EP2030173A1 - Verfahren zur erzeugung eines dreidimensionalen computermodells einer stadt - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Computermodells einer realen Stadt aus Geoinformationen der zu modellierenden realen Stadt, wobei man dreidimensionale Computermodelle der Gebäude der Stadt auf der Grundlage eines vordefinierten Satzes von dreidimensionalen Gebäudetypen, sowie von Gebäudeattributen, mit denen die vordefinierten Gebäudetypen variiert werden können, erzeugt.

Description

Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Computermodells einer

Stadt

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Computermodells einer Stadt, insbesondere eines Computermodells einer auch in der Realität existierenden Stadt.

In jüngster Zeit stehen kommerziellen wie privaten Nutzern hochaufgelöste Satelliten- und Luftbilder der gesamten Erde zur Verfügung. Beispielsweise stellt die NASA unter der Bezeichnung „World Wind" eine frei erhältliche Software zur

Darstellung eines virtuellen Globus bereit, dem digitale Satelliten- und Luftbilder in unterschiedlicher Auflösung mit Geodäten überlagert und auf einem digitalen Höhenmodell der Erde als dreidimensionale Graphik (3D-Graphik) dargestellt werden können. Die von „World Wind' zur Verfügung gestellte Datenmenge beträgt derzeit fast 5 Terabyte. Da eine solche Datenmenge nicht lokal auf der Nutzer- Workstation vorgehalten werden kann, werden abhängig von den vom Nutzer eingestellten Bildparametern, also insbesondere abhängig von dem betrachteten Bereich des virtuellen Globus und des gewählten Vergrößerungsfaktors, die erforderlichen Bilddaten automatisch über eine möglichst breitbandige Internetverbindung von zentralen Servern nachgeladen. Ein ähnliches Konzept zur Darstellung eines hochaufgelösten virtuellen Globus auf der Grundlage von georeferenzierten Satelliten und Luftbildern verfolgt die von der Firma Google Inc. zumindest in der Grundversion ebenfalls kostenlos bereitgestellte Software „Google Earth". Die Auflösung mit „Google Earth" darstellbaren 3D-Graphiken liegt nahezu flächendeckend bei ca. 15 m, wobei Ballungsräume und insbesondere Großstädte häufig sogar mit einer Auflösung von weniger als 1 m, bis herab zu 15 cm dargestellt werden können. Auf Grund der Verknüpfung von geographischen Koordinaten, wie Längen- und Breitengraden, mit Höhenangaben lassen sich beispielsweise in auch dreidimensionale Darstellungen aus einer Art Vogelperspektive erzeugen. Diese Höhendaten liege aber nur für den Erdboden selbst vor, so dass sich Erhebungen wie Berge oder Gebirgszügen oder Senken sehr gut darstellen lassen. In Städten liegen aber für individuelle Gebäude üblicherweise keine Höheninformationen vor, so dass die entsprechenden Gebäude auch in der Vogelperspektive flach bleiben. Für einzelne Städte hat „Google Earth" dreidimensionale Gebäudeinformationen bereitgestellt, so dass den in den Luft- oder Satellitenbildern erkennbaren Gebäudegrundrissen dreidimensionale Polygone überlagert werden können, welche in der perspektivischen Ansicht auch einen Eindruck von der Gebäudeform und - höhe vermitteln. In Figur 1 ist exemplarisch ein mit „Google Earth" erzeugte dreidimensionale, perspektivische Ansicht des Bereichs um den Times Square in Manhattan dargestellt. Man erkennt, dass man bei dieser sehr schematischen Darstellung keinerlei Informationen über die Gestaltung der Gebäudefassaden oder gar über das Gebäudeinnere erhält.

Einzelne besonders wichtige Wahrzeichen können inzwischen von den Nutzern mit der Google Software "Google Warehouse" detaillierter modelliert werden. Diese Informationen werden mittels sogenannter KML-Files bereitgestellt. Nachteilig an diesem Ansatz ist, dass die mit "Google Warehouse" erzeugten Objekte häufig sehr unterschiedliche Qualität aufweisen und daher insgesamt einen uneinheitlichen Eindruck einer Szenerie vermitteln. Ferner führt die Überlagerung von dreidimensionalen Objekten mit Luftbildern häufig zu einem unrealistischen Gesamteindruck. Schließlich fehlen derartigen Modellen jegliche semantischen Informationen, d. h. jedes dreidimensionale Objekt ist nur eine Graphik , die keinerlei Information enthält, ob es sich bei dem Objekt beispielsweise um ein Haus, eine Straße, einen Gehweg oder Teile eines Hauses, wie etwa Türen oder Fenster handelt.

In dem derzeit sehr populären On-Iine-Rollenspiel „Second Life" besteht auch die Möglichkeit, kleinere Bereiche real existierender Städten in "Second Life" mittels dreidimensionaler Modelle zu implementieren. So findet man beispielsweise ein virtuelles Modell der deutschen Stadt Frankfurt in "Second Life". Die mit einer manuellen Modellierung einzelner Gebäude verbundenen Kosten und der erforderliche Zeitaufwand sind jedoch für eine Modellierung einer ganzen Stadt viel zu hoch. So sind auch in der virtuellen Stadt "Frankfurt" in Second Life lediglich wenige Straßenzüge mit einigen wichtige Gebäude und Wahrzeichen detaillierter modelliert, so dass sie beispielsweise auch Innenräume besitzen und betreten werden können. Die meisten Gebäude wurden weniger detailliert modelliert und können beispielsweise nicht betreten werden. Obwohl dieser Ansatz kostspielig und zeitaufwändig ist, erzeugt er gleichwohl hohen Kosten einen inkonsistenten Gesamteindruck.

In der deutschen Patentanmeldung DE-A-197 46 639 wird ein Verfahren zur digitalen Erfassung räumlicher Objekte und Szenen für eine dreidimensionale Bildkarte beschrieben, welches eine genauere Darstellung der dreidimensionalen Objekte ermögliche soll. Dazu wird vorgeschlagen, digitalisierten Luftbildaufnahmen realer Objekte oder Szenen präzise Positionskoordinaten zuzuordnen und ergänzende terrestrische Aufnahmen der betreffenden realen Objekte oder Szenen anzufertigen, die Ansichten der betreffenden Objekte oder Szenen aus unterschiedlichen Positionen und/oder Richtungen liefern, die aus den ursprünglichen Luftbildern nicht unmittelbar erschlossen werden können. Aus den terrestrischen Bildern können dann beispielweise Informationen über die Höhe der betreffenden Objekte und ihre Oberflächengestaltung abgeleitet und von einem Computer zu dreidimensionalen Darstellungen der Objekte verknüpft werden. Damit kann ein photorealistisches Computermodell einer Stadt oder eines komplexen Gebäudes entstehen, das unter Nutzung interaktiver Programmtechniken manipulierbar ist. So werden beispielsweise Bewegungen in der dreidimensionalen Bildkarte oder Veränderungen des Betrachtungsmaßstabes bzw. des Betrachtungswinkels genannt. Als typische Anwendungsbereiche DE-A-197 46 639 den Einsatz derartiger dreidimensionaler Darstellungen in realitätsnahen Flug- oder Fahrsimulatoren oder die Dokumentation und Bewertung archäologischer Ausgrabungen oder geplanter Bauvorhaben. Für zahlreiche andere Anwendungsfälle ist die in DE 197 46 639 A1 beschriebene Lösung aber nachteilig, da eine photorealistische Darstellung der dreidimensionalen Objekte die Verarbeitung großer Datenmengen nach sich zieht. Während beispielsweise ein dreidimensionales Computermodell einer archäologischen Ausgrabungsstätte oder ein räumlich begrenztes Bauvorhaben noch mit einer überschaubaren Datenmenge auskommt, erfordert eine realistische dreidimensionale Darstellung einer real existierenden Stadt ein Datenvolumen, das üblicherweise weder auf der lokalen Workstation eines Nutzers vorgehalten noch in Echtzeit von zentralen Servern heruntergeladen werden kann.

Auch andere Vorschläge zur dreidimensionalen Computermodellierung von Städten kombinieren Luftbilder mit Fassadenfotos, um einen realistischen dreidimensionalen Eindruck zu erzeugen. Diese Fassadenfotos werden gewissermaßen auf computergenerierte geometrisch einfache dreidimensionale Modelle der Gebäude aufprojiziert. Auch mit diesem Verfahren sind jedoch zahlreiche Nachteile verbunden. Bereits die einmalige Rundum-Erfassung der Fassade eines Gebäudes ist zeitaufwändig und kostenintensiv. Daher liegen die Fassadenbilder meist nur in einer Fassung vor, die unter bestimmten tages- und jahreszeitlichen Bedingungen aufgenommen wurde. Es ist daher im Computermodell nicht möglich, tages- und jahreszeitliche Änderungen der Fassaden abzubilden. Derartige dreidimensionale Gebäudemodelle kann man auch nicht betreten, da die Fassadenbilder mit keinerlei semantischer Information bezüglich einzelner Elemente wie Türen oder Fenstern oder anderen Gebäudedetails verknüpft sind. Die Bildinformationen der Fassaden liegen üblicherweise auch nur in einer bestimmten Auflösung vor, die für einen bestimmten virtuellen Betrachtungsabstand optimiert ist. Bei Annäherung an ein Gebäude verwischen diese Bilder, weil eine über die vorhandene Bildinformation hinausgehende Vergrößerung erforderlich ist. Für interaktive dreidimensionale Computerspiele ist ein derartiger Ansatz also nicht geeignet, weil bei der Erstellung derartiger Aufnahmen häufig auch Bäume, Personen, Fahrzeuge und ähnliches mit aufgenommen werden, ohne dass den Bildern die entsprechende semantische oder dreidimensionale Information zukommt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Computermodells einer realen Stadt bereitzustellen, das anhand von möglichst wenigen Ausgangsdaten eine realistische Generierung des Computermodells ermöglicht, das in sich stimmig ist und ein Eintauchen des Nutzers in die virtuelle Realität („immersion") ermöglichen soll. Dabei soll die zur Modellierung der Stadt erforderliche Datenmenge und der entsprechende Rechenaufwand möglichst gering gehalten werden. Dazu soll nur auf eine möglichst geringe lokal vorzuhaltende und/oder per Datenverbindung zu übertragende Datenmengen zurückgegriffen werden müssen.

Gelöst wird dieses technische Problem durch das Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Computermodells einer realen Stadt gemäß vorliegendem Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Überlegung zu Grunde, dass sich praktisch jedes Gebäude durch Kombinationen einer begrenzten Anzahl von Gebäudetypen und Gebäudeattributen realitätsnah darstellen lässt. Erfindungsgemäß sollen daher Satellitenaufnahmen, Luftbilder und/oder terrestrische Bilder von Gebäuden nicht unmittelbar zur Erzeugung des dreidimensionalen Gebäudemodells herangezogen, sondern vielmehr als Grundlage dienen, um an Hand dieser Bildinformationen aus einem vorgegebenen Satzes von Gebäudetypen und Gebäudeattributen einen Gebäudetyp auszuwählen und mit geeigneten Gebäudeattributen zu versehen, so dass das daraus resultierende Computermodell dem realen Gebäude möglichst gut entspricht. Zur Lösung dieses technischen Problems schlägt die Erfindung nun vor, einen Satz von dreidimensionalen Gebäudetypen mit entsprechenden Gebäudeattributen vorzugeben und durch Polygonflächen oder nichtlineare parametrische Funktionen zu definieren und die anhand der Geoinformationen ermittelten realen Gebäude im Computermodell durch einen der vorgegebenen Gebäudetypen mit den jeweiligen Gebäudeattributen zu repräsentieren

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Computermodells einer realen Stadt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Bereitstellen von Geoinformationen der zu modellierenden realen Stadt,

- Ermitteln von Gebäudedaten aus den bereitgestellten Geoinformationen, wobei die Gebäudedaten zumindest Positionsinformationen über die geographischen Koordinaten, die Höhe der selektierbaren Gebäude und mit den selektierbaren Gebäuden verknüpfte Bildinformationen und/oder andere Gebäudedaten umfassen,

- Erzeugen eines vordefinierten Satzes von dreidimensionalen Gebäudetypen und von Gebäudeattributen, mit denen die vordefinierten Gebäudetypen variiert werden können, und Speichern des vordefinierten Satzes in einem computerlesbaren Speichermedium, wobei der vordefinierte Satz von dreidimensionalen Gebäudetypen aus Objekten besteht, die durch Polygonflächen oder nichtlineare parametrisierte Funktionen definiert werden, - Zuordnen eines Gebäudetyps aus dem vordefinierten Satz zu zumindest einem selektierbaren Gebäude an Hand der mit dem selektierbaren Gebäude verknüpften Bildinformation oder anderer Gebäudedaten,

- Setzen von Gebäudeattributen aus dem vordefinierten Satz für das zumindest eine selektierbare Gebäude an Hand der mit dem selektierbaren Gebäude verknüpften Bildinformation oder anderer Gebäudedaten.

- Erzeugen eines dreidimensionalen Computermodells an Hand des selektierten Gebäudetyps und der gesetzten Gebäudeattribute und

- Festlegen der Position des Gebäudemodells innerhalb des Computermodells der Stadt an Hand der mit dem selektierbaren Gebäude verknüpften Positionsinformation.

Unter einem "selektierbaren Gebäude" ist ein in den Geoinformationen repräsentiertes Gebäude der realen Stadt zu verstehen, dass zur Modellierung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgewählt werden kann. Zur Modellierung einer gesamten Stadt wird man natürlich bestrebt sein, so viele Gebäude wie möglich im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens durch entsprechende Computermodelle darzustellen.

Erfindungsgemäß wird also ein vordefinierter Satz dreidimensionaler Gebäudetypen erzeugt, so dass der Speicherbedarf begrenzt werden kann, weil nicht jedes einzelne Gebäude unhabhängig modelliert werden muss, sondern auf ein begrenzte Anzahl von Gebäudetypen zurückgegriffen werden kann. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also darin zu sehen, dass mit bereits wenigen Gebäudetypen und Gebäudeattributen aufgrund der zahlreichen Kombinationsmöglichkeiten eine Vielzahl von unterschiedlichen Gebäuden realitätsnah modelliert werden können. Im Regelfall wird daher die Anzahl der zu modellierenden Gebäude im Computermodell einer realen Stadt deutliche größer als die Anzahl der dem Modell zugrundeliegenden Gebäudetypen und Gebäudeattribute sein. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise mit 10 bis 100 unterschiedlichen Gebäudetypen und 10 bis 100 Gebäudeattributen, wobei einem Gebäudetyp beispielsweise mehrere Gebäudeattribute zugeordnet werden können, große Städte mit einigen Zehntausend verschiedenen Gebäuden so modelliert werden, dass ein realistischer Eindruck der Stadt entsteht, ohne dass bei der Modellierung größere Datenmengen vorgehalten oder übertragen werden müssen.

Aufgrund der Definition der Gebäudetypen durch Polygonflächen oder nichtlineare parametrisierte Funktionen können die die modellierten Gebäude leicht in Abhängigkeit vom gewünschten Level of Detail skaliert werden.

Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, dass es in vielen Anwendungsbereichen zur Erzeugung eines realistischen, immersiven Charakters eines dreidimensionalen Städtemodells weniger auf eine exakte Wiedergabe der aller Details und Texturen der realen Gebäude, als vielmehr auf eine in sich stimmige Darstellung ankommt, die insbesondere Unstetigkeiten beim Level of Detail oder gar einen Wechsel von einer Darstellungsart einer anderen ((beispielsweise von eine Polygondarstellung bei niedrigem LoD zu einer Texturdarstellung bei hohem LoD) vermeidet. Dies kann beim erfindungsgemäßen Verfahren durch geschickte Wahl der vorgegebenen Gebäudetypen erreicht werden.

In die Modellierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch eine gewisse Heuristik in Form von Zuordnungsregeln mit einfließen, die bei der Zuordnung von Geoinformationen und Bildinformationen zu den einzelnen vorgegebenen Gebäudetypen auch das zu der zu modellierenden Stadt vorhandene Erfahrungswissen und daraus abgeleitete Wahrscheinlichkeiten des Auftretens gewisser Gebäudetypen berücksichtigt. Wenn beispielsweise die Information vorliegt, dass ein bestimmter Stadtteil der zu modellierenden Stadt von Plattenbauten geprägt ist, kann man einem aufgrund von Geoinformationen ermittelten Hochhaus in diesem Stadtteil den vorgegebenen Gebäudetyp „Plattenbau" zuordnen und das Gebäude automatisch entsprechend modellieren. Einem zwei- oder dreistöckigen Gebäude innerhalb eines als Villengegend bekannten Stadtteils kann man beispielsweise den Gebäudetyp "Jugendstilvilla" zuordnen und das entsprechende Modell wiederum automatisch generieren.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann also ein 3-D-Modell einer Stadt in beliebiger gewünschter Genauigkeit weitgehend automatisch generiert werden, selbst wenn nur rudimentäre Geoinformationen und Bilddaten zu den realen Gebäuden der Stadt vorliegen. Eine detaillierte Heuristik kann dann weitere Information berücksichtigen. Ist beispielsweise aufgrund von Telefonbuchdaten bekannt, dass ein bestimmtes Gebäude eine Ladengeschäft im Erdgeschoss besitzt, so kann, ohne dass Detailinformation zur realen Fassadengestaltung vorliegen, diese Information in die Modellierung einfließen, indem man beispielsweise einen bestimmten Gebäudetyp mit dem Attribut "vollverglaste Fensterfront" versieht.

Eine solche Zuordnung erzeugt dann nicht notwendigerweise eine vollkommen exakte Darstellung der zu modellierenden realen Stadt, aber es ergibt sich auf jeden Fall eine in sich stimmige und vom Benutzer als realistisch empfundene Darstellung, da bereits auf der Grundlage von wenigen Ausgangsinformationen und anhand von wenigen vordefinierten Gebäudetypen ein detailreiches dreidimensionales Städtemodell generiert werden kann.

Durch die weitgehende Automatisierung der Gebäudemodellierung können auch größere Städte rasch und zuverlässige modelliert werden. Alle Gebäudemodelle lassen sich als begehbare dreidimensionale Modelle konstruieren. Jedes Objekt der virtuellen dreidimensionalen Stadt kann georeferenziert sein und semantisch Daten, also Daten über die Art und die Eigenschaften des Objekts, enthalten. So kann ein Gebäudefenster beispielsweise die Information ("kann geöffnet werden", "spiegelnde Oberfläche" usw.) enthalten. Es entsteht ferner innerhalb der gesamten virtuellen Realität ein einheitlicher, in sich konsistenter Eindruck, der den immersiven Charakter von interaktiven 3-D-Welten unterstützt. Ferner ist gewährleistet, dass die modellierten Gebäude in beliebigen Entfernungen, bei unterschiedlichen Tages- und Jahreszeiten einen realistischen Eindruck vermitteln.

Vorteilhaft umfassen die Bildinformationen zumindest eine orthographische Projektion des selektierbaren Gebäudes und eine Abbildung wenigstens einer Gebäudefassade des selektierbaren Gebäudes. Aus diesen Informationen können sowohl die Gebäudeabmessungen im Sinne eines Grundrisses, als auch der zur realistischen Modellierung passende Gebäudetyp, sowie die geeigneten Gebäudeattribute ermittelt werden.

Die Bildinformationen gewinnt man vorteilhafterweise aus Luftbildern, Satellitenfotos und/oder terrestrischen Gebäudebildern. Aus Luftbildern bzw. Satellitenfotos kann man die orthographische Projektion der zu modellierenden Gebäude unmittelbar ermitteln. Aus diesen Abbildungen gehen jedoch keinerlei Informationen über die Fassadengestaltungen der Gebäude hervor. In diesem Fall sind zusätzliche Abbildungen erforderlich, welche auch die Fassade darstellen. Dabei kann es sich wiederum um Luftbilder handeln, die beispielsweise unter einem schrägen Aufnahmewinkel gewonnen wurden oder um rein terrestrisch gewonnene Gebäudebilder. Auch hier existieren inzwischen kommerzielle Anbieter, die, beispielsweise für Kunden aus in der Immobilienbranche, ganze Städte komplett befahren und dabei Aufnahmen der befahrenen Straßenzüge bereitstellen. Diesen Aufnahmen sind, beispielsweise mit Hilfe des satellitengestützten Systems zur Positionsbestimmung GPS (Global Positioning System) des amerikanischen Verteidigungsministeriums geographisch wiederum exakt referenziert, so dass eine einfache Zuordnung von orthographischen Bildern und terrestrischen Abbildungen der Gebäudefassaden möglich ist. Liegen beispielsweise nur Schrägbilder vor, so kann man bei bekanntem Aufnahmewinkel sowohl die orthographische Projektion der Gebäude als auch die Gebäudehöhe errechnen und erhält zudem Fassadeninformationen, die für die spätere Zuordnung der vordefinierten Gebäudetypen und Gebäudeattribute genutzt werden können.

Vorzugsweise vergleicht man zur Zuordnung eines dreidimensionalen Gebäudemodells aus dem vordefinierten Satz die Bildinformationen des zu modellierenden, selektierbaren Gebäudes mit den in dem vordefinierten Satz vorhandenen Gebäudetypen und wählt den Gebäudetyp aus, welcher die beste Übereinstimmung dem in den Bildinformationen dargestellten Gebäude am ähnlichsten ist. Eine solche Zuordnung kann voll automatisch mittels eines geeigneten Mustererkennungsverfahrens durchgeführt werden. Da aber letztlich der vom Menschen wahrgenommene Eindruck für eine möglichst realistische Modellierung des Gebäudes entscheidend ist, werden vorzugsweise Menschen als Kontrolleure eingesetzt, um die Zuordnung der Bildinformationen und des am besten passenden Gebäudetyps vorzunehmen oder zumindest zu überprüfen. Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens wählt ein automatisches

Mustererkennungsverfahren aus dem Gesamtsatz der zur Verfügung stehenden Gebäudetypen zunächst eine Untergruppe von Gebäudetypen aus, die bereits eine gewisse Übereinstimmung mit dem zu modellierenden Gebäude aufweisen, wobei der menschliche Kontrolleur letztlich die endgültige Auswahl des am besten passenden Gebäudetyps der Untergruppe für das zu modellierende Gebäude vornimmt.

In einem nächsten Schritt werden dem ausgewählten Gebäudetyp Gebäudeattribute, wie Fassadentextur, Stuckauftragungen, Fenstertypen, Fassadenfarben und ähnliches an Hand der Bildinformationen des realen Gebäudes zugeordnet. Diese Zuordnung kann wiederum vollständig automatisiert, oder mit einem menschlichen Kontrolleur halbautomatisch oder manuell erfolgen.

Alternativ oder ergänzend zu den Bildinformationen können andere Gebäudedaten zur Zuordnung eines Gebäudetyps und von Gebäudeattributen zu dem zu modellierenden Gebäude herangezogen werden. Derartige Gebäudedaten können beispielsweise das Alter des Gebäudes, die Nutzung, die Anzahl der Bewohner, der Stadtteil in welchem sich das Gebäude befindet usw. sein. Derartige Gebäudedaten lassen sich beispielsweise aus Karten, Katasterdaten, Telefonbücher, wie den Gelben Seiten, oder aus verschiedensten Datenbanken und Informationsquellen, die im Internet zur Verfügung stehen, gewinnen. Aus diesen alternativen Gebäudedaten können daher auch bei fehlenden Bildinformationen einzelnen Gebäuden plausible Gebäudetypenzugeordnet werden. Man erhält also auch in solchen Fällen eine realistischere Modellierung der realen Stadt, als wenn das fehlende Gebäude nur durch einen neutralen Platzhalter ersetzt wird.

Der zugeordnete dreidimensionale Gebäudetyp und die entsprechenden

Gebäudeattribute können dynamisch an die aus den Geoinformationen ermittelte orthographische Projektion des selektierten Gebäudes angepasst werden, so dass beispielsweise der Gebäudegrundriss dem aus der orthographischen Projektion ermittelten Grundriss entspricht.

Der vordefinierte Satz von dreidimensionalen Gebäudetypen kann einen hierarchischen Aufbau aufweisen. Beispielsweise kann die oberste Ebene des hierarchischen Aufbaus Fassadentypen der Gebäude zugeordnet werden, während den nachgeordneten Ebenen Daten zugeordnet sind, die beispielsweise die Fassadentextur, Fassadenfarbe, Fensterdetails, Anbauten, Dachtypen, Dachtextur oder Dachfarbe betreffen.

Vorzugsweise besteht der vordefinierte Satz von dreidimensionalen Gebäudetypen aus Objekten, die durch Polygonfläche oder sogenannte nicht lineare parametrisierte Funktionen definiert werden. Beispiele derartiger in der dreidimensionalen Computergraphik verwendeter Funktionen sind die sogenannten NURBS (Non Uniform Rational B-Splines). Die so definierten Gebäudetypen lassen sich beispielsweise einfach skalieren und je nach vom Nutzer gewähltem Vergrößerungsmaßstab mit unterschiedlicher Auflösung, im Allgemeinen als Level of Detail (LOD) bezeichnet, darstellen. Die in dem vordefinierten Satz bereitgestellten dreidimensionalen Gebäudetypen können gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens landestypische oder regionaltypische Charakteristika der zu modellierenden realen Stadt berücksichtigen. Praktisch jede Stadt weist nämlich bauliche Besonderheiten auf, die sich beispielsweise aus der geographischen Lage, der historischen Stadtentwicklung oder auch den individuellen Bauvorschriften ergeben können. Unter Berücksichtigung derartiger Besonderheiten kann einerseits die Realitätsnähe der Computermodelle verbessert und andererseits die Zahl der bereistzustellenden Gebäudetypen und Gebäudeattribute verringert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Computermodells einer realen Stadt kann in vielfältigen Anwendungen genutzt werden. Bevorzugte Anwendungen sind beispielsweise mobile Anwendungen, etwa in einem Navigationssystem, wo einerseits der Speicherplatz im mobilen Endgerät begrenzt ist und andererseits die erforderlichen Bandbreiten zur Übertragung großer Datenmengen meist nicht zur Verfügung stehen. Derartige Anwendungen profitieren besonders von dem erfindungsgemäßen Verfahren, da zur Erzeugung der dreidimensionalen Gebäudemodelle nur ein wenig Speicherplatz erfordernder Basisdatensatz von Gebäudetypen und -attributen erforderlich ist. Weitere Anwendungen finden sich beispielsweise in Flug- oder Fahrzeugsimulatoren.

Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren aber in interaktiven virtuellen Realitäten eingesetzt, die für einen oder mehrere Nutzern innerhalb eines Computernetzes zugänglichen sind. Eine besonders populäre Form derartiger virtueller Realitäten sind derzeit die sogenannte "Massively Multiplayer Online RoIe- Playing Games" (MMORPGs), denen häufig mehrere tausend Nutzer gleichzeitig gemeinsam über das Internet spielen können. Beispielhaft seinen hier die Online- Spiele "World of Warcraft', "Second Life" oder "Project Entropia" genannt, in denen die Nutzer über als "Avatare" bezeichnete virtuelle, graphisch dreidimensional animierte Stellvertreter agieren können. Derzeit sind die entsprechenden virtuellen Realitäten reine computergenerierte Phantasiewelten. Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet hier die Möglichkeit, reale Städte wirklichkeitsgetreu zu simulieren, so dass derartige MMORPGs auch in einer realitätsnahe Umgebung gespielt werden können. Das Computermodell einer realen Stadt kann dabei eine Brücke zwischen der virtuellen Welt und der realen Welt bilden. Neben einem geringen Datenvolumen hat das erfindungsgemäße Verfahren dabei den besonderen Vorteil, dass bereits in der Einführungsphase eines neuen Onlinespiels die entsprechende Stadt ohne große Personalressourcen sehr realitätsnahe modelliert werden kann. Anschließend kann man beispielsweise die Nutzer des Spiels in die Optimierung des Computermodells einbinden. Dazu kann man gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die Daten zu Gebäudetypen und Gebäudeattributen einer größeren Anzahl von Benutzern interaktiv zum Editieren zugänglich machen. So können beispielweise fehlerhafte oder weniger optimale Modellierungen einzelner Gebäude im Laufe der Zeit sukzessive optimiert werden, um so die Modellierung der virtuellen Stadt immer realistischer zu gestalten.

Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Gebäude erst bei der Instanzierung der virtuellen Stadt an Hand der gespeicherten Daten ihrer geographischen Position, der Gebäudehöhe, des zugeordneten Gebäudetyps und der Gebäudeattribute generiert. Gemäß einer weiteren Variante werden die Gebäude erst ab einem vorgegeben Level of Detail, beispielsweise bei der nahen Draufsicht des Nutzers, erzeugt und visualisiert.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die modellierten Gebäude als vollständig dreidimensionale Gebäude erzeugt werden können, so dass nicht nur Außenansichten sondern auch der innere Aufbau des Gebäudes mit einzelnen Stockwerken und Innenräumen in der gewünschten

Detailgenauigkeit generiert werden kann. Es ist daher beispielsweise möglich, dass ein Nutzer, beispielsweise mit seinem Avatar bei einem Online-Rollenspiel oder mittels einer computergenerierten Kamerafahrt, das Innere eines modellierten Gebäudes betreten, verschiedene Stockwerke erreichen oder aus dem Fenstern des Gebäudes nach draußen blicken kann. Die Erfindung betrifft auch ein Computersystem, welches an die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst ist.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren an Hand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Schemas der Erzeugung eines dreidimensionalen Gebäudemodells näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Figur 1 ein dreidimensionales Computermodell einer realen Stadt gemäß

Stand der Technik, wie er derzeit durch "Google Earth" repräsentiert wird;

Figur 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahren zur

Modellierung eines Gebäudes durch vordefinierte Gebäudetypen und Gebäudeattribute an Hand von Geoinformationen bzw.

Bildinformationen;

Figur 3 eine schematische Darstellung der Architektur eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Computersystems.

Das in Figur 1 dargestellte dreidimensionale Computermodell des Bereichs um den Times Square in Manhattan wurde bereist eingangs erläutern.

Figur 2 zeigt nun eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens:

Die zur Verfügung gestellten Geoinformationen / Bildinformationen umfassen beispielsweise eine orthographische Projektion eines selektierbaren zu modellierenden Gebäudes 10, die man beispielsweise aus einem Luftbild 11 gewinnt. Außerdem steht eine terrestrisch gewonnene Abbildung 12 der Gebäudefassade des selektieren Gebäudes 10 zur Verfügung. An Hand dieser Informationen werden zunächst die Gebäudeabmessungen 13 ermittelt. Dann wird der Gebäudetyp festgelegt, wobei im dargestellten Beispiel ein vordefinierter Satz 14 von drei Gebäudetpyen (Bandfassade mit Flachdach 15, Lochfassade mit Satteldach 16, Elementfassade mit Flachdach 17) dargestellt sind. In einer hierarchischen Anordnung könnten in einem ersten Schritt auch nur die Fassadentypen und in einem späteren Schritt der entsprechende Dachtyp ausgewählt werden. Im dargestellten Beispiel erfolgt die Zuordnung zu dem Gebäudetyp Lochfassade mit Satteldach 16, da dieser Gebäudetyp die größte Ähnlichkeit mit dem realen Gebäude hat. Diesem Gebäudetyp werden dann aus einem vordefinierten Satz 18 von Gebäudeattributen passende Attribute zugeordnet, wie etwa Fenstertyp 19 (beispielsweise Sprossenfenster, Fensterläden ja/nein, usw.). Ferner können, falls vorhanden, Anbauten wie etwa Balkone 20 zugeordnet werden. Insbesondere im innerstädtischen Bereich bewährte sich beispielsweise auch, einen separaten Gebäudesockel 21 zu definieren, da hier häufig die Gestaltung des Gebäudesockels durch Ladenzeilen u.a. sich vom übrigen Gebäude deutlich unterscheiden kann. Das so modellierte Gebäude 22 wird an Hand der aus den Geoinformationen gewonnen Positionsinformationen präzise in dem dreidimensionalen Computermodell der Stadt positioniert.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Architektur eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Computersystems.

Das insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnete Computersystem ist in einer Client/Server-Architektur aufgebaut. Im Zentrum steht eine Servereinheit 110, die beispielsweise als ein load balanced Servercluster aufgebaut sein, der mit der einer Datenbank 111 verbunden ist, auf der die zur Erzeugung der virtuellen Realität nötigen Daten vorgehalten werden. Jeder Nutzer der virtuellen Realität hat auf seinem lokalen Rechner einen Client 120 installiert, der eine 3-D-Game-Engine 121 und ein Userinterface 122 umfasst. Jeder Client kann beispielsweise über eine Internetverbindung 130 auf die Servereinheit 110 und die Datenbank 111 zugreifen. Die zur Generierung der virtuellen Realität erforderlichen Daten können beispielsweise in Form von Chunk-Files 123 übertragen werden, aus denen die 3-D- Game-Engine die virtuellen Realität konstruiert. Falls die von der Datenbank übertragenen Files noch nicht in einem mit der verwendeten Game-Engine kompatiblen Format vorliegen, kann der Client 123 die entsprechenden Bibliotheken 124 zur Erzeugung der 3-D-Modelle und einen Datenkonverter 125 umfassen. Die Erzeugung des Städtemodells ist dann von der aktuell verwendeten Game-Engine weitgehend unabhängig.

Zur Erzeugung der Städtedatenbank 111 können verschiedene Programme verwendet werden, die üblicherweise als Authoring Tools bezeichnet werden, wie beispielsweise das kommerziell erhältliche Softwarepaket „LandXplorer". Das Authoring Tool kann auf einem Server und Servercluster 140 implementiert sein. Über eine Datenschnittstelle 150 werden Geoinformationen als zweidimensionale und/oder zweidimensionale Kartendaten 151 und als zusätzliche Geoinformationen 152 importiert. Bei derartigen zusätzlichen Geoinformationen kann es sich beispielsweise um Positionen und Arten von in der Stadt vorhandenen Bäumen, die häufig auch in einer Art Baum-Kataster elektronisch vorliegen, oder um die Positionen und Arten weiterer städtischer Infrastrukturelemente, wie Bänken, Ampeln usw., handeln. Ferner können bereits existierende dreidimensionale Graphikmodelle 153 importiert werden. Häufig handelt es sich dabei um besonders bekannte Gebäude und Wahrzeichen, die nicht mit dem erfindungsgemäßen automatisierten Verfahren modelliert werden sollen, sondern für die besonders realistische Darstellung erwünscht ist. Ferner können diese dreidimensionalen Graphikmodelle 153 Prototypen für häufig wiederkehrende Infrastrukturelemente innerhalb von Städten enthalten. Als Beispiel für eine andere Art von zu erfassenden Daten seien ortsspezifische Fassadenheuristiken 154 genannt.

Über eine Benutzerschnittstelle 160 kann der Benutzer das Authoring Tool bedienen und die Generierung des dreidimensionalen Stadtmodells steuern bzw. das generierte Modell editieren. Im vorliegenden Beispiel ist das erfindungsgemäße Verfahren zur automatisierten Generierung von dreidimensionalen Gebäudemodellen als sogenannte Extension 170 für das kommerziell erhältliche Authoring Tool implementiert. Diese Extension 170, welche eine entsprechende

Benutzerschnittstelle 171 umfasst, die in die Benutzerschnittstelle 160 des Authoring Tools integriert sein kann, enthält die vordefinierten Basismodelle und insbesondere die Regeln, über welche die dreidimensionalen Gebäude/Objekte auf der Grundlage der vorhandenen Geoinformationen erzeugt werden sollen.

Die entsprechenden Daten werden für einen bestimmten Bereich der virtuellen Realität beispielsweise in Form von binären Transportfiles über eine Schnittstelle 141 in der Datenbank 111 abgelegt.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Computermodells einer realen Stadt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Bereitstellen von Geoinformationen der zu modellierenden realen Stadt, Ermitteln von Gebäudedaten aus den bereitgestellten Geoinformationen, wobei die Gebäudedaten zumindest Positionsinformationen über die geographischen Koordinaten, die Höhe der selektierbaren Gebäude und mit den selektierbaren Gebäuden verknüpfte Bildinformationen und/oder andere Gebäudedaten umfassen,

Erzeugen eines vordefinierten Satzes von dreidimensionalen Gebäudetypen, sowie von Gebäudeattributen, mit denen die vordefinierten Gebäudetypen variiert werden können, und Speichern des vordefinierten

Satzes in einem computerlesbaren Speichermedium, wobei der vordefinierte Satz von dreidimensionalen Gebäudetypen aus Objekten besteht, die durch Polygonflächen oder nichtlineare parametrisierte Funktionen definiert werden,

Zuordnen eines vordefinierten Gebäudetyps aus dem vordefinierten Satz zu zumindest einem selektierbaren Gebäude anhand der mit dem selektierbaren Gebäude verknüpften Bildinformation oder andere Gebäudedaten,

Setzen von Gebäudeattributen für das zumindest eine selektierbare Gebäude anhand der mit dem selektierbaren Gebäude verknüpften Bildinformation oder anderer Gebäudedaten,

Erzeugen eines dreidimensionalen Gebäudemodells anhand des zugeordneten Gebäudetyps und der zugeordneten Gebäudeattribute und

Festlegen der Position des Gebäudemodells innerhalb des Computermodells der Stadt anhand der mit dem selektierbaren Gebäude verknüpften Positionsinformation.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei die Bildinformationen zumindest eine orthographische Projektion des selektierbaren Gebäudes und eine Abbildung wenigstens einer Gebäudefassade des selektierbaren Gebäudes umfassen.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei man die Bildinformationen aus

Luftbildern, Satellitenfotos und/oder terrestrischen Gebäudebildern gewinnt.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei man zur Zuordnung eines dreidimensionalen Gebäudemodels aus dem vordefinierten Satz die Bildinformationen des selektierbaren Gebäudes mit den Gebäudetypen des vordefinierten Satzes vergleicht und einen Gebäudetyp auswählt, welcher dem in den Bildinformationen dargestellten Gebäude am ähnlichsten ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei vor der entgültigen Zuordnung eines dreidimensionalen Gebäudemodells zunächst mittels eines automatisierten

Mustererkennungsverfahrens eine Untergruppe von Gebäudetypen aus dem vordefinierten Satz bildet und anschließend ein Gebäudetyp der Untergruppe dem ausgewählten Gebäude zuordnet.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei Gebäudeattribute, wie Fassadentextur, Stuckapplikationen, Fenstertypen, Farben oder Anbauten anhand der Bildinformationen gesetzt werden.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Zuordnung vollständig automatisch erfolgt.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei man andere Gebäudedaten wie beispielsweise Informationen über das Gebäudealter, die Gebäudenutzung, die Anzahl Bewohner, die Lage des Gebäudes innerhalb eines bestimmten Stadtteils und ähnliches über öffentlich zugängliche

Datenquellen gewinnt und daraus auf den wahrscheinlichsten Gebäudetyp und die zugeordneten Gebäudeattribute schließt.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei man den zugeordneten dreidimensionalen Gebäudetyp und die Gebäudeattribute dynamisch an die aus den Geoinformationen ermittelte orthographische Projektion des selektierten Gebäudes anpasst.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der vordefinierte Satz von dreidimensionalen Gebäudetypen einen hierarchischen Aufbau aufweist.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der obersten Ebene des hierarchischen Aufbaus Fassadentypen der Gebäude zugeordnet werden, während den nachgeordneten Ebenen Daten zugeordnet sind, die beispielsweise die Fassadentextur, Fassadenfarbe, Fensterdetails, Anbauten, Dachtypen,

Dachtextur oder Dachfarbe betreffen.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei man bei der Erzeugung des Satzes von vordefinierten dreidimensionalen Gebäudetypen und Gebäudeattributen regionale Charakteristiken der zu modellierenden realen Stadt berücksichtigt.

13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei man das Computermodell der Stadt in einem Navigationssystem oder in einer in einem Computernetzwerk erzeugten, zahlreichen Nutzern zugänglichen, interaktiven virtuellen Realität verwendet.

14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei man die Daten zu Gebäudetyp und Gebäudeattributen einer größeren Anzahl von Benutzern interaktiv zum Editieren zugänglich macht.

15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Gebäudemodell erst bei der Instanzzierung der virtuellen Stadt anhand der gespeicherten Daten geografischen Gebäudeposition, der Gebäudehöhe, des zugeordneten Gebäudetyps und der Gebäudeattribute generiert wird.

16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Gebäudemodell erst bei einer vorgegebenen Auflösungsgrenze erzeugt und visualisiert wird.

17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das dreidimensionale Gebäudemodell den Gebäudeinnenraum umfasst.

18. Verfahren gemäß Ansprüche 17, wobei der modellierte Gebäudeinnenraum virtuell begehbar ausgebildet ist.

19. Computersystem mit wenigstens einem Server und wenigstem einem Client, das zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 18 ausgebildet ist.