Unity

Einleitung

In Zeiten von Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) und Mixed Reality (MR), in denen alles Mögliche in interaktivem 3D gerendert wird, von Flugsimulatoren über Fahrzeuganzeigen bis hin zu Produktwerbung, investieren Unternehmen im Ingenieurwesen in immersive Echtzeit-3D-Erfahrungen, die ihre Marke differenzieren und die Kunden ansprechen.

Glücklicherweise haben sie bereits einen großen Schritt in diese Richtung gemacht – ohne es überhaupt zu planen. Die meisten Unternehmen im Ingenieurwesen verfügen über einen großen Bestand an 3D-Modellen in Form von Computer-Aided-Design(CAD)-Daten. Auf den ersten Blick wirkt es so, als würden sie ihre CAD-Modelle einfach per Drag and Drop in eine Echtzeit-3D-Plattform übertragen. Doch CAD-Rohdaten müssen für Echtzeit-3D optimiert und in eine Form umgewandelt werden, die die Hardware wie Smartphones, Tablets, Laptops, AR/VR-Headsets und andere Dienste weniger belastet. Das Ergebnis ist eine schnellere Bereitstellung, eine bessere Laufzeitleistung und realistischere Modelle für die nächste 3D-Erfahrung.

Dieses Whitepaper erläutert die Grundlagen der Optimierung von CAD-Daten für Echtzeit-3D-Anwendungen. Sie erfahren, welche Rolle CAD-Designer bei der Datenvorbereitung spielt, wie wichtig die Optimierung ist, welche Verfahren am besten geeignet sind, um eine reibungslose Leistung für jeden Anwendungsfall zu gewährleisten, und was Unternehmen im Ingenieurwesen wissen müssen, um mit Echtzeit-3D arbeiten zu können.

Die Rolle von CAD-Designern

CAD-Konstrukteure können beruhigt sein, egal ob sie Klammern in SOLIDWORKS, Hochhäuser in Revit oder etwas anders modellieren: Der Konstruktionsablauf muss sich nicht wesentlich ändern, um sicherzustellen, dass die Modelle bereit für Echtzeit-3D sind. Der meiste Aufwand entsteht später, während des Optimierungsprozesses. Es gibt jedoch einige Dinge, die Designer tun können, um die Optimierung weniger mühsam zu gestalten.

Ein Beispiel sind Namenskonventionen. Es ist immer ein sinnvolles Vorgehen, sich an einheitliche Namenskonventionen zu halten, aber dies ist besonders wichtig, wenn Sie planen, CAD-Modelle für Echtzeit-3D wiederzuverwenden. Laut Franck Elisabeth, leitender technischer Grafiker bei Unity, ist dies ein gängiges Problem, für das es eine einfache Lösung gibt. Er ist der Meinung, dass alle CAD-Benutzer in einem Unternehmen die gleichen Namenskonventionen für alle ihre Daten verwenden sollten. Für manche Designer erscheint das vielleicht vernachlässigbar, aber es ist eine wichtige Gewohnheit, die man sich aneignen sollte.

„Wenn dies eingehalten wird, profitieren alle davon”, sagt er.

Der Vorteil ist, dass die Datenoptimierung automatisiert werden kann. Es ist eine Sache, ein CAD-Modell in eine Echtzeit-3D-Engine zu laden. Aber um das immer wieder zu tun, für viele verschiedene Arten von Teilen und mit jeder Art von Effizienz, ist Automatisierung erforderlich. Um die Nutzung von Echtzeit-3D wirklich auszuweiten, müssen sich die Designer nach einem entscheidenden Automatisierungsprozess richten.

„Metadaten sind das A und O”, sagt Brad Scott, Technical Art Manager bei Unity.

Metadaten reichern eine abstrakte geometrische Form mit konkreten Informationen aus der realen Welt an, z. B. dem Zweck, für den sie verwendet wird, dem Material, aus dem sie besteht, wie sie hergestellt wird, wo sie zu finden ist und so weiter. Je mehr Metadaten in Ihren CAD-Modellen verfügbar sind, desto einfacher wird es, Automatisierungen zu programmieren, um diese Daten für Echtzeit-3D zu optimieren.

Dies ist in der Regel das erste und längste Gespräch, das Brad mit Partnern führt, die ihre Echtzeit-3D-Nutzung ausbauen möchten. Wenn ein Katalog von 3D-Modellen nur wenige oder keine Metadaten enthält, ist es nicht möglich, Regeln für den Umgang mit verschiedenen Arten von Teilen aufzustellen. Wenn Sie beispielsweise eine große Maschine in eine Echtzeit-3D-Engine einbinden wollen, können Sie sie optimieren, indem Sie kleine Befestigungselemente entfernen. Eine einfache Regel zur Automatisierung dieses Prozesses würde alle Teile mit dem Wort „Schraube” in den Metadaten finden und sie verwerfen. Ohne diese Daten müssten diese Teile manuell oder mit Workarounds entfernt werden, denen es an Genauigkeit und Effizienz mangelt. Sie können sich sicher vorstellen, wie mühsam dieser Prozess sein kann und wie er Unternehmen daran hindern kann, in vollem Umfang von Echtzeit-3D zu profitieren.

„Wenn es für ein bestimmtes Teil keine Informationen gibt, fällt es entweder unter eine Regel, und wir können es nicht anders behandeln, oder wir müssen einen anderen Weg finden, diese Daten zu beschreiben”, sagt Brad.

Es ist zu beachten, dass viele CAD-Systeme zwar über integrierte Methoden zur Verwaltung von Metadaten verfügen, einige Unternehmen jedoch externe Tools wie eine Datenbank, eine PLM-Plattform oder eine Excel-Tabelle zur Verwaltung von Metadaten verwenden. Das ist in Ordnung, solange diese Informationen mit der 3D-Geometrie verknüpft werden können. Brad nennt das „Anreicherung des CAD-Modells”. Danach können immer noch Vorgänge für die Automatisierung erstellt werden.

Für Unternehmen mit wenigen Metadaten können die Möglichkeiten der Automatisierung zwar begrenzt sein, aber das bedeutet nicht, dass sie von der Echtzeit-3D-Welt ausgeschlossen sind. Es ist immer noch einfach, die Möglichkeiten manuell zu erkunden, und es ist nie zu spät, mit der Planung für die zukünftige Nutzung zu beginnen, indem neue CAD-Modelle mit geeigneten Metadaten angereichert werden.

Der Optimierungsprozess

Warum ist es wichtig, Daten für Echtzeit-3D zu optimieren?

Designer erstellen ein CAD-Modell als Mittel zum Zweck. CAD ist eine digitale Dokumentation für die Fertigung eines Teils. Was in diesem Zusammenhang benötigt wird, unterscheidet sich oft von dem, was in Echtzeit-3D-Anwendungen benötigt wird.

Ein Beispiel ist das CAD-Modell eines Autos. Ein Hersteller müsste die Größe und die Position jeder Mutter und jeder Schraube in der Baugruppe kennen, sodass die Detailgenauigkeit des Modells extrem hoch sein muss. Wäre dasselbe Auto jedoch in einem Videospiel, wäre die Darstellung jedes einzelnen Teils unter der Motorhaube für die Spieler nutzlos und würden die Grafikkarten überfordern. Andererseits kann eine andere Echtzeit-3D-Anwendung, z. B. ein digitaler Zwilling, eine höhere Detailgenauigkeit des Modells erfordern. Diese Anforderungen hängen auch vom Zielgerät ab, z. B. Smartphone, AR/VR-Headset, Laptop oder Workstation. Sie alle verfügen über unterschiedliche Rechenressourcen.

Datenoptimierung ist erforderlich, um sicherzustellen, dass Ihr CAD-Modell für Ihre Echtzeit-3D-Anwendung geeignet ist. Ausgehend von einer einzigen CAD-Quelle können gute Optimierungsprozesse mehrere Zwecke und Teams innerhalb eines Unternehmens versorgen. Laut Brad gibt es sechs Hauptgründe für die Optimierung.

Leistung: Die Optimierung der Daten ist notwendig, um ein flüssiges und fesselndes Erlebnis zu bieten – insbesondere bei Anwendungen mit hohen Frameraten wie VR, bei denen Ruckeln nicht nur störend, sondern sogar unangenehm ist.
Reaktionsfähigkeit: Echtzeit-3D-Anwendungen erfordern eine schnelle Reaktion auf Benutzereingaben und Änderungen der Umgebung, was bedeutet, dass 3D-Assets auf das Wesentliche beschränkt sein müssen.
Speichereffizienz: Optimierte Modelle bedeuten weniger Speicherbedarf, was besonders für die Kompatibilität zwischen verschiedenen Geräten wichtig ist.
Bandbreite und Speicherplatz: Durch die Optimierung der Daten wird die Größe der 3D-Assets, Texturen und Animationsdaten reduziert, was den Bedarf an Bandbreite und Speicherplatz verringert.
Plattformübergreifende Kompatibilität: Datenoptimierung kann eine konsistente Erfahrung auf verschiedenen Geräten gewährleisten.
Scalability: Die Verwendung optimierter CAD-Daten in Echtzeit-3D-Anwendungen ermöglicht größere und komplexere Szenen mit mehr Polygonen und Texturen in höherer Auflösung bei gleichbleibender Echtzeitleistung.

Tools zur Optimierung von CAD-Daten für Echtzeit-3D

So wie es eine Vielzahl von Echtzeit-3D-Plattformen gibt, gibt es auch eine Vielzahl von Tools zur Optimierung von CAD-Daten für diese Plattformen. Dieses Whitepaper konzentriert sich auf die Datenvorbereitungssuite Pixyz (Aussprache: „Pixies”). Obwohl Pixyz zu Unity, einer der beliebtesten Echtzeit-3D-Plattformen, gehört und von Unity entwickelt wurde, kann es verwendet werden, um CAD-Daten aus jedem Konstruktions- oder Design-Tool für jede Echtzeit-3D-Plattform zu optimieren.

Pixyz kann eine Vielzahl von CAD-Dateiformaten importieren, darunter CATIA, NX, SOLIDWORKS, Creo, STEP, IGES, FBX, OBJ, JT, USD, glTF und viele andere. Anschließend können Sie die optimierten Netzdaten in verschiedenen Formaten exportieren, darunter FBX, OBJ, glTF, glb, USD und andere.

Es gibt drei Pixyz-Produkte für die Optimierung von CAD-Daten: Pixyz Studio, ein eigenständiges Tool zur Datenaufbereitung und -optimierung, Pixyz-Plugin für Unity, ein vollständig integriertes 3D- und CAD-Datenimport-Tool für die Unity Engine, und Pixyz-Szenario-Prozessor, eine Software zur Automatisierung der Datenoptimierung im großen Maßstab. Wenn nicht anders angegeben, beziehen sich die Beispiele und Details in diesem Whitepaper auf Pixyz Studio.

Bewährte Praktiken für die Datenoptimierung

Grundsätzlich ist die Optimierung von CAD-Daten für Echtzeit-3D sehr einfach: Das ursprüngliche 3D-Modell muss so angepasst werden, dass eine gute Leistung in der Zielanwendung gewährleistet ist, ohne dass die Qualität darunter leidet. Achten Sie darauf, dass Sie das Modell nicht zu sehr vereinfachen. Wenn ein Autoreifen plötzlich quadratisch wirkt, dann ist das zu viel des Guten.

Es gibt mehrere Techniken, um effizient das Gleichgewicht zu halten. Die erste ist die richtige Tessellation, d. h. die Umwandlung der B-rep(Boundary Representation)-CAD-Daten in ein Polygon-Mesh.

„Es ist viel einfacher, die richtige Balance zwischen Leistung und Qualität bei der Tessellation von CAD zu Polygonen zu halten”, sagt Brad. „Die Dezimierung kann verwendet werden, um die Anzahl der Polygone später weiter zu reduzieren, aber die Tessellation mit einer niedrigeren Einstellung liefert bessere Ergebnisse als die Dezimierung eines Modells mit vielen Polygonen.”

Pixyz verfügt über eine Tessellation-Funktion, mit der Sie verschiedene Meshing-Parameter einstellen oder einfach zwischen den Voreinstellungen wählen können: niedrige, mittlere, hohe und sehr hohe Meshing-Genauigkeit, -Dichte und -Qualität. Der visuelle Unterschied zwischen diesen Einstellungen ist nicht immer offensichtlich, aber je höher die Polygonanzahl, desto höher ist der Rechenaufwand. Es gibt auch eine Funktion „Relative Tessellation”, die die Gesamtgröße des CAD-Modells berücksichtigt, um den Wert der Voreinstellung anzupassen. Generell sollte die niedrigste Einstellung gewählt werden, die eine akzeptable Qualität liefert.

Die Tessellation-Funktion bietet die Möglichkeit, eine sogenannte UV-Map für ein Modell zu erzeugen. Dabei handelt es sich um eine 2D-Karte der Modelloberfläche, in der Texturinformationen gespeichert sind. Wenn Sie in Ihrer Zielanwendung keine fotorealistische oder Echtzeit-Beleuchtung benötigen, empfiehlt Brad, in dieser Phase eine UV-Lightmap zu erstellen. Diese sogenannte „Baked-Beleuchtung” nimmt Ihnen Rechenarbeit im Vorfeld ab und spart somit Ressourcen für die Laufzeit.

Eine weitere Technik zur Verbesserung der Echtzeit-3D-Leistung ist die Vereinfachung der Daten durch Merging. Beispielsweise besteht die CAD-Assembly eines Flugzeugs aus vielen Einzelteilen, aber jedes dieser Teile einzeln zu erfassen, würde eine 3D-Anwendung überfordern. Durch das Merging wird dieser Aufwand erheblich reduziert.

„Es ist schneller, ein Modell, das aus einer einzigen Transformation (Positionsänderung, Rotation und Skalierung) besteht, in Echtzeit zu berechnen und zu rendern, anstatt Millionen von mechanischen und elektronischen Teilen”, sagt Franck.

Außerdem bestehen viele CAD-Assemblys aus verschachtelten Hierarchien von über- und untergeordneten Teilen, die sich manchmal über mehrere Ebenen erstrecken. Diese Hierarchien müssen so weit wie möglich abgeflacht werden. Stark verschachtelte Hierarchien verursachen unnötige Berechnungen in Echtzeit-3D-Anwendungen, während flachere Hierarchien ein effizienteres Multithreading ermöglichen.

Andererseits kann es sinnvoll sein, Modelle aufzuteilen. Ein großes Gebäudemodell könnte beispielsweise in Stockwerke unterteilt werden. Auf diese Weise können kleine Teile des Modells bei Bedarf in Echtzeit-3D-Anwendungen geladen werden, was Speicherplatz spart und die Leistung verbessert.

Einer der Hauptvorteile von Datenoptimierungssoftware wie Pixyz besteht darin, dass die Benutzer diese bewährten Verfahren leicht an verschiedene Datentypen, Anwendungen und Geräte anpassen können.

„Grundsätzlich ermöglichen Tools wie Pixyz einen gemeinsamen Workflow, unabhängig vom Anwendungsfall”, sagt Brad. „So können viele dieser Probleme auf die gleiche Weise und mit der gleichen Funktionalität gelöst werden.”

Erste Schritte mit Echtzeit-3D

Datenreife

Die Nutzung Ihrer vorhandenen 3D-Modelle in Echtzeit-3D-Anwendungen kann mehr oder weniger schwierig sein. Dies hängt von der Qualität Ihrer Daten (und Metadaten), den Zielanwendungen und -geräten sowie Ihrem technischen Fachwissen ab. Es ist zwar einfach, auf die Tools zuzugreifen und mit ihnen zu experimentieren oder sogar ein einmaliges Projekt durchzuführen, aber die Erstellung skalierbarer Workflows stellt eine ganz andere Herausforderung dar.

„Wenn Sie den vollen Nutzen aus Ihren CAD- und PLM-Daten ziehen wollen, ist dies mit einigem Aufwand verbunden.” „Dann gewinnen Sie aber einzigartige und leistungsstarke Möglichkeiten”, sagte Axel Jacquet, technischer Produktmanager bei Unity, zu engineering.com.

Franck stimmt zu und räumt ein: „Alte Modelle und Pipelines zu aktualisieren kann ein langwieriger Prozess sein”. Aber wie Axel ist auch er der Meinung, dass sich die Investition lohnt und „jedes Unternehmen von einer besseren Reaktionsfähigkeit profitieren kann, wenn der Übergang zu einer metadatengesteuerten Pipeline erfolgt”.

Für Neueinsteiger im Bereich Echtzeit-3D fällt das Fazit positiv aus: Es kann nicht schaden, einen Versuch zu wagen, und es lohnt sich, wenn Sie bereit sind, den Aufwand zu investieren. Der Aufwand hängt von mehreren Faktoren ab. Der wichtigste Faktor ist ein Konzept, das Brad „Datenreife” nennt. Reife Daten sind gut organisiert und enthalten viele Metadaten, die zur Automatisierung der Datenoptimierung verwendet werden können. Unreife Daten sind über mehrere Systeme verstreut und enthalten keine Metadaten. Es ist ein Spektrum und Sie sollten wissen, wo sich Ihr Unternehmen auf diesem Spektrum befindet.

„Es gibt verschiedene Stufen der Automatisierung”, sagt Brad. „Wenn die Daten nicht reif genug sind, können wir keine vollständige Automatisierungspipeline aufbauen. Aber wir können uns irgendwo zwischen 50 Prozent und dem Punkt bewegen, an dem vielleicht noch ein wenig manuelle Arbeit übrig bleibt.

Selbst wenn Ihre Daten noch nicht reif genug für eine vollständige Automatisierung sind, können Sie dennoch für neue Modelle verbessern, indem Sie sicherstellen, dass die richtigen Metadaten verfügbar sind. Es ist nie zu früh, bewährte Verfahren und reproduzierbare Muster für Namenskonventionen und die Verwendung von Metadaten zu etablieren.

„Beginnen Sie bereits in der Designphase damit, die Daten mit Anmerkungen zu versehen”, sagt Brad. „Das hat einen Dominoeffekt. Sie wollen vielleicht nicht, dass Designer 10 Minuten zusätzlich für das Hinzufügen von Metadaten aufwenden, aber wenn Sie verstehen, dass diese 10 Minuten später Tausende von Stunden einsparen, dann werden Sie sehen, dass es sich auszahlt.”

Zielanwendung und -plattform verstehen

Die optimale Form von Echtzeit-3D-Daten hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab – sowohl von der Anwendung als auch von dem Gerät, mit dem sie ausgeführt werden sollen. Ein 3D-Modell-Viewer auf einem Smartphone hat andere Anforderungen als eine Fabriksimulation auf einer High-End-Workstation. Um eine effektive Erfahrung mit Echtzeit-3D zu schaffen, müssen Sie sowohl die Hardware- als auch die Softwarebeschränkungen verstehen.

Für die Hardware empfiehlt Axel, sich die Spezifikationen des Zielgeräts (z.B. Meta Quest 3-VR-Headset) anzusehen. Durch Ausprobieren können Sie herausfinden, wie Sie Ihre Modelle in Bezug auf die Mesh-Größe, das Merging von Teilen und andere in diesem Whitepaper beschriebene Techniken am besten optimieren können. Pixyz wird demnächst Hardware-Voreinstellungen zur Verfügung stellen, welche die Optimierung für ein Zielgerät noch einfacher machen werden.

Bezüglich der Software ist es wichtig zu wissen, was die Endbenutzer mit Ihren Modellen machen. Beispielsweise ist es nicht möglich, alle Teile eines Autos zusammenzuführen, wenn erwartet wird, dass die Benutzer die Tür öffnen, und es ist nicht möglich, Teile wie den Motor zu entfernen, wenn erwartet wird, dass die Benutzer die Motorhaube anheben. Der Ansatz zur Optimierung eines CAD-Modells muss dessen Funktion in der Echtzeitanwendung berücksichtigen.

„Sie müssen Ihr Endziel und -szenario im Blick haben, und von dort aus können Sie Ihr Erfolgsrezept finden”, sagt Axel.

Einige Unternehmen beginnen gerne mit einem, wie Axel es nennt, „150-Prozent-Modell”, einer Masterversion der Daten mit so vielen Details wie möglich. „Das ist wirklich der perfekte digitale Zwilling des eigentlichen Produkts”, sagt er. Dieses Modell kann als Ausgangspunkt für jede andere Echtzeit-3D-Anwendung verwendet werden. Dann müssen Sie nur noch entscheiden, was Sie für die jeweilige Anwendung und das jeweilige Gerät nicht benötigen.

„Für mich ist das der perfekte Weg, denn Sie müssen nur eine große Datenbank mit perfekten Daten verwalten und können dann einige Export- oder Optimierungsszenarien erstellen, die Sie an Ihre Kanäle weitergeben können”, sagt Axel.

Ob das „150-Prozent-Modell” der richtige Weg ist, hängt natürlich von den Zielen, der Kultur und dem Reifegrad der Daten eines Unternehmens ab. Es gibt viele sinnvolle Ansätze zur Optimierung von Echtzeit-3D-Daten, aber die effektivsten nutzen alle bis zu einem gewissen Grad die Automatisierung.

„Mit Pixyz können Unternehmen ihre Daten nach Bedarf optimieren und auf diese Weise schnell reagieren und sich agil weiterentwickeln. Mit Scripts lassen sich die meisten Workflows automatisieren und an die eigenen Bedürfnisse anpassen”, sagt Franck.

Fazit

Viele Unternehmen im Ingenieurwesen verfügen über ein großes Repository an CAD-Modellen. Diese Unternehmen befinden sich in einer ausgezeichneten Position, um mit der Entwicklung von Echtzeit-3D-Anwendungen zu beginnen, die diese Assets nutzen. Die Optimierung von CAD-Daten für Echtzeit-3D erfordert einen gewissen Aufwand. Je nach Reifegrad der Daten und der Bereitschaft, Workflows anzupassen, fällt dies einigen Unternehmen leichter als anderen. Der Aufwand lohnt sich aber auf jeden Fall. Echtzeit-3D eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Designkompetenzen, die Erweiterung der Produktpalette, die Einbeziehung von Mitarbeitern und Kunden und vieles mehr.

Um mehr über die Verwendung von Pixyz zur Datenoptimierung zu erfahren, besuchen Sie unity.com.

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