Raumbezogene Geo-Datenaustauschformate für 3D-Visualisierungen durch Game Engines

Abstract

Virtuelle Welten entstehen heute meist mit Hilfe einer Game-Engine, vor allem weil wiederkehrende und eben technische Aufgaben bereits durch mitgelieferte Programmbibliotheken gelöst sind (Dörner u. a. 2019, 395-396). Auch wenn diese Game-Engines primär für die Entwicklung von Computerspielen entstanden sind, bieten sie viele Funktionen, um vielfältige Anwendungsfälle über das Gaming hinaus zu ermöglichen. Dazu gehört beispielsweise das Rendering von (3D‑)Bildern, Verarbeitung von Benutzereingaben und eine Physiksimulation, damit sich Objekte in der virtuellen Welt natürlich bewegen und mit anderen zusammenstoßen (Dörner u. a. 2019, 394-397).

Dieser Funktionsumfang macht eine Game-Engine daher auch für wissenschaftliche Zwecke interessant, in Form von Simulationen, Datenvisualisierungen und Experimenten. Die am weitesten verbreiteten sind die Unreal Engine , die Unity Engine , Godot , GameMaker Studio und Solar2D . Insbesondere die Unreal Engine ist wegen einer Verwendung ohne Programmierkenntnisse und kostenloser Nutzung weit verbreitet (Rehn 2021).

Die Positionierung von 3D-Objekten innerhalb der Game-Engine erfolgt in einem Standardkoordinatensystem ohne Bezug zu einem geodätischen/geografischen Referenzsystem. Ist das Ziel ein detailtreues Abbild der Realität aufzubauen, sind allerdings hohe Anforderungen an Exaktheit und Präzision der 3D-Objekte gegeben. Dies betrifft die Objektkoordinaten sowie deren Georeferenz (Richter et al. 2021). Zur Integration von 3D-Objekten mit Geodaten in die Game-Engine existieren kommerzielle Softwareerweiterungen für die Unreal Engine wie Cesium oder TerraForm Pro . Sie ermöglichen die Verwendung von Bezugssystemen, wodurch 3D-Objekten die genaue Lage im virtuellen Raum zugeordnet werden kann.

Die Verwendung von Geodaten in einer Game-Engine setzt voraus, dass Dateiformate existieren, die neben den 3D-Objekteigenschaften, wie Geometrie und Textur, auch alle relevanten Geoinformationen enthalten. Aktuelle Geoinformationssysteme, wie ArcGIS oder QGIS , beherrschen ein breites Spektrum an Funktionen zur Verwaltung von Geodaten. Je nach Anwendungsfall existieren Dateiformate wie Geopackage (gpkg), Shapefile (shp), GeoJSON, Geography Markup Language (gml), Keyhole Markup Language (kml), etc. Zur Darstellung von 3D-Objekten in einer Game-Engine, wie Unreal oder Unity, eignen sich diese nur bedingt (Keil et al. 2021). Im Gegensatz dazu sind Dateiformate, wie das Object Fileformat (obj), Standart Tessellation Langage (stl) oder Filmbox (fbx), auf die Beschreibung von 3D-Geometrien spezialisiert, hierbei ist wiederum das Ergänzen von georeferenzierten Daten nicht vorgesehen (Petridis et al. 2012).

Im Rahmen dieser Arbeit werden Dateiformate zum Zweck der Visualisierung und Georeferenzierung für die Verwendung in einer Game-Engine, hier der Unreal Engine, untersucht und bewertet. Es wird gezeigt, wie eine geeignete Verarbeitungsreihenfolge von Daten aussehen sollte, um 3D-Objekte und Geodaten zu vereinen und ggf. zu transformieren. Dabei stammen die 3D-Objekte bzw. 3D-Punktwolken aus photogrammetrischen Auswertungen, welche die Ausgangsdatenbasis darstellen.

Referenzen:

Dörner, Ralf, Wolfgang Broll, Paul Grimm und Bernhard Jung, Hrsg. 2019. Virtual und Augmented Reality (VR/AR): Grundlagen und Methoden der Virtuellen und Augmentierten Realität. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. doi:10.1007/978-3-662-58861-1, http://link.springer.com/10.1007/978-3-662-58861-1 (zugegriffen: 14. Februar 2022).

Keil, Julian, Dennis Edler, Thomas Schmitt und Frank Dickmann. 2021. Creating Immersive Virtual Environments Based on Open Geospatial Data and Game Engines. KN - Journal of Cartography and Geographic Information 71, Nr. 1 (März): 53–65. doi:10.1007/s42489-020-00069-6.

Petridis, Panagiotis, Ian Dunwell, Serious Games Institute, Coventry University Technology Park, Coventry, West Midlands, UK, David Panzoli, IRIT-UT1C, Université Toulouse I Capitole, France, Sylvester Arnab, Serious Games Institute, Coventry University Technology Park, Coventry, West Midlands, UK, u. a. 2012. Game Engines Selection Framework for High-Fidelity Serious Applications. International Journal of Interactive Worlds (1. Juni): 1–19. doi:10.5171/2012.418638.

Rehn, Adam. 2021. Rationale - Unreal Engine For Research. https://ue4research.org/rationale (zugegriffen: 10. März 2023).

Richter, Florian, Stefan Reitmann und Bernhard Jung. 2022. Integration of Open Geodata into Virtual Worlds. In: 2022 the 6th International Conference on Virtual and Augmented Reality Simulations, 9–13. Brisbane QLD Australia: ACM, 25. März. doi:10.1145/3546607.3546609, https://dl.acm.org/doi/10.1145/3546607.3546609 (zugegriffen: 10. März 2023).