3D-Modelle bei der Gestaltung – Gärten und Innenräume

3D-Modelle in der Architektur

 

Es gibt keinen Zweifel, dass die 3D-Gestaltung und der 3D-Druck revolutionäre Technologien sind. Dank ihnen wurden Aufgaben, die stets eine Herausforderung darstellten, einfach und leicht zu lösen. Architekten auf der ganzen Welt sind sich dessen bewusst und greifen immer lieber zu diesen modernen Lösungen. 3D-Modelle sind definitiv eine dieser technologischen Neuerungen, die von Fachleuten aus allen Lebensbereichen geschätzt werden.

Entgegen der allgemeinen Meinung, ist die Arbeit eines Architekten nicht nur damit verbunden, Entwürfe von Gebäuden zu zeichnen. So sah dieser Beruf vor einem oder sogar mehreren Jahrzehnten aus. Heute kann ein Architekt mit einem Software-Entwickler verglichen werden, der ein virtuelles Modell von einem Objekt entwirft, das errichtet werden soll, sei es ein Gestaltungsprojekt für ein Gebäude, einen Garten oder einen Innenraum. 3D-Software ermöglicht es Architekten, schnell und effizient ein Modell für spezielle Kundenwünsche zu erstellen und anzupassen, an dem er arbeitet und dann mit wenigen Mausklicks alle notwendigen Dokumente, Pläne und Visualisierungen zu erstellen.

Es könnte jedoch immer noch nicht genug sein. Ein Gebäude, ein Garten oder ein Innenraum kann auf einem Stück Papier oder in virtueller Form schön aussehen, aber oft ist es unmöglich, sie vollständig zu bewerten, bis man sie nicht in der Realität sieht. Dann ist ein 3D-Layout sehr praktisch, dass das Aussehen des entsprechenden Objekts vollständig darstellen kann. Leider ist das manuelle Erstellen eines präzisen 3D-Layouts extrem zeitaufwendig. Darüber hinaus ist die Form des Objekts so komplex, dass es unmöglich ist, ein traditionelles 3D-Layout zu erstellen. Glücklicherweise kann dieses Problem durch moderne Technologien und insbesondere durch die Anwendungen von 3D-Modellen und 3D-Druckern ein für alle Mal gelöst werden. Dank ihnen ist die Erstellung eines detaillierten 3D-Layouts unglaublich einfach geworden.

Noch vor einiger Zeit besaßen 3D-Drucker noch keine derart fortschrittlichen Funktionen und 3D-Modelle waren nicht weit verbreitet und wurden kaum verwendet. Der 3D-Druck war hauptsächlich eine Technologie, mit der sehr einfache Elemente erstellt werden konnten. Dies änderte sich dank der Entwicklung der neuesten Lösungen in diesem Bereich. Neue Modelle von 3D-Druckern gewährleisten eine hohe Qualität der Ausdrucke und sehr genaue Details der ausgedruckten 3D-Modelle.

Was sind 3D-Modelle

Um die Rolle und das große Potenzial von 3D-Modellen in der modernen Architektur, in der Stadt- und Innenraumgestaltung besser zu verstehen, sollten wir kurz auf die Grundlagen zurückkommen. Wir werden zuerst erklären, was 3D-Modelle tatsächlich sind und wie sie hergestellt werden.

Grundsätzlich sind 3D-Modelle mathematische Darstellungen von dreidimensionalen Objekten. Sie dienen der Darstellung und Visualisierung von realen und konzeptuellen Objekten mittels Simulation oder Entwurf in den Bereichen Architektur, Kunst, Unterhaltung, Medizin, Militär und vielen mehr. Tatsächlich könnten Branchen wie Virtual Reality, 3D-Druck, Marketing, Videospiele, Filmproduktion, TV, CAD/CAM (computergestütztes Design und Fertigung) oder wissenschaftliche bzw. medizinische Bildgebung nicht ohne den weit verbreiteten Einsatz von 3D-Modellen funktionieren.

Interessanterweise gibt es verschiedene Arten von 3D-Modellen. Einige von ihnen werden aus NURBS gebildet (nicht gleichförmige rationale b-Spline), d.h. glatte Formen, die durch Rahmenkurven definiert werden. Sie zeichnen sich durch eine hohe rechnerische Komplexität aus. Ihre typische Basis ist ein 3D-Mesh und ihre Struktur besteht aus Polygonen.

Im Falle von 3D-Modellen, die in Animationen verwendet werden, ist eine sehr sorgfältige Konstruktion erforderlich. Der Grund dafür ist die Tatsache, dass das Polygonlayout anfällig für Probleme bei ungewöhnlichen Deformationen ist. Weitere Anforderungen umfassen eine Skelettkonstruktion und eine Strichzeichnung, die es ermöglicht, die Textur und die Polygonverformung eines bestimmten 3D-Modells zu definieren.

Einige 3D-Modelle verwenden Shader, um Oberflächen zu definieren – Programme, die mathematisch Eigenschaften, wie z.B. Lichtspiel oder Farbe, bestimmen. Bei anderen Modellen werden Aspekte wie Oberflächentextur, Farbe oder Lichtemission durch so genannte Maps – eine Reihe von 2D-Bildern – definiert.

Dies ist am häufigsten in Spielen der Fall, in denen Rastergrafiken für die Lieferung von Echtzeit-Bildraten erforderlich sind.

Eine der neuesten Entwicklungen im Bereich 3D-Modellierung ist Reality Capture. Diese Technologie nutzt die sogenannte Fernerkundung, um komplexere Formen schnell und präzise zu erfassen. Das Ergebnis der Kombination von Reality Capture mit 3D-Druck nennt sich Reality Computing.

Die Geschichte von 3D-Modellen

Ein modernes Leben ohne digitale Bilder und die Möglichkeiten, sie schnell zu verarbeiten, wäre nur schwer vorstellbar. Wir sehen uns jeden Tag hunderte von Webseiten voller Bilder und Grafiken an (insbesondere unerwünschte und aufdringliche Werbung) und wenn wir nach einer traditionellen Zeitung oder Zeitschrift greifen, schauen wir uns das Layout an, das mithilfe eines Computers erstellt wurde. Computergrafik wird in verschiedenen Branchen sowie von einzelnen Nutzern für private Anwendungen häufig verwendet. Was für uns normal und natürlich erscheint, obwohl dies für lange Zeit nicht der Fall war, war es vor etwa zwanzig Jahren gar unvorstellbar. Lassen Sie uns einen Blick auf die faszinierende Geschichte der Computergrafik werfen, die schließlich zur Entwicklung von 3D-Modellen und ihrer breiten Anwendung in den Bereichen wie Unterhaltung, Architektur oder Design führte.

Die Entwicklung von Computergrafiken ist untrennbar mit den ersten digitalen Computern verbunden. Technologische Fortschritte boten den Nutzern ein breiteres Spektrum an Möglichkeiten – zunächst waren dies hauptsächlich Mitarbeiter von Militär- und Forschungsinstituten. In dieser Zeit nahmen Computer einen Platz ein, der einem großen Raum entsprach und sie kosteten mehr als eine luxuriöse Wohnung. Es gibt kein bestimmtes Datum, das als Ausgangspunkt für die Entwicklung von Computergrafiken angenommen werden könnte. Die Idee entstand in den 1950er Jahren in den Köpfen von Ingenieuren, Künstlern und Wissenschaftlern, die unabhängig voneinander an verschiedenen Projekten arbeiteten, die es ermöglichen sollten, Bilder mit Hilfe eines Computers zu erstellen.

Der technologische Fortschritt in Verbindung mit digitalen Computern fand hauptsächlich in den USA statt. 1945 wurde ein Programm namens Whirlwind gestartet. Es wurde von Jay Forrester vom MIT geleitet. Als militärisches Projekt konzentrierte es sich auf die Entwicklung von Software für die Luftfahrt unter besonderer Berücksichtigung von Flugsimulatoren. Im Jahr 1951 wurde die erste grafische Lösung vorgestellt.

William Fetter, einer der Computergrafik-Pioniere, war künstlerisch ausgebildet. Nach seinem Abschluss an der Universität von Illinois im Jahr 1952 arbeitete er als Designer für verschiedene Verlage. Im Jahr 1959 entschied er sich, seine Karriere zu ändern und nahm eine Position in der Boeing Flugzeugproduktion an. Nach einigen Jahren wurde er in eine Führungsposition befördert und zog zur Niederlassung nach Seattle um. Er war es, der den Begriff „Computergrafik“ prägte, um die Aufgaben zu beschreiben, an denen sein Team arbeitete. Eines der Ergebnisse von Fetters Arbeit war die Erstellung einer Computersilhouette eines Menschen, die für die Konstruktion von Flugzeugcockpits verwendet wurde.

Im Jahr 1961 erblickte die erste Computeranimation unter dem Namen „Two-Gyro Gravity-Gradient Attitude Control System“ das Licht der Welt. Es wurde von Edward Zajac von Bell Labs erstellt. Der Film war eigentlich eine Simulation der Bewegung eines ausgewählten Satelliten im Weltraum und Bell Labs war eine Forschungseinheit, die sich mit Satellitenforschung befasste.

Ivan Sutherland vom MIT machte 1962 einen großen Schritt in der Geschichte der Computergrafik. Er schuf eine revolutionäre Software namens Sketchpad, die auf lange Sicht die Basis für die Erstellung technischer Zeichnungen, graphischer Schnittstellen und schließlich für 3D-Modelle, wie wir sie heute kennen, bildete. Sketchpad ermöglichte es, Zeichnungen mit Hilfe von Linien und geometrischen Figuren zu erstellen, sie zu speichern und später wieder zu öffnen. Diese Erfindung wurde zur Inspiration für CAD-Software, die in den folgenden Jahren entwickelt wurde. In Anerkennung seiner Erfindung erhielt Ivan Sutherland 1988 den Turing Award und 2012 den Kioto Award.

Im Jahr 1965 wurde die erste Ausstellung von computergenerierter Kunst eröffnet. Computergrafik wurde auch als künstlerisches Medium gefördert. Es dauerte nicht lange, bis die Hersteller von Computerhardware sich für Computergrafik interessierten. Im Jahr 1964 veröffentlichte IBM den ersten kommerziellen Computer, der zum Erstellen von Computergrafiken verwendet werden konnte. Das Modell IBM 2250 war ein Monitor, der auf einem System basierte, das Vektorbilder zeigte. Es funktionierte in Verbindung mit dem System/360 Computer. Die Daten wurden mit einem Werkzeug namens Lichtgriffel und zwei Tastaturen eingegeben, eine war alphanumerisch und die andere programmatisch. Der Computer konnte auch mit einem Xerox-Kopiergerät verbunden werden, so dass das Ausdrucken des Bildschirminhaltes möglich war.

1965 entwarf ein Mitarbeiter des gleichen Unternehmens – Jack Bresenham – eine Methode, um ebene Kurven zu rastern, die später unter seinem Namen Bresenham-Algorithmus bekannt wurde. Es war die Zeit, als sich die Möglichkeit ergab, Bilder auf dem Bildschirm zu erstellen und sie in der Unterhaltung einzusetzen, dabei wurde das erste Computerspiel namens Spacewar! erstellt. Es war weit entfernt von den Spielen, wie wir sie heute kennen – es wurden keine fortschrittlichen 3D-Modelle verwendet, dennoch war es ein weiterer Meilenstein in der Geschichte der Computertechnologie.

Mitte des Jahrzehnts hat Douglas Engelbart von der Stanford University seine Erfindung vorgestellt, die die ganze Welt erobern sollte – eine Computermaus. Er ist auch der Vater von Hypertext und bestimmten Elementen der grafischen Benutzeroberfläche. 1967 meldete er die Computermaus zum Patent an und erhielt es 1970. Zu dieser Zeit hatte eine Maus die Form eines rechteckigen hölzernen Hauptkörpers mit zwei Metallrädern.

Im Jahr 1968 stellte Arthur Appel einen Algorithmus vor, der es erlaubt, Strahlen zu folgen, die es möglich machten, dreidimensionale Objekte zu rendern. Das war ein weiterer wichtiger Schritt, der die Informatik den heute verwendeten 3D-Modellen und 3D-Technologien näher brachte.

David Evans und Ivan Sutherland, Professoren an der Utah University, entschieden sich im Jahr 1968, ihr Unternehmen Evans & Sutherland zu gründen. Zu Beginn befand sich das Unternehmen in den verlassenen Baracken auf dem Gelände der Universität. Ihr Hauptziel war es, Computerhardware zu konstruieren, die mit der Software der Universität betrieben werden kann.

In den 1970er Jahren kaufte das Unternehmen eine Flugsimulationssoftware von General Electrics und nahm in Zusammenarbeit mit dem britischen Unternehmen Reduffusion Simulation das Erstellen von digitalen Simulatoren in Angriff. Sie begannen auch, bunte Vektorschirme zu konstruieren (Picture System 1, 2 und 300). Gegen Ende der 1960er Jahre bauten sie einen Computer namens LDS-1 (Line Drawing System-1), der aus einem Vektormonitor und einer Workstation bestand. Er wurde mit der allerersten CAD-Software ausgestattet.

Im folgenden Jahrzehnt, den 1970er Jahren, war das führende Forschungsinstitut, das sich mit Computergrafik beschäftigte, die Utah University, wo immer noch die oben erwähnten Herren Sutherland und Evans arbeiteten. Ihre Schüler, Edwin Catmull und Fred Parke, haben eine der ersten Computeranimationen erstellt. Ohne dieses sehr nützliche Werkzeug wäre es heute sehr schwierig, sich die Arbeit von Architekten vorzustellen. Computeranimationen und Simulationen mit hochwertigen 3D-Modellen helfen den Profis, ihren Kunden sehr realitätsnahe Entwürfe ihrer Innenräume und Gärten zu präsentieren und somit ihre Arbeit einfacher und effizienter zu machen. Ohne die Arbeitsergebnisse von Catmull und Parke wäre das niemals möglich.

Während des Studiums erarbeitete Ed Catmull Methoden des Textur-Mappings und der Algorithmen, das sogenannte Subdivision Surface und Antialiasing. 1972 kreierte er eine Animation seiner linken Hand, die vier Jahre später im Film „Futureworld“ verwendet wurde. Seine Faszination für Computeranimationen führte Ihn in späteren Jahren zur Arbeit für Lucasfilm, Pixar und Disney. Seine Leistungen auf diesem Gebiet brachten ihm große Anerkennung und den Oscar für seinen Beitrag zur Entwicklung der Computeranimation.

Im Jahr 1970 schuf Fred Parke das erste animierte 3D-Modell des menschlichen Gesichts, auf dem er verschiedene Ausdrucksformen vorstellte.

Ein anderer Student der Universität von Utah war John Warnock, der 1969 den sogenannten Warnock-Algorithmus entwickelte, mit dem unsichtbare Oberflächen entfernt wurden. Im Jahr 1978 begann er seine Karriere bei Xerox PARC und arbeitete mit Charles Geschke zusammen. Von ihnen sollte man noch im folgenden Jahrzehnt hören.

Henri Gouraud, ein französischer IT-Spezialist, arbeitete nach seinem Studium in Paris mit der Universität Utah zusammen. Unter der Leitung von Evans und Sutherland schrieb er seine Doktorarbeit über das Mapping gekrümmter Oberflächen. Er schuf die Methode des Gouraud-Shadings, die es ermöglichte, ein Chiaroscuro auf einem dreidimensionalen Objekt nachzubilden.

Bui Tuong Phong war ein Vietnamese, der sein Ingenieurstudium in Frankreich absolvierte und 1971 an die Universität von Utah wechselte. Zwei Jahre später entwickelte er eine Methode zur Abbildung von Lichtreflexionspunkten auf einem Objekt. Sie ist allgemein bekannt als das Phong Reflection Model. Er ist auch der Autor der Phong Shading-Methode.

Das Jahr 1972 war das Jahr einer wichtigen neuen Erfindung. Richard Shoup – ein Mitarbeiter von Xerox PARC hat das erste grafische Programm namens SuperPaint geschrieben. Benutzer konnten Filme bearbeiten, zeichnen und Animationen erstellen. Es beinhaltete Funktionen wie Sättigung und Helligkeitsänderung, Zeichnen von Linien und Polygonen, verschiedene Zeichenwerkzeuge (zu Beginn waren alle verfügbaren Pinsel ein Pixel breit und hatten eine beliebige Höhe) und eine Reihe von Farben. Es hatte auch die Funktion der Autovervollständigung und Antialiasing. Es war eine der ersten Software, die die grafische Benutzeroberfläche des Benutzers verwendeten.

1977 wurde das 3D Core Graphics System entwickelt. Es war der erste Standard der dreidimensionalen Computergrafik. Das Konzept wurde von einem Team von 25 Experten für Computergrafik entwickelt.

Im Jahr 1975 erblickte die Welt die erste Konstruktion, die vollständig mit einem Computerprogramm für 3D-Modellierung konzipiert wurde. Sie war ein riesiges Osterei, das heute noch in Vegreville in Kanada zu sehen ist. Die Autoren sind Paul Sembaliuk, Ronald Resch und Robert McDermott.

Ebenfalls im Jahr 1975 entwickelte Martin Newell ein dreidimensionales Modell eines Kessels, das zum Testen neuer Algorithmen und Methoden für fortschrittliche grafische Technologien verwendet wurde. Der Kessel aus Utah wurde zu einem Symbol für 3D-Grafiken und wird nun auf andere Software platziert, wie z.B. 3DStudio Max, AutoCAD. Lustige Verweise darauf erscheinen in Animationsfilmen wie Toy Story.

3D-Modelle in den 1980er und 1990er Jahren

Die letzten zwei Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts brachten eine beispiellose Geschwindigkeit bei der Entwicklung neuer Technologien. In den 1980er Jahren eröffnete der Zugang zu 16- und 32-Bit-Prozessoren neue Möglichkeiten für Grafiken. Es wurden spezielle Workstations zur Erstellung digitaler Bilder gebaut (z.B. Orca 100, 200 und 3000 von Orcatech of Ottawa). Was noch wichtiger ist – erste PCs werden auf dem Markt verfügbar und sie sind deutlich günstiger als professionelle Computer. Marken wie Commodore, Atari, Apple und Tandy Computers waren die unangefochtenen Marktführer. Der Macinotsh von Apple war der erste massenhaft verkaufte Computer mit grafischer Oberfläche (Icons, Ordner, etc.) und Software zum Erstellen von Grafiken – MacDraw und MacPaint.

Die 1990er Jahre wurden von der Entwicklung der 3D-Grafik dominiert. Sie wurde direkt weltweit für ihre fast unbegrenzten Möglichkeiten und Anwendungen geliebt: vom Aufbau technischer Modelle bis zur Unterhaltung, wie z.B. in Videospielen und Zeichentrickfilmen, bis hin zu medizinischen und wissenschaftlichen Zwecken. Im Jahr 1995 erschien der erste komplette Film mit 3D-Modellen, Toy Story, und 1996 das erste 3D-Spiel, Quake. Die Welt der Unterhaltung, der Architektur und vieler anderer Bereiche und Industrien wurde unwiderruflich verändert.

3D-Modelle in der Gestaltung von Gärten und Innenräumen

In der modernen Architektur, sei es Gebäude-, Innen- oder Gartengestaltung, kommen immer mehr untypische Formen zum Einsatz. Jedoch ist nichts in diesen Formen zufällig. Dank der parametrischen Konstruktion ist es möglich, alles zu berechnen und zu planen. 3D-Modelle und 3D-Druck ermöglichen es, unser Modell in der Realität zu sehen. Dies scheint die Richtung der Weiterentwicklung von Architektur und Design zu sein.

Parametrisches Design wird in der Welt der Architektur immer wichtiger. Es hilft, nicht nur untypische Architektur, sondern auch Innenräume, Gärten und andere Designs zu schaffen. Darüber hinaus ermöglicht die Unterstützung solcher Projekte mit 3D-Druck die Herstellung konkreter Figuren. Das Drucken von 3D-Modellen oder das Ausschneiden mittels Laser ist definitiv weniger zeitaufwändig als das manuelle Erstellen eines 3D-Layouts. Außerdem ist es viel präziser und genauer.

Fortschritte in der Architektur hin zu parametrischem Design sind ebenfalls möglich, da eine größere Auswahl an Materialien zur Verfügung steht. Sie werden auch erschwinglicher. All diese Dinge führen dazu, dass Architekten immer größere Möglichkeiten haben, untypische geometrische Formen zu entwerfen und zu erstellen. Abgesehen von den enormen Möglichkeiten, organische Formen zu erzeugen, erlaubt das parametrische Design ein rationales Design, das an die tatsächlichen Umweltbedingungen angepasst ist. Diese Art des Entwurfs ermöglicht es, die Energiemenge, die zum Heizen verwendet wird, zu verringern und an heißen Sommertagen eine Abkühlung sicherzustellen. Darüber hinaus können Architekten Gebäudefunktionen optimieren und so eine bestimmte Form erstellen.

Es ist auch nicht zu leugnen, dass immer mehr 3D-Drucke und 3D-Modelle eine sehr wichtige Rolle in der modernen Architektur spielen. Manche Leute denken, dass 3D-Druck und 3D-Modelle nur eingängige Marketingtricks sind, die darauf abzielen, 3D-Drucker zu fördern und den Verkauf anzukurbeln. Die Wahrheit ist jedoch, dass der 3D-Druck und die Anwendung von 3D-Modellen eine neue Ära im Design darstellen. Auch wenn die 3D-Technologie immer noch recht kostspielig sein kann, entscheiden sich immer mehr Unternehmen dafür.

Innenraum- und Stadt-Designer lieben 3D-Modelle für ihre unbegrenzten Möglichkeiten, ihre Präzision, die Benutzerfreundlichkeit und die Zeiteinsparung. Mit gebrauchsfertigen 3D-Modellen, die z.B. im Evermotion Online Shop erhältlich sind, ist die Arbeit von Architekten und Designern wesentlich einfacher geworden. Es war nie einfacher, ein präzises Design zu schaffen, das so realitätsnah aussieht. Es genügt, den Evermotion Online-Shop zu besuchen und die 3D-Modelle auszuwählen, die am besten zu Ihren Bedürfnissen passen.

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