Szenen für solche Applikationen werden von KünstlerInnen, DesignerInnen und ArchitektInnen geschaffen. Dabei ist Handarbeit ein stark limitierender Faktor. Usere Forschung hat sich Computergrafikmethoden für effiziente, interaktive Generierung von 3D Objekten und Szenen gewidmet. Die Ergebnisse aus dem Projekt ermöglichen die rasche Erzeugung von hochwertigen 3D-Welten durch kleine Produktionsteams oder sogar durch Einzelpersonen. Der Herstellungsaufwand wird reduziert, weil die entwickelten Methoden: bestehende Objekte automatisch anpassen, wiederverwenden und abwechseln, die Bedienung durch Schlüsselwörter ermöglichen, statt einer Reihe von händischer Manipulationen der Geometrie, und lernen, Teile der prozeduralen Designs selbständig zu kombinieren und die resultierende Qualität vorherzusagen. Unsere Grundlagenforschung war auf verschiedene Methoden zur Erstellung von virtuellen Gebäuden und deren Innenräumen gerichtet. Wie haben analysiert, wie Fassadenelemente in logische Schichten aufgeteilt werden können. Jede Schicht ist durch ein einfaches Muster vorgegeben. Die Muster erlauben, die Struktur der Fassade auf Fotos zu erkennen und zu ergänzen. Das passiert vor allem an Stellen, wo Bäume, Fahrzeuge, oder andere Hindernisse die Gebäude verdecken. Ein weiteres der Entwickelten Werkzeuge hilft bei interaktiver Grundrissplanung, indem es die Statik der Entwürfe automatisch berechnet und die Raumaufteilung entsprechend anpasst. Es sucht nach der besten Verteilung von Pfeilern, um die Masse der Decke und der darüberliegenden Stockwerke zu tragen. Weiters haben wir auch ein System für die Abbildung von Möbelanordnungen zwischen verschiedenförmigen Räumen entwickelt. Das wichtigste Ergebnis des Projekts ist allerdings ein allgemeines System für die Generierung von Gebäuden, welches als erstes seiner Art die Zusammenarbeit der BenutzerInnen in den Vordergrund stellt. Es beobachtet, wie die BenutzerInnen arbeiten und lernt automatisch, die prozeduralen Bausteine zu großen 3D Szenen zusammenzusetzen.