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CAS-Systeme werden von den Designern aufgrund der Distanz zur Produktgestaltung, die in der Verwendung der mittelbaren Interaktionswerkzeuge Maus und Tastatur sowie der abstrakten Modellierverfahren begründet ist, oft abgelehnt. Die intuitive und skizzenhafte Arbeitsmethodik in der frühen Designphase erfordert adäquate Interaktionstechniken, die die Intention des Designers wirksam unterstützen. Den Anforderungen nach Intuitivität zur Unterstützung des kreativen Designprozesses entspricht der Ansatz der virtuellen Tonmodellierung (englisch: Virtual Clay Modelling - VCM). Die voxelbasierte1 virtuelle Tonmodellierung ist ein Designwerkzeug, mit dem der Designer in Analogie zum konventionellen Designprozess beliebig geformte Modelle erzeugen kann. Die vollständig rechnerunterstützten, digitalen Methoden zur Modellierung des virtuellen Tons entsprechen den Werkzeugen der realen, analogen Tonmodellierung, wie Schabern, Schablonen und True Sweeps2 (siehe Bild 2). Mit rechnerinternen splinebasierten Modellierwerkzeugen, die der Designer mittels Maus, Spacemouse oder Trackingsystem bedient, wird virtuelles Tonmaterial auf- und abgetragen. Im Gegensatz zu traditionellen Designsystemen baut der Ansatz der virtuellen Tonmodellierung auf einem geänderten Paradigma auf. Im Vergleich zur splinebasierten Flächenmodellierung werden hier die Werkzeuge exakt durch Splines dargestellt, und die Modellierung der Freiformflächen erfolgt auf einem diskreten, hochaufgelösten Voxelmodell. Das Prinzip der virtuellen Tonmodellierung ist in Bild 1 dargestellt. [SpKr-97]
Die Modellieroperationen Cut und Paste, dargestellt in Bild 2, werden auf elementare Boolesche Operationen zurückgeführt. Sie werden als komprimiertes Voxelmodell auf einem abgebildeten Tonmodell ausgeführt. Die Modifizierung des Modells erfolgt in Abhängigkeit von der Bewegung des Werkzeugs. Das modifizierte Volumen wird in mehreren Zeitschritten bezüglich der Werkzeugpositionen berechnet und anschließend mittels Boolescher Operationen mit dem Ausgangstonvolumen verknüpft. Mit zunehmender Auflösung des Tonmodells nimmt der Speicherbedarf zu, was eine Komprimierung des Voxelmodells erforderlich macht. [SpKr-97]
Die Visualisierung des Modells erfolgt durch einen Marching Cubes Algorithmus, der die genaue Position der Polygone ermittelt, die das Volumenmodell umhüllen. Um die Anzahl der generierten Dreiecke zu reduzieren und damit die Visualisierung zu beschleunigen, wird ein adaptierter Marching Cubes Algorithmus eingesetzt, der Polygone in Abhängigkeit von der Krümmung der modellierten Fläche erzeugt. Das System erlaubt eine echtzeitnahe Modellierbarkeit des virtuellen Tonmodells. Die erzeugten Freiformflächen können mit Hilfe von Highlight-Lines, eine Sonderform der Reflexionslinien3 (Bild 3), in Analogie zum konventionellen Modellbau auf ihre Güte hin untersucht werden. [SpKr-97]
Unstetigkeiten in den Highlight-Lines indizieren Unstetigkeiten in der untersuchten Freiformfläche. Ein Tool-Editor erlaubt es dem Designer, eigene Werkzeuge zu erstellen und entsprechend der Anwendung zu modifizieren. Diese Werkzeuge können gespeichert werden und stehen für spätere Anwendungen wieder zur Verfügung. [SpKr-97]
Der interaktive Designprozess, dargestellt in Bild 4, wird entscheidend durch die 3D-Wahrnehmung unterstützt. In Verbindung mit Virtual-Reality-Techniken wird eine stereoskopische Darstellung ermöglicht. Aufgrund der Layereigenschaften des Voxelmodells ist eine unkomplizierte Kopplung von der virtuellen Tonmodellierung mit Rapid-Prototyping-Anlagen möglich. Hierdurch können Hartstoffmodelle schnell bereitgestellt werden. [SpKr-97] Hartstoffmodelle bezeichnen sämtliche Formen physischer Modelle, die laminiert, aus Polyurethanschaum gefräst oder mit Hilfe von Rapid-Prototyping-Verfahren, wie zum Beispiel Stereolithographie, erstellt werden. [Gess-01] In Kapitel Systeme und Verfahren zur Fertigung von physischen Modellen werden unterschiedliche Rapid-Prototyping-Verfahren vorgestellt.
Ebenso können externe Modelle in das System eingeladen werden. Die Überführung, das heißt Diskretisierung der Modelle in die Voxel-Repräsentation, erfolgt durch einen Ray-Casting Algorithmus. Diese Funktionalität erlaubt die schnelle Modifikation vorhandener Modelle. [SpKr-97]
Bild 5 zeigt nun zusammenfassend eingesetzte Methoden und Werkzeuge im konventionellen, digitalen Designprozess. Der Feasibility-Prozess am Ende des Designprozesses stellt abschließend die technische Machbarkeit des Designmodells sicher. Im Cubing-Prozess erfolgt der Abgleich zwischen dem CAD-Modell der Konstruktion und dem Designmodell. Hierfür werden sehr detaillierte und maßhaltige physische Modelle erstellt. [Gess-01]
Die Potentiale der virtuellen Tonmodellierung liegen in der frühzeitigen digitalen Verknüpfung des Design mit anderen Entwicklungsprozessen und damit in der Reduzierung der Entwicklungszeiten und -kosten sowie der besseren Nutzung des kreativen Potentials des Designers. [SpKr-97]
1 Die Voxel-Technik ist ein Verfahren zur diskretisierten Repräsentation eines Volumens. Der Begriff Voxel steht für "volume element" (analog zu Pixel für "picture element") Ein Voxel ist ein diskretes elementares Volumenmodell, aus dem ein komplexes Volumen aufgebaut wird. In der Regel sind Voxel kleine Würfel. [SpKr-97; GaEK-01]
2 True Sweeps sind spezielle Werkzeuge zur Tonmodellierung
3 Reflexionslinien sind bei der Wahrnehmung von komplexen und ausgedehnten Flächen ein wesentliches Hilfsmittel für das Verständnis der Gestalt, da sie ein Indikator für die Oberflächenkrümmung darstellen. Sie werden als wichtiges Kriterium bei der Qualitätsbeurteilung von Sichtflächen herangezogen. [Kehl-98]