3D-Darstellungen. Abgrenzung kartographischer Visualisierungen von Anwendungen anderer Fachdisziplinen

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlegende Begriffe der Kartographie und Geoinformation
2.1 Kartographie
2.2 Karte
2.3 3D-Kartographie
2.4 Begriffe aus der Geoinformation
2.5 Erfassung von 3D-Geodaten
2.5.1 Erfassung mittels Tachymetern und / oder GPS
2.5.2 Erfassung mittels digitaler Photogrammetrie
2.5.3 Erfassung mittels Laserscanning
2.6 Visualisierung von 3D-Geodaten
2.6.1 3D-Stadtmodelle
2.6.2 3D-Landschaftsmodelle
2.7 Alleinstellungsmerkmale kartographischer 3D-Visualisierungen

3 Wahrnehmung und Darstellung der dritten Dimension
3.1 Grundlagen des räumlichen Sehens
3.2 Monoskopische Raumwahrnehmung
3.3 Stereoskopische Raumwahrnehmung
3.4 Verfahren zur Bildkanaltrennung
3.5 Visualisierungsformen
3.5.1 Statische Visualisierungen
3.5.2 Dynamische Visualisierungen
3.5.3 Interaktive Visualisierungen
3.6 Eingabegeräte
3.7 Ausgabegeräte
3.8 Körperliche Visualisierungen
3.5.2 Generative Fertigungsverfahren
3.5.3 Glasinnengravur

4 Kartographische Beurteilung von Anwendungsgebieten aus dem Bereich 3D-Visualisierung
4.1 3D-Navigation
4.2 Architektur
4.3 Computerspiele
4.4 Film und Fernsehen
4.5 Geologie
4.6 Industrie
4.7 Medizin
4.8 Stadtplanung
4.9 Telekommunikation
4.10 Trainingsanwendungen

5 Fazit und Ausblick

6 Literaturverzeichnis

7 Internetverzeichnis

Zusammenfassung

In der Arbeit wird der Frage nachgegangen, ob es ein oder mehrere typische Merkmale gibt, die ein drei- dimensionales Modell zu einem kartographischen Produkt werden lassen. Dazu werden zunächst grund- legende Begriffe der Kartographie und Geoinformation erläutert, um daraus eine Definition für eine karto- graphische 3D-Visualisierung abzuleiten. Aus dieser Definition sollen Merkmale herausgefiltert werden, die eine kartographische 3D-Visualisierung eindeutig von einer nichtkartographischen 3D-Visualisierung unterscheiden.

Darüber hinaus soll in der Arbeit die heutige Anwendungsbreite von 3D-Darstellungen umfassend dargestellt werden. Diesbezüglich werden mehrere Einsatzgebiete von 3D-Visualisierungen vorgestellt, die jeweiligen Produkte erläutert und deren Zielgruppe beschrieben. Zu jedem Einsatzgebiet erfolgt eine abschließende Bewertung, ob die vorgestellten 3D-Darstellungen zu den kartographischen Darstellungen zählen. Damit soll veranschaulicht werden, in welchen Wissenschaftsbereichen es Aufgabe der Kartographie ist, dreidimensionale Räume zu modellieren und zu visualisieren.

Für ein besseres Verständnis der Materie sollen außerdem die Grundlagen des natürlichen und künst- lichen räumlichen Sehens erläutert werden. Ein Überblick über die Produktformen und die technischen Möglichkeiten zur Darstellung und Interaktion dreidimensionaler Visualisierungen runden die Thematik ab.

Abstract

This work deliberates upon the question whether there are one or more typical characteristics present that allow a 3-dimensional model into becoming a cartographic product. For this purpose, initially the basic terminology of cartography and geo-information is explained in order to derive from it a definition of a cartographic 3D visualization. The aim is to obtain characteristics from this definition which uniquely differentiate a cartographic 3D visualization from a non-cartographic 3D visualization.

In addition to this, this work intends to illustrate extensively the present day range applications of 3D representations. In this regard, several areas of application of 3D visualizations are presented, the relevant products explained and their target group described. Subsequently, each area of application is evaluated as to whether the presented 3D representations belong to cartographic illustrations. This is to exemplify in which fields of science cartography aims to model and visualize 3-dimensional spaces.

Moreover, to facilitate better understanding of the subject the basics of natural and artificial spatial viewing needs to be explained. The topic is finally rounded off by an overview of the product shapes and the technical possibilities of representation and interaction of 3-dimensional visualizations.

Vorwort

Die vorliegende Masterarbeit behandelt das Thema „3D-Darstellungen - Abrgenzung kartographischer Visualisierungen von Anwendungen anderer Fachdisziplinen“.

Die Aufgabenstellung der Masterarbeit entsprang einem Vorschlag von Frau Prof. Dr. Ursula Ripke von der Beuth Hochschule für Technik Berlin. Da ich bereits während meines Studiums den Bereich 3D-Kar- tographie näher kennen- und schätzen gelernt hatte, stellte die Untersuchung von Fachdisziplinen nach kartographischen dreidimensionalen Anwendungen für mich einen besonderen Reiz dar. Insbesondere die Vielfalt an kartographischen Anwendungsfeldern sowie die Menge an technischen Möglichkeiten zur Darstellung und Interaktion mit dreidimensionalen Modellen erwies sich für mich als sehr erstaunlich. Auch war für mich das Herleiten einer Definition für eine kartographische 3D-Visualisierung eine besondere Herausforderung, die ich gerne in Angriff nahm.

An dieser Stelle möchte ich meinen Dank an Frau Prof. Dr. Ursula Ripke aussprechen, die mir als Betreuerin stets hilfreich zur Seite stand, viele Unklarheiten beseitigte, immer wieder entscheidende Anregungen gab und insgesamt eine angenehme Arbeitsatmosphäre ermöglichte.

Darüber hinaus möchte ich mich bei allen Personen bedanken, die an dem Zustandekommen dieser Arbeit beteiligt waren. Besonderen Dank gilt meinen Eltern für die vielen Stunden des Korrekturlesens und für Ihre Unterstützung während meines Studiums.

1 Einleitung

Dreidimensionale Darstellungen begegnen uns heute alltäglich. In Zeitschriften und Prospekten wird mit 3D-Grafiken für Produkte geworben, auf Smartphones wenden wir 3D-Darstellungen zur Navigation an, das Fernsehen nutzt virtuelle dreidimensionale Visualisierungen zur Analyse von Fußballspielen, in 3D- Filmen wie Avatar lassen sich Millionen Kinozuschauer von der 3D-Technik beeindrucken. Die Medien überbieten sich mit teils euphorischen Schlagzeilen wie „Erste 3D-Fernseher ohne Brille“, „Modernes 3D verändert die Filmwelt“, „3D-Technik revolutioniert Medizinbranche“, „Neuer 3D-Drucker kann Gegenstände herstellen“. In unzähligen Bereichen der Wissenschaft und Technik haben 3D-Visualisierungen heute Einzug gehalten und sind für viele zu einer Selbstverständlichkeit geworden.

Der Leser stellt sich an dieser Stelle die Frage, was jene 3D-Darstellungen mit Kartographie zu tun haben? Zugegeben, auch die Kartographie nutzt seit jeher die dritte Dimension, um die Landschaft plastisch und somit verständlicher darzustellen. Reliefkarten, Panoramen oder Blockbilder sind nur einige kartographische Darstellungsformen, die bereits seit Jahrhunderten existieren. Die technische Entwicklung insbesondere in den letzten 30 Jahren hat die Möglichkeiten kartographische Darstellungen dreidimensional zu visualisieren stark erweitert. Durch ihre Anwendung auch auf mobilen Ein- und Ausgabegeräten sind sie zudem in vielerlei Hinsicht allgegenwärtig.

Doch welche Darstellungen sind das genau? Fallen auch architektonische 3D-Modelle in das Arbeitsfeld eines Kartographen? Handelt es sich bei der Herstellung von dreidimensionalen virtuellen Organen in der Medizin um kartographische Darstellungsformen? Ist es Aufgabe des Kartographen 3D-Spiele zu entwickeln? Wo liegen die Grenzen? Gibt es überhaupt welche? Existieren ein oder mehrere Merkmale, die eine kartographische 3D-Visualisierung eindeutig von anderen 3D-Visualisierungen unterscheiden? Oder sind alle 3D-Darstellungen auch automatisch kartographische Produkte? Die Beantwortung dieser Frage soll Gegenstand der Arbeit sein.

Um typische Merkmale dreidimensionaler kartographischer Darstellungen zu ermitteln, ist es wichtig zu wissen, was die Aufgaben der Kartographie sind und welche Kennzeichen eine Karte ausmachen. Das Kapitel 2 beschäftigt sich daher zunächst mit der Frage, was Kartographie bedeutet. Anschließend soll ausführlich beleuchtet werden, welche Merkmale unter Berücksichtigung aktueller wissenschaftlicher und technischer Erkenntnisse eine Karte besitzt. Ein Vergleich ausgewählter Definitionen aus den letzten Jahrzehnten soll bei der Beantwortung dieser Frage behilflich sein.

Im Kapitel 2.3 wird der Begriff 3D-Kartographie beschrieben. Insbesondere soll die Frage geklärt werden, mit welchen Darstellungsformen sich die 3D-Kartographie beschäftigt. In dem Zusammenhang wird der Leser mit zahlreichen Begriffen aus dem Bereich der Geoinformation konfrontiert, die im Kapitel 2.4 erläutert werden. Das Kapitel 2.5 befasst sich mit Erfassungsmethoden von 3D-Geodaten. Damit soll analysiert werden, ob es bestimmte Erfassungsmethoden gibt, die nur in der Kartographie Anwendung finden und so als Alleinstellungsmerkmal für kartographische 3D-Darstellungen angesehen werden können. Nachträglich werden Möglichkeiten der Visualisierung von 3D-Geodaten vorgestellt.

Schließlich wird im Kapitel 2.7 versucht aus den Kenntnissen der vorangegeangenen Kapiteln eine De- finition für eine kartographische 3D-Darstellung herzuleiten. Damit soll die Frage geklärt werden, ob es ein oder mehrere Alleinstellungsmerkmale für eine kartographische 3D-Visualisierung gibt. Oder anders ausgedrückt: Welche Kriterien machen ein 3D-Modell zu einer kartographischen Darstellung?

Das Kapitel 3 beschäftigt sich allgemein mit dreidimensionalen Visualisierungen. Der Leser soll über die Grundlagen des räumlichen Sehens informiert werden. Wie ist es möglich, dass wir auf natürliche Weise dreidimensional sehen? Mit welchen Voraussetzungen lassen sich auch ebene Darstellungen räumlich betrachten? Was verstehen wir überhaupt unter einer 3D-Visualisierung? Hierzu werden einige wichtige Verfahren und Visualisierungsformen des dreidimensionalen Sehens vorgestellt. Dies ist erforderlich, um ein besseres Verständnis über die im Kapitel 4 vorgestellten Anwendungsgebiete zu bekommen.

Im Kapitel 4 werden einige Fachdisziplinen ausführlich vorgestellt, in denen 3D-Visualisierungen eine Rolle spielen, wie zum Beispiel die Architektur, die Filmproduktion oder die Telekommunikation. Dazu soll die Anwendungsbreite der 3D-Darstellungen sowie die jeweilige Zielgruppe und Einsatzgebiete umfassend beschrieben werden. Für jede Fachdisziplin wird anschließend beurteilt, ob deren 3D-Darstellungen die in Kapitel 2.7 aufgestellten Kriterien einer kartographischen 3D-Darstellung erfüllen.

2 Grundlegende Begriffe der Kartographie und Geoinformation

In den folgenden Kapiteln sollen grundlegende Begriffe der Kartographie und Geoinformation erläutert und in Hinblick auf typische Merkmale von kartographischen 3D-Visualisierungen untersucht werden. Zu- nächst erfolgt eine Definition der Begriffe Kartographie, Karte und 3D-Kartographie. Im Anschluss werden gängige Begrifflichkeiten aus der Geoinformation wie 3D-Georaum, 3D-Geodaten oder 3D-Geoobjekte beschrieben. Dem folgt eine Vorstellung typischer Erfassungsmethoden sowie Möglichkeiten der Visuali- sierung von 3D-Geodaten. Ziel ist es im Kapitel 2.7 eine Definition einer kartographischen 3D-Darstellung aufzustellen und somit Merkmale zu finden, die ein kartographisches 3D-Modell von 3D-Modellen anderer Fachdisziplinen unterscheiden.

2.1 Kartographie

Die Kartographie ist als Tätigkeitsfeld eine sehr alte Disziplin. Erste Wegekarten, die der Lagebeschrei- bung dienten, gab es bereits 500 v. Chr. In der Antike und Spätantike wurden Karten durch neue Er- kenntnisse, wie der Entdeckung der Kugelgestalt der Erde zusehends präziser. Die Erfindung des Buch- drucks und Entdeckungsreisen wie von Kolumbus im 15. Jahrhundert führten laut Wehner (2008) zu einer Erweiterung und Verbreitung des bekannten Erdbilds durch kartographische Darstellungen. Der Ulmer Ptolemäus-Atlas von 1482, Martin Behaims „Erdapfel“ von 1492, Etzlaubs Pilgerkarte von 1500 mit dem Romweg, Gerhard Mercators Weltkarte von 1569 oder August Cromes Produktenkarte von Europa aus dem Jahr 1782 sind so Freitag (2008) nur einige Beispiele, die die kartographische Schaffenskraft seitdem belegen.

Die Grundlagen für die Anerkennung der Kartographie als Wissenschaft wurden laut Freitag (2008) hin- gegen erst zwischen 1795 und 1900 gelegt. In dieser Phase sind wichtige Voraussetzungen geschaffen worden wie z.B. die Festlegung des Meters als einheitliches Längenmaß. Neu gewonnene Erkenntnisse aus den Bereichen Astronomie, Physik, Mathematik, Geographie und Geodäsie haben die Kartographie wesentlich gefördert. Auch sorgten Forschungsreisen von James Cook (1768 - 1780) und Alexander von Humboldt (1799 - 1804) für die Entwicklung und Verbreitung neuartiger kartographischer Darstellungen (Freitag, 2008). 1840 erschien schließlich erstmals der Begriff „Kartographie“ im „Bulletin“ der geographi- schen Gesellschaft in Paris (Wehner, 2008).

In den letzten 100 Jahren hat sich die Kartographie als Wissenschaftsdisziplin etabliert. Gleichzeitig war sie in dieser Zeit starken Änderungen unterworfen. Dies betrifft insbesondere die letzten drei Jahrzehnte durch das Aufkommen der Computerkartographie, womit im eigentlichen Sinne die Herstellung von Karten durch Grafikprogramme gemeint ist (Wehner, 2008).

Dennoch sind nach Meng (2008) die Merkmale der Kartographie bis heute im Wesentlichen unverän- dert geblieben. So wird die Kartographie auch weiterhin „als Wissenschaft, Technik und Kunst der Kar- tengestaltung und -nutzung bezeichnet“ (Meng, 2008: S. 4). Eine differenziertere Beschreibung liefert Hake (2002). Nach ihm befasst sich die Kartographie „mit dem Sammeln, Verarbeiten, Speichern und Auswerten raumbezogener Informationen sowie in besonderer Weise mit der Veranschaulichung durch kartographische Darstellungen“ (Hake et al., 2002: S. 3). Ziel des Kartographen ist es die Bedürfnisse des Menschen nach raumbezogenen Informationen, z.B. hinsichtlich Navigations- und Orientierungslösungen durch kartographische Darstellungen zu befriedigen (Gartner & Schmidt, 2010). Kartographische Dar- stellungen - auch kartographische Ausdrucksformen genannt - lassen sich so Hake (2002) in Karten und kartenverwandte Darstellungen gliedern. Beide Begriffe - Karte und kartenverwandte Darstellung - wer- den im nächsten Kapitel näher beleuchtet.

2.2 Karte

Für den Begriff „Karte“ gibt es unzählige Definitionen. Laut Meng (2008) sind mehr als 360 Definitionsvarianten in Andrews (1998) und D‘lgnazio (2004) dokumentiert. Nachfolgend sollen einige Definitionen aus den letzten 60 Jahren aufgelistet werden. Damit soll verdeutlicht werden, wie eine Karte vor und nach dem Einzug der Computerkartographie in den 1980er Jahren beschrieben wurde. Die wesentlichen Merkmale jeder Definition sollen anschließend miteinander verglichen und analysiert werden, um so eine aus heutiger Sicht moderne Kartenbeschreibung zu finden.

Finsterwalder (1951): „ Die möglichst richtige und vollständige, durch Bezeichnungen erläuterte Darstel- lung der Landschaft in der zweidimensionalen Papierfläche unter Hervorhebung und Zusammenfassung des Wesentlichen. Feinheit der Wiedergabe, zugleich aber auch Zweckm äß igkeit und Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung und Vervielfältigung sind Kennzeichen und Voraussetzung für eine Karte und ein Kar- tenwerk “ (Internetverz. Nr. 1).

Bormann (1954): „ Die Karte ist das technisch-künstlerische, graphisch gestaltete Endergebnis wissen schaftlicher Forschung, Verarbeitung und Herstellung, die in der Vermessung, Verebnung und Verkleinerung der Erdoberfläche durch die Geodäsie und in der Beschreibung der Landschaft durch die Geographie und ihre Nachbarwissenschaften bestehen “ (Witt, 1979: S. 301).

Louis (1957): „ Als Karte können wir ein orientiertes, in angebbarem Maßstab verkleinertes, verebnetes, möglichst weitgehend ausmeßbar getreues Grundrißbild der Erdoberfläche oder von Teilen der Erdoberfläche bezeichnen, welches mit Hilfe seiner Darstellungselemente eine anschauliche Vorstellung von dem abgebildeten Gebiet zu vermitteln sucht. Dabei kann sowohl die Gesamtheit der für einen Landstrich bedeutungsvollen Erscheinungen wie auch eine beschränkte Auswahl von Erscheinungen den Gegenstand des Karteninhaltes bilden “ (Witt, 1979: S. 301).

Krallert (1963): „ Karten sind verebnete Abbildungen der Erdoberfläche vermittels konventioneller Zei chen und darauf beruhende Darstellungen verschiedener Thematik “ (Witt, 1979: S. 302).

Salichtchev (1967): „ Man nennt Karten verkleinerte, verallgemeinerte, mathematisch bestimmte Abbil dungen der Erdoberfläche in der Ebene, welche die Verteilung, den Zustand und die Zusammenhän ge der verschiedenen natürlichen und gesellschaftlichen Erscheinungen zeigen, die entsprechend dem Zweck jeder Karte ausgewählt und charakterisiert werden “ (Witt, 1979: S. 302).

Internationale Kartographische Vereinigung (1968): „ Maßstäblich verkleinerte, generalisierte und er läuterte Grundrissdarstellung von Erscheinungen und Sachverhalten der Erde, der anderen Weltkörper und des Weltraumes in einer Ebene “ (Internetverz. Nr. 1).

Imhoff (1972): „ Karten sind verkleinerte, vereinfachte Grundrisse der Erdoberfläche oder von Teilen der selben, ergänzt durch Eintragungen der verschiedensten, an die Erdoberfläche gebundene Vorkomm nisse und Erscheinungen. Der Ausdruck „ Grundriss “ besagt, daßes sich um konstruktiv-zeichnerische, lotrechte Parallelprojektion auf horizontaler Bildebenen handelt “ (Imhof, 1972: S. 12).

Mehrsprachiges Wörterbuch kartographischer Fachbegriffe (1973): „ Verebnete, maßstäblich ver- kleinerte, generalisierte und erläuterte kartographische Darstellung von Erscheinungen und Sachverhal- ten natürlicher und gesellschaftlicher Art der Erde, der anderen Weltkörper und des Weltraumes “ (Witt, 1979: S. 301).

Hake (1988): „ Eine Karte ist ein maßgebundenes und strukturiertes Modell räumlicher Bezüge. Sie ist im weiteren Sinne ein digitales, graphikbezogenes Modell, im engeren Sinne ein analoges, d. h. graphisches Modell “ (Hake, 1988: S. 68).

Arnberger (1997): „ Unter Karte versteht man nach der allgemein gebräuchlichen Definition das verebne te, verkleinerte und erläuterte Grundrißbild der Erdoberfläche. Eine sehr wesentliche Eigenschaft dieser Ausdrucksform ist eine, dem jeweils gewählten Maßstab entsprechende, maximale Lagegenauigkeit der Darstellungsinhalte …“ (Arnberger, 1997: S. 15).

Riedl (1999): „ Eine Karte präsentiert ein maßgebundenes und strukturiertes Modell räumlicher Bezüge und Objekte “ (Riedl, 1999: S. 59).

Scharfe (2001): „ Eine Karte ist das maßstäblich verkleinerte, generalisierte (vereinfachte), zeichenco dierte, textlich erläuterte und verebnete Grundrissbild eines Planeten oder eines Teils davon sowie von konkreten und abstrakten Erscheinungen in dem abgebildeten Raum “ (Scharfe, 2001).

Hake (2002) als Ergänzung zu Hake (1988): „ Für das graphische Modell gilt schließlich inhaltlich das, was allgemein alle kartographischen Darstellungen kennzeichnet, nämlich die Verwendung eines Zeichenvorrats mit vereinbarten Bedeutungen “ (Hake et al., 2002: S. 25).

Freitag (2008): Die Karte „ ist eine maßgebundene graphische Darstellung (Repräsentation) räumlichen, insbesondere georäumlichen Wissens. Sie lässt in ihrem Inhalt den Entwicklungsstand der Geo-Wissen- schaften, in ihrer Form und Herstellung den Stand von technischen Wissenschaften und ihrer Bewertung und Nutzung den Stand der Kultur und Sozialwissenschaften erkennen “ (Freitag, 2008: S. 59).

Die einzelnen Erläuterungen zeigen wie unterschiedlich eine Karte definiert werden kann. Einerseits gibt es viele Überschneidungen, andererseits existieren z.T. sehr differenzierte Auffassungen darüber, welche Eigenschaften eine Karte ausmachen. Schon Witt (1979) stellte vor mehr als drei Jahrzehnten fest, dass „die Begriffsbestimmungen … über Karten … ebenso zahlreich wie mitunter widersprüchlich“ sind. Wei- ter heißt es: „Gerade in diesem Widerspruch zeigt sich die Schwierigkeit einer „Beschreibung“ der Karte durch die gesprochene oder geschriebene Sprache …“ (Witt, 1979: S. 301). Der technische Wandel insbesondere in den 1980er Jahren hat diesen Umstand zusätzlich erschwert. War die Kartographie in den 1970er Jahren noch stark von photochemischen Produktions- und Reproduktionstechniken geprägt, so fand in den 1980er Jahren die Computerkartographie Einzug. Seitdem haben digitale Techniken in Form von kartographischen Produktionssystemen und geographischen Informationssystemen die analogen Verfahren zur Kartenherstellung nach und nach verdrängt. Dies erforderte eine neue Definition des Begriffs „Karte“ (Internetverz. Nr. 2).

Im Folgenden soll daher versucht werden eine Definition zu finden, in der die Eigenschaften einer Kar- te nach dem heutigen Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse und den praktischen Erfordernissen beschrieben werden. Der Einfluss der neuen Medien auf die Kartographie ist in der Vergangenheit Ge- genstand vieler Forschungsarbeiten gewesen. Riedl (1999) hat in dem Zusammenhang den Übergang vom graphisch-analogen Zeitalter hin zum digitalen Zeitalter, das er als New Media Zeitalter bezeichnet, dokumentiert (s. Abb. 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Definitionen der Karte im Wandel der Zeit, aus: Riedl (1999), S. 59

Die Grafik zeigt deutlich, wie sich die Merkmale einer Karte gewandelt haben. Im Folgenden soll auf die einzelnen Merkmale näher eingegangen werden. Dazu werden die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der auf den Seiten 13 und 14 genannten Definitionen beschrieben und analysiert.

- Merkmal „verkleinert“: Ein in fast allen Definitionen genanntes Merkmal einer Karte ist ihre Verklei- nerung. Einige Quellen (Louis (1957), Internationale Kartographische Vereinigung (1968), Mehr- sprachiges Wörterbuch kartographischer Fachbegriffe (1973), Scharfe (2001)) sprechen auch konkret von „maßstäblicher Verkleinerung“. Nach Bollmann & Koch (2002) ist der Maßstab „das lineare Verkleinerungsverhältnis von Zeichnungen, Abbildungen, Modellen und kartographischen Darstellungen“ (Bollmann & Koch, 2001: Band 2, S. 130). Gerade in neueren Definitionen ist hinge- gen von einem „maßgebundenen Modell“ (Hake (1988), Riedl (1999)) oder von einer „maßgebunde- nen Darstellung“ (Freitag (2008)) die Rede. Mit „maßgebunden“ soll verdeutlicht werden, dass der Maßstab von Karten durch die Digitalisierung sowohl konstant bleiben als auch stark variieren kann. Karten sind also nicht mehr nur „an einen einzigen graphischen Maßstab gebunden“ ( = maßstäblich), sondern können auch „allgemein geometrisch fixiert“ sein ( = maßgebunden) (Hake, 1988: S.65).
- Merkmal „generalisiert“: Auch kommt häufig der Begriff „generalisiert“ vor. Unter einer kartogra- phischen Generalisierung verstehen Bollmann & Koch (2002) „Theorien, Methoden und Verfahren zur Reduzierung und Verallgemeinerung von kartographischen Informationen“. Einige Definitionen umschreiben den Begriff als „Zusammenfassung des Wesentlichen“ (Finsterwalder (1951)), „den Zweck entsprechend ausgewählt“ (Salichtchev (1967)) oder als „vereinfacht“ (Imhoff (1972)). Hake (1988) und Riedl (1999) verwenden die Bezeichnung „strukturiert“, „d. h. durch Vereinbarungen auf- bereitet in bezug auf Generalisierung, Merkmalsbeschreibung usw.“ (Hake, 1988: S. 65).
- Merkmal „erläutert“: Eine Erläuterung kann sowohl durch Text als auch durch Kartenzeichen erfol- gen. Unter einem Kartenzeichen wird ein „künstliches Zeichen für Erscheinungen und Sachverhalte des Georaums, zusammenfassend als Geoobjekte bezeichnet, in Karten und anderen kartographi- schen Darstellungsformen“ verstanden (Bollmann & Koch, 2001: Band 1, S. 451). Den Begriff „Er- läuterung“ verwenden u.a. die Internationale Kartographische Vereinigung (1968), und Arnber- ger (1997). Eine Differenzierung zwischen textlicher und zeichnerischer Erläuterung nimmt Scharfe (2001) vor. Er spricht von einer zeichencodierten, textlich erläuterten Darstellung. Krallert (1963) verwendet die Bezeichnung „konventionelle Zeichen“. Nach Louis (1957) wird mit Hilfe von „Darstel- lungselementen“ versucht „eine anschauliche Vorstellung von dem abgebildeten Gebiet zu vermit- teln“. Bei Imhoff (1972) werden Karten durch „Eintragungen von Vorkommnissen und Erscheinun- gen“ näher bezeichnet. Hake (1988) und Riedl (1999) verwenden allgemein den Begriff „strukturiert“, der sowohl die Bezeichnung „erläutert“ als auch „generalisiert“ (s. o.) ersetzt.
- Merkmal „verebnet“: Dass es sich bei einer Karte um eine verebnete Darstellungsform handelt, wird vor allem in älteren Quellen erwähnt. Bollmann & Koch (2002) zufolge ist unter Verebnung die Überführung der „gewölbten Oberfläche des Erdkörpers ... als Grundriss in die Abbildungsfläche der Karte“ zu verstehen (Bollmann & Koch, 2001: Band 2, S. 405). In den meisten Definitionen ist direkt von „verebnet“ die Rede. Andere Autoren verwenden die Bezeichnung „zweidimensional“ (Finster- walder (1951)), „in der Ebene“ (Salichtchev (1967)) oder „Bildebene“ (Imhoff (1972)). Aktuellere Quellen (Riedl (1999), Freitag (2008)) verzichten hingegen auf das Merkmal „verebnet“. Das soll verdeutlichen, dass auch nichtebene Darstellungsformen (z.B. Virtual Reality Systeme, s. Kap. 3.5.3) als Karte bezeichnet werden können.
- Merkmal „Grundrissdarstellung“: Frühere Definitionen nutzen häufig die Begriffe „Grundriss“, „Grundrissbild“ oder „Grundrissdarstellung“. Imhoff (1972) erläutert den Begriff „Grundriss“ näher als eine „konstruktiv-zeichnerische, lotrechte Parallelprojektion auf horizontaler Bildebene“. Auf die- ses Merkmal wird in neueren Definitionen meist nicht mehr eingegangen. Statt einer „Grundrissdar- stellung“ nutzen Riedl (1999) und Hake (2002) die Bezeichnung „Modell“. Mit einem Modell ist ein vereinfachtes Abbild der Wirklichkeit gemeint, das nicht zwangsläufig im Grundriss abgebildet sein muss. Es kann durch eine „unterschiedliche Gewichtung / Hervorhebung von Informationen auf kon- krete Fragestellungen / Nutzergruppen je nach Bedürfnis zugeschnitten“ werden (Internetverz. Nr. 3). Laut Birkenhauer reduzieren Modelle „die komplexe Wirklichkeit auf ihre wesentlichen Merkmale und Strukturen und machen sie dadurch transparent und verstehbar“ (Birkenhauer, 1997: S. 164).
- Merkmal „räumlicher Bezug“: In älteren Definitionen ist die Darstellung einer Karte meist auf die Erdoberfläche oder auf Teile der Erdoberfläche beschränkt. Dass auch andere Planeten auf einer Karte abgebildet werden können, wurde schließlich in der Definition der Internationalen Kartogra- phischen Vereinigung (1968) berücksichtigt. Hier heißt es, dass „Erscheinungen und Sachverhalte der Erde, der anderen Weltkörper und des Weltraumes“ in Karten dargestellt werden können. Seit- dem ist in den meisten Erläuterungen allgemein von einer räumlichen Darstellung oder von einem Raumbezug die Rede, was sowohl den Georaum im Speziellen als auch den Weltraum im Allge- meinen impliziert. Sehr ausführlich hat diesen Umstand Scharfe (2001) beschrieben. Er spricht von einer Karte als „Grundrissbild eines Planeten oder eines Teils davon sowie von konkreten und abs- trakten Erscheinungen in dem abgebildeten Raum“. In dem Zusammenhang stellt Meng (2008) fest, dass eine Karte sogar „zur Visualisierung bzw. Verräumlichung nichträumlicher … Zusammenhänge genutzt“ werden kann (Meng, 2008: S. 3). Dies deckt sich mit der Meinung von Bollmann & Koch, die eines der Ziele der Kartographie darin sehen, Sachverhalte, die nicht räumlich sind, abzubilden. Als Beispiel nennen sie „sozioökonomische, verhaltens- und erfahrungsorientierte oder naturwissen- schaftlich-technologische Sachverhalte, die z.B. in Form von statischen Flächen, Trendflächen oder Zeitflächen abgebildet werden“ (Bollmann & Koch, 2001: Band 2, S. 257). Damit werden auch ur- sprünglich nicht kartographische Themen in Karten abgebildet.
- Merkmal „analog / digital“: Den Einzug der Computerkartographie in den 1980er Jahren hat erst- mals Hake (1988) berücksichtigt. So stellte er fest, dass eine Karte sowohl in analoger als auch in digitaler Form vorliegen kann. Auf eine Differenzierung analoger und digitaler Karten gingen später sowohl Riedl (1999), als auch Scharfe (2001) und Freitag (2008) nicht mehr ein. Dazu äußerte sich Riedl wie folgt: „Diese Unterscheidung wird ebenso bald der Vergangenheit angehören wie die Begriffe „digitale“ Kartographie oder „Computerkartographie“ Aber alleine aus dieser Unterschei- dung wird wiederum eindeutig das Übergangsstadium ersichtlich, in welchem sich die Kartographie zur Zeit befindet. Ist diese Phase vollzogen, wird im Grunde niemand mehr explizit über „Multimedia- Kartographie“ sprechen, da die Kartographie und deren Produkte ganz selbstverständlich multimedial sein werden. Ebenso ist eine Karte des zweiten Jahrtausends nichts anderes als eine sehr reduzierte Version einer „Multimedia-Karte“, visualisiert auf Papier“ (Riedl, 1999: S. 59).

Bei dem Vergleich der einzelnen Definitionen fällt auf, dass ältere Quellen die Karte sehr konkret beschreiben. In jüngeren Quellen findet man hingegen eine weitaus abstraktere und umfassendere Sichtweise auf die Karte. Trotz dieser den technischen Neuerungen geschuldeten Differenzen betont Meng, dass die „fundamentalen Merkmale der Kartographie und der Karte invariant geblieben“ sind. So lässt sich eine Karte durch „Maßstab, Raumbezug und Abstraktion immer noch unfehlbar von anderen graphischen Präsentationen unterscheiden“ (Meng, 2008: S. 4).

Um dem aktuellen wissenschaftlichen und technischen Entwicklungsstand gerecht zu werden, entscheidet sich der Autor für die Definition von Riedl (1999):

„ Eine Karte präsentiert ein maßgebundenes und strukturiertes Modell räumlicher Bezüge und Objekte. “

Mit Objekten sind Objekte der Realität gemeint, während Bezüge, oft auch als Sachverhalte bezeichnet, Objekte sind, die nur auf der Karte, nicht aber in der Realität existieren. Ein Beispiel ist die Darstellung einer Grenze, vorausgesetzt die Grenze ist nicht auch in der Realität als Objekt, z.B. als Mauer existent.

Maßstab, Raumbezug und strukturiertes Modell sind also die Merkmale, die eine Karte von anderen grafischen Darstellungen unterscheiden. Diese im Vergleich zu früheren Definitionen weitaus allgemei- ner gefasste Beschreibung einer Karte umfasst auch kartenverwandte Darstellungen. Der Begriff der „kartenverwandten Darstellung“ wurde erstmals von Imhoff (1963) erwähnt. Er war der Meinung, dass die Karte durch kartenverwandte Darstellungen ergänzt werden sollte, da letztere die dreidimensionale Geländeform in einer anschaulichen Weise repräsentieren können. Für kartenverwandte Darstellungen gelten ebenfalls die von ihm aufgestellten Merkmale einer Karte (vgl. S. 14), bestimmte Eigenschaften einer Karte treffen allerdings nicht zu:

- Die Darstellung der Erdoberfläche ist nicht verebnet. Solche Darstellungsformen werden als drei- dimensionale kartenverwandte Darstellungen bezeichnet. Darunter fallen körperliche Darstellungen wie Reliefdarstellungen (s. Abb. 2) sowie Globen.
- Die Darstellung der Erdoberfläche ist perspektivisch und nicht maßstäblich. Hierzu zählen alle zweidimensionalen, perspektivischen, zeichnerischen und bildhaften Geländeabbildungen wie z.B. Panoramakarten (s. Abb. 3) und Blockbilder (s. Abb. 4). Obwohl es sich um ebene Darstellungsfor- men handelt, entsteht beim Betrachten indirekt ein dreidimensionaler Eindruck. Solche Darstellungen werden daher auch als monoskopische 3D-Darstellung oder als Pseudo-3D-Darstellung bezeichnet (vgl. Kap. 3.2).
- Die Darstellung der Erdoberfläche ist nicht generalisiert. Hierzu gehören Luft- und Satellitenbilder.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Reliefkarte von Russland, aus: Internetverz. Nr. 4

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Panoramakarte der Region Greater Yellowstone, aus: Internetverz. Nr. 5

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Blockbild einer Karstlandschaft, aus: Internetverz. Nr. 6

Mit der Definition einer Karte von Riedl wird also die traditionelle Einteilung der kartographischen Darstellungsformen in Karte und kartenverwandte Darstellung aufgehoben. Meng begründet dies wie folgt: „Man muss allerdings zugeben, dass Standardkarten bei der Zahl von kartenverwandten Darstellungen bereits weit übertroffen sind. Die kartenverwandten Darstellungen als eine ergänzende Form zu behandeln ist daher nicht mehr zeitgemäß“ (Meng, 2008: S. 6).

Die Zunahme kartenverwandter Darstellungen ist in besonderem Maße dem Einfluss der digitalen Technik geschuldet. Diesen Zusammenhang erkannte auch Cartwright: „The use of multimedia and hypermedia has made great impacts on presentation and distribution of geographic information” (Cartwright et al., 2007: S. 257). Seine Aussage verdeutlicht den Mehrwert, den die Kartographie der digitalen Technik zu verdanken hat, nämlich ein Erweitern der Präsentationsmöglichkeiten und zugleich auch ein Verstärken ihrer Aussagekraft. Damit kommen Kartographen dem Kern ihrer Aufgabe näher, die Bedürfnisse der Menschen nach raumbezogenen Informationen zu befriedigen. Hierbei spielen dreidimensionale karto- graphische Darstellungen eine entscheidende Rolle. Im folgenden Kapitel sollen jene Darstellungsformen daher näher beleuchtet werden.

2.3 Dreidimensionale Kartographie

Die dreidimensionale Kartographie oder 3D-Kartographie löst durch ihre spontane Vermittlung von Raum und Perspektive seit jeher eine starke Faszination auf den Menschen aus. Die Abbildung dreidimensionaler Sachverhalte hat in der Kartographie dementsprechend eine lange Tradition. Erste körperliche Darstellungen in Form von Reliefkarten stammen bereits aus dem 15. Jahrhundert. Pioniere der Reliefmodellierung sind die Schweizer Franz Ludwig Pfyffer von Wyher (1716-1802) und Joachim Eugen Müller (1752-1833). Ihnen folgten im 20. Jahrhundert zahlreiche Vertreter dieses Kunsthandwerks. Als einer der letzten Experten auf dem Gebiet der manuellen Reliefherstellung kann der Austroschweizer Toni Mair (geb. 1940) angesehen werden (Buchroithner, 2007: S. 241-243).

Heute hat die manuelle Konstruktion von Reliefmodellen angesichts der Technologisierung zusehends an Bedeutung verloren. So ist es mittlerweile möglich zuvor am Computer erstellte 3D-Modelle auszudrucken, die ebenso detailliert sind wie ihre handgemachten Pendants (s. Kap. 3.8). Die Erfindung der Stereoskopie vor über 100 Jahren erlaubt zudem auch bei ebenen Darstellungen eine dreidimensionale Betrachtung durch stereoskopische Techniken (s. Kap. 3.3).

Hinzu kommen die monoskopischen 3D-Darstellungen bzw. die Pseudo-3D-Darstellungen. Solche Darstellungen vermitteln indirekt einen dreidimensionalen Eindruck. Als Blockbilder, Vogelschaubilder oder Panoramakarten waren sie bereits im 18. und 19. Jahrhundert weit verbreitet. Durch das Aufkommen der Computerkartographie zählen sie in Form von 2,5D- und 3D-Modellen (s. Kap. 2.4) heute zu den wichtigsten Darstellungsformen der Kartographie.

Laut Bollmann & Koch (2001) umfasst die 3D-Kartographie daher folgende Darstellungsformen:

- die dreidimensionalen körperlichen kartenverwandten Darstellungen,
- die Pseudo-3D-Darstellungen und
- die stereoskopischen Darstellungen.

Es soll darauf hingewiesen werden, dass zu den dreidimensionalen körperlichen kartenverwandten Dar- stellungen auch Globen gezählt werden, da bei Globen die Erde als Kugel und somit als körperliches Modell abgebildet wird. Die Reliefoberflächen werden allerdings für gewöhnlich verebnet aufgetragen, wodurch kein dreidimensionaler Eindruck entsteht. Aus dem Grund sollen Globen in der Arbeit nicht behandelt werden. Eine Ausnahme stellen Reliefgloben dar, die die Gebirge in dreidimensionaler, körperlicher Gestalt wiedergeben. Ebenfalls mit berücksichtigt werden digitale Globen, sofern sie eine Pseudo-3D-Betrachtung (z.B. Google Earth oder Google Maps) oder eine stereoskopische Betrachtung (z.B. Google Street View) ermöglichen.

Bevor nun der Versuch unternommen wird eine Definition für eine kartographische 3D-Darstellung her- zuleiten, ist es erforderlich im folgenden Kapitel einige grundlegende Begriffe aus der Geoinformation zu erläutern.

2.4 Begriffe aus der Geoinformation

Um eine Definition für eine kartographische 3D-Darstellung aufzustellen, ist es wichtig sich über die Be- deutung bestimmter Begrifflichkeiten aus der Geoinformation zu verständigen. Dies soll nachfolgend ge- schehen.

Die Wissenschaft der Geoinformation beschäftigt sich mit dem Erfassen, Verwalten, Analysieren und Präsentieren räumlicher Informationen in Geoinformationssystemen (Internetverz. Nr. 7).

Ein Geoinformationssystem ist eine Software zur Erfassung, Verwaltung, Analyse und Präsentation von Geodaten (s.u.) (Bollmann & Koch, 2001: Band 1, S. 304).

Ein Teilbereich der Geoinformation ist die Geovisualisierung. Die Geovisualisierung befasst sich mit der Präsentation, also der Vermittlung von räumlichen Informationen.

In der Kartographie wird der Begriff „Raum“, soweit er das Abbildungsobjekt Erde betrifft, als Georaum definiert. Bei einem Georaum handelt es sich um einen „die gesamte Erde umhüllenden Raum, die Erdoberfläche und die oberflächennahen Bereiche einschließenden Raum“ (Bollmann & Koch, 2001: Band 1, S. 319). In der Arbeit wird der Begriff Georaum auch auf Abbildungsobjekte des Weltraums erweitert. Ein Georaum ist somit ein Abbild der Realität, der Objekte und Sachverhalte der Erde darstellen kann und die Abbildung von anderen Planeten unseres Sonnensystems nicht ausschließt.

Objekte und Sachverhalte innerhalb eines Georaums werden durch Geodaten beschrieben. Geodaten sind „Daten, die einen Raumbezug aufweisen, über den ein Lagebezug zur Erdoberfläche hergestellt werden kann. Sie beschreiben Objekte der Realität (und Sachverhalte) … durch geometrische und inhaltliche Attribute“ (Bollmann & Koch, 2001: S. 289). Der Raumbezug wird durch geographische oder kartesische Koordinaten (z.B. Gauß-Krüger-Koordinaten, UTM-Koordinaten) hergestellt. Auch hier wird der Begriff Geodaten auf den Weltraum ausgedehnt.

Mittels Geodaten lassen sich Geoobjekte beschreiben. Geoobjekte sind künstliche Zeichen für Erscheinungen und Sachverhalte des Georaums (Bollmann & Koch, 2001: S. 451).

In Geoinformationssystemen können Geodaten in verschiedenen geometrischen Dimensionen abgebildet werden:

- 2D-Geodaten sind durch die Lagekoordinaten x,y gekennzeichnet.
- Bei 2,5D-Geodaten ist jede Lagekoordinate (x,y) durch exakt einen Höhenwert (z) ergänzt. Die Höhe ist dabei lediglich als Attribut gespeichert. Dadurch erhält man ein räumliches Modell, dass auch als 2,5D-Modell bezeichnet wird. In dieser Form liegen die meisten digitalen Geländemodelle vor. Das Attribut kann einen tatsächlichen Höhenwert darstellen, es kann aber auch eine andere Information wie die Zeit, die Geländeneigung oder den Bewuchs beschreiben.
- Bei 3D-Geodaten ist die Höhe als „echte“ Koordinate abgespeichert. Das bedeutet, dass jede Lage- koordinate mehrere Höhenwerte besitzen kann. Dadurch erhält man ein 3D-Modell. Da mit solchen Modellen das Berechnen von Volumen möglich ist, bezeichnet man sie auch als 3D-Volumenmodel- le.

Das 3D-Modell befindet sich in einem virtuellen, unendlichen Raum, dem 3D-Raum. Der 3D-Raum ist durch einen Koordinatenmittelpunkt gekennzeichnet sowie durch drei Raumachsen (x, y, z), die senkrecht zueinander stehen (Clausen, 2006). Die Punkte des 3D-Modells werden den drei Koordinaten eines 3D- Raums zugeordnet und sind somit plastisch sichtbar.

Die Konstruktion von 3D-Modellen wird als 3D-Modellierung bezeichnet. Die 3D-Modellierung unterscheidet drei Modellklassen: 3D-Gittermodelle, 3D-Flächenmodelle (= 2,5D-Modelle) und 3D-Volumen- modelle (s. Kap. 3.5.1).

Um den Realitätseindruck zu verstärken werden 3D-Modelle häufig mit Texturen ergänzt. Dabei handelt es sich um Bilder, die Materialen wie Holz, Stein oder Glas darstellen. Den Vorgang bezeichnet man als 3D-Texturierung.

Wird ein 3D-Modell durch Lichteffekte oder Objekten der umgebenden Umwelt wie zum Beispiel der Farbe des Himmels ergänzt, spricht man von einer 3D-Szene. Beleuchtungen sollen das Umgebungslicht und die direkte Sonneneinstrahlung simulieren. Die Folge sind Schatten, die das Modell noch realistischer erscheinen lassen Während Geodaten durch explizite Koordinaten (geographische oder kartesische Koordinaten) beschrie- ben werden, sind Raumdaten durch fiktive Koordinaten gekennzeichnet. Dementsprechend können Raumdaten auch fiktive Landschaften darstellen bzw. Landschaften beinhalten, die keinen konkreten Bezug zur Realität aufweisen. Sie beziehen sich also nicht auf eine bestimmte Position innerhalb des Georaums.

Im nächsten Kapitel sollen Methoden vorgestellt werden, mit denen sich 3D-Geodaten gewinnen lassen.

2.5 Erfassung von 3D-Geodaten

Für die Erfassung von 3D-Geodaten existieren eine Vielzahl von Verfahren. Hierzu zählen u.a. kartographische und vermessungstechnische Methoden. Die Erfassung mittels kartographischer Methoden erfolgt z.B. durch Interpretationen von Karten. Eine vermessungstechnische Erfassung erfolgt entweder anhand von Tachymetern bzw. GPS, durch photogrammetrische Verfahren oder mittels Laserscanning. Die drei Verfahren sollen nun kurz beschrieben werden.

2.5.1 Erfassung mittels Tachymetern und / oder GPS

Ein Tachymeter dient der gleichzeitigen Messung von Strecken, Horizontal- und Vertikalwinkeln, aus denen nachträglich dreidimensionale Koordinaten berechnet werden können (Internetverz. Nr. 8). GPS (= Global Positioning System) ist ein satellitengestütztes Navigations- und Vermessungssystem. Mit geeigneten Empfängern ist es möglich die Position auf oder über der Erdoberfläche festzustellen (Inter- netverz. Nr. 9).

Beide Methoden sind sehr präzise. Sie erfordern aber laut Coors & Zipf (2005) einen hohen Arbeitsaufwand und sind flächendeckend für die 3D-Objekterfassung nicht sehr effizient. Als nachteilig erweist sich zudem, dass sich Dachlandschaften nur schwer oder gar nicht erfassen lassen. Auch ist diese Methode durch das Fehlen von Abbildungen für Visualisierungen nicht geeignet.

2.5.2 Erfassung mittels Photogrammetrie

Die Photogrammetrie umfasst die „Gesamtheit der Theorien, Verfahren und Geräte zur Gewinnung, Ver- arbeitung und Speicherung von primär geometrischen Informationen über Objekte und Prozesse aus Bildern“ (Bollmann & Koch, 2001: Band 2, S. 216). Die Erfassung der Daten kann mittels terrestrischer Photogrammetrie, Aerophotogrammetrie oder Satellitenphotogrammetrie erfolgen. Allen Technologien gemein ist, dass es sich um passive Verfahren handelt, d.h. sie nutzen die in der Natur vorhandene Strah- lung, die von der Erdoberfläche oder einem Objekt ausgeht und wandeln sie je nachdem, ob es sich um einen chemischen oder elektronischen Sensor handelt, in ein analoges oder digitales Bild um.

Bei der terrestrischen Photogrammetrie erfolgt die Bildaufnahme von erdfesten Aufnahmeorten. Objekte werden in kurzen Aufnahmeentfernungen zwischen wenigen Zentimetern bis zu rund 200 Metern erfasst (Bollmann & Koch, 2001). Als Sensoren kommen in erster Linie hochauflösende digitale Handkameras, also elektronische Sensoren zum Einsatz. Anwendung findet die terrestrische Photogrammetrie u.a. in der Architektur, im Bauingenieurwesen, in der Denkmalpflege, im Denkmalschutz und in der Archäologie (Internetverz. Nr. 10).

Die Aerophotogrammetrie beschreibt die Aufnahme von Luftbildern aus einem Flugzeug. Dementsprechend erfolgt die Erfassung in einer Höhe von 0,3 bis 10 km (Bollmann & Koch, 2001). Aufgrund ihrer hohen geometrischen Auflösung wird die Bildaufnahme in erster Linie durch Reihenmesskameras realisiert. Zum Einsatz kommen aber auch digitale Systeme. Hierzu zählen z.B. optisch-mechanische Scanner und optoelektronische Scanner.

Als dritte Erfassungsmethode kommen satellitengestützte Verfahren in Frage. Die Aufnahmeentfernung liegt zwischen 200 und 400 km. Die Bildaufnahme erfolgt überwiegend digital. Ermöglicht wird dies durch optisch-mechanische Scanner wie z.B. den Landsat-Satelliten oder durch optoelektronische Scanner (Spot, Ikonos, Quickbird u.a.). Daneben können auch Radarsensoren eingesetzt werden. Entsprechend ausgerüstete Satelliten sind SRTM, TerraSAR-X, Radarsat und Envisat. Die analoge Bildaufnahme per Satellit ist hingegen selten.

Die Ergebnisse der Erfassung sind analoge oder digitale Bilder aus denen ein digitales Höhenmodell (DHM) des aufgenommenen Geländeabschnitts gewonnen werden kann. Unter einem DHM wird eine die feste Erdoberfläche inklusive der Vegetations- und Bebauungsoberfläche beschreibende 3D- Punktemenge verstanden (Bollmann & Koch, 2001). Eine 3D-Punktemenge ist eine große Anzahl von Punkten mit Raumkoordinaten. Wird die Darstellung auf das Bodenprofil reduziert, spricht man von einem digitalen Geländemodell (DGM).

2.5.3 Erfassung mittels Laserscanning

Die Erfassung von 3D-Daten mittels Laserscanning erfolgt u.a. von Flugzeugen aus. Im Gegensatz zu den photogrammetrischen Verfahren ist die primäre Zielsetzung nicht die Erzeugung von Bildern, sondern das Messen von 3D-Punkten. Auch handelt es sich bei Laserscannern um eine aktive Technologie. Dazu wird das Gelände mittels eines Laserstrahls abgetastet.

Als Ergebnis der Messung erhält man eine 3D-Punktemenge, aus der sich ein digitales Geländemodell ableiten lässt. Neuere Systeme ermöglichen zudem für Waldgebiete die direkte Erzeugung eines digitalen Geländemodells, indem die durch Baumkronen entstandene Signalstreuung ausgefiltert wird (Internetverz. Nr. 11). Damit sind Laserscansysteme den photogrammetrischen Systemen vor allem in Waldgebieten überlegen (Coors & Zipf, 2005).

Ein weiterer Vorteil gegenüber photogrammetrischen Verfahren ist, dass die dreidimensionalen Punkte bereits während des Fluges erfasst werden. Auch müssen Laserscanaufnahmen nicht aufwändig nachbearbeitet werden. Als nachteilig erweist sich, dass keine farbigen Bilder erzeugt werden können und dass das Verfahren sehr teuer ist. Dies liegt u.a. daran, dass Laserscanner einen sehr viel schmaleren Bereich aufnehmen und somit mehr Aufnahmen benötigt werden.

Neben flugzeugtragenden Systemen gibt es auch terrestrische Laserscanner. Sie werden wie die Verfah- ren der terrestrischen Photogrammetrie z.B. in der Architektur oder dem Bauingenieurwesen eingesetzt. Außerdem werden Laserscanner in der mobilen Datenerfassung auf Fahrzeugen genutzt. Sie dienen z.B. zur Dokumentation von Fassaden oder zur Erfassung von Verkehrsanlagen wie Straßen, Tunnel und Überführungen. Durch die Kombination mit einer Digitalkamera lassen sich für die erzeugte 3D-Punkte- menge entsprechende Texturen gewinnen (Internetverz. Nr. 12).

Die genannten Erfassungsmethoden können zur Gewinnung von 3D-Geodaten genutzt werden. Ihr Ein- satz ist aber auch für die Gewinnung von Raumdaten möglich. Ein Beispiel ist das Laserscannen von Büsten und Skulpturen. Daher stellen die Erfassungsmethoden kein Ausschlusskriterium für ein kartogra- phisches Modell dar.

2.6 Visualisierung von 3D-Geodaten

3D-Geodaten sind die Basis für die Konstruktion dreidimensionaler Abbildungen von Geoobjekten. Ihre Visualisierung, also das Sichtbarmachen erfolgt in der Kartographie meist in Form von 3D-Stadtmodellen und 3D-Landschaftsmodellen. Beide Darstellungsformen sollen in den nächsten beiden Kapiteln vorge- stellt werden. Darüber hinaus sollen entsprechende Methoden des Renderings beschrieben werden. Als Rendern wird der Vorgang zur Erzeugung der Visualisierung eines 3D-Modells am Bildschirm bezeichnet (Internetverz. Nr. 13).

2.6.1 3D-Stadtmodell

Ein 3D-Stadtmodell ist ein dreidimensionales Modell eines Stadtgebietes. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Hervorhebung der Gebäude. Neben den Gebäuden lassen sich auch Gelände, Wasser-, Transportund Vegetationsobjekte abbilden (Internetverz. Nr. 14).

Als Datengrundlage für 3D-Stadtmodelle dienen geodätische Daten, aber auch Daten anderer Fachdis- ziplinen mit Raumbezug. Nutzbare Datenquellen sind zum Beispiel Luft- und Satellitenbilder, Laserscan- daten, ALK-Gebäudegrundrisse (ALK = Automatisierte Liegenschaftskarte), terrestrische Fotos, CAD- Daten (CAD = computer-aided design, zu deutsch rechnergestützter Entwurf, d.h. durch eine Software entworfene bzw. konstruierte technische Zeichnungen oder Gegenstände (Internetverz. Nr. 15)), digitale Geländemodelle, digitale Orthofotos oder Informationen über Verkehrswege, der Vegetation oder der Nutzungsart von Gebäuden.

Für die Standardisierung von 3D-Stadtmodellen wurde die Anwendungssprache CityGML (= City Geography Markup Language) entwickelt. CityGML sieht vor den Gebäudebestand in fünf Detailstufen, den sogenannten Level of Detail (LoD) zu unterscheiden. Sie sind das Ergebnis unterschiedlicher Aufnahmeverfahren bzw. resultieren aus Anforderungen unterschiedlicher Nutzungen. Zudem können sie auch beim Rendering eingesetzt werden.

In Tab. 1 werden die fünf Detailstufen vorgestellt. Die Erfassungsgeneralisierung beschreibt die Objektform und -größe. Die Objektgröße versteht sich als Ausschlusskriterium, ab welcher Grundflächengröße ein Objekt im jeweiligen LoD aufgenommen wird. Die Punktgenauigkeit beschreibt die Lage im GaußKrüger-Koordinatensystem.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1: Beschreibung der Detailstufen Level of Detail, aus: Internetverz. Nr. 16 mit Ergänzungen aus Internetverz. Nr. 17

2.6.2 3D-Landschaftsmodell

Im Vergleich zu einem 3D-Stadtmodell liegt der Fokus bei einem 3D-Landschaftsmodell auf der Vegetationsdarstellung. Hierbei kommen u.a. Luft- und Satellitenbilder, Geländemodelle, Orthofotos oder Informationen zur Vegetationsart als Datengrundlage zum Einsatz.

Ein wichtiges Kriterium für ein realistisches Landschaftsmodell ist die Anzahl und Detaillierung der Pflan- zen. Dabei kann es zu großen Datenmengen kommen, die ein flüssiges Navigieren unter Umständen verhindern. Beim Rendering werden daher spezielle Algorithmen genutzt, die die Szene reduzieren, ohne dass der Nutzer davon etwas merkt. So wird auch bei großen Datenmengen das Navigieren in Echtzeit ermöglicht.

Zu beachten ist, dass bei 3D-Landschaftsmodellen keine eindeutigen Regeln für das Rendern existieren wie es bei 3D-Stadtmodellen mit dem CityGML-Standard der Fall ist. Allerdings ist CityGML wie alle Standards auch nur ein Vorschlag und muss von den Programmierern für das Rendern nicht verwendet werden. Daher lassen sich die folgenden Ausführungen teilweise auch auf 3D-Stadtmodelle anwenden.

Ein allgemein bei 3D-Echtzeitanwendungen genutztes LoD-Verfahren basiert auf der Annahme, dass aktuell für den Betrachter unwichtige Objekte weggelassen oder durch vereinfachte Versionen ersetzt werden. So werden zum einen für den Betrachter nicht sichtbare Objekte nicht erzeugt. Zum anderen werden Objekte, deren visuelle Größe nur wenige Pixel betragen, weil sie sich im Hintergrund befinden, nicht in ihrer vollständigen Auflösung dargestellt (Internetverz. Nr. 18). Die Folge ist eine deutliche Reduktion der Datenmenge und dadurch in der Regel eine Beschleunigung der Bilderzeugung.

Für die Vereinfachung gibt es mehrere Methoden. Meistens wird eine Vereinfachung durch eine Verringerung der Polygonzahl erreicht. Abb. 5 soll diesen Vorgang verdeutlichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Darstellung eines Kugelobjekts in verschiedenen LoD-Stufen, aus: Internetverz. Nr. 18

Das Entfernen erfolgt ebenfalls auf unterschiedliche Weise. Beispielsweise werden verdeckte Objekte, wie nach hinten weisende Äste eines Baumes entfernt, da sie ohnehin nicht sichtbar sind. Speziell für Landschaftsmodelle wurden Verfahren entwickelt, die komplizierte Aststrukturen vereinfachen. Ausge- hend von der Länge und Orientierung der Äste werden so unterschiedliche Auflösungsstufen einer Pflan- ze berechnet (s. Abb.6).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: LoD-Verfahren für eine Aststruktur nach Beaudoin, aus: Internetverz. Nr. 18

Wieder eine andere Methode stellt das Zusammenfassen von Elementen dar, die anschließend durch ein Bild der Ursprungsszene ersetzt werden. Abb. 7 veranschaulicht eine solche Methode. Auf dem Bild links muss für jedes Blatt eine eigene Textur geladen werden. Diese Texturen werden, wie rechts im Bild dargestellt, durch eine einzige „große“ Textur ersetzt, die die charakteristischen Merkmale der einzelnen Texturen auf dem linken Bild repräsentieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: LoD-Darstellung eines Zweiges, aus: Internetverz. Nr. 18

2.7 Alleinstellungsmerkmale kartographischer 3D-Visualisie- rungen

In Kap. 2.2 wurden bereits die Merkmale beschrieben, die eine Karte von anderen Visualisierungen unterscheiden. Der Autor entschied sich für die Definition einer Karte von Riedl (1999). Zur Erinnerung soll sie noch einmal genannt werden.

„ Eine Karte präsentiert ein maßgebundenes und strukturiertes Modell räumlicher Bezüge und Objekte. “

Da, wie im Kap. 2.2 erwähnt, nicht mehr explizit zwischen Karten und kartenverwandten Darstellungen unterschieden wird, gelten diese Merkmale sowohl für zweidimensionale als auch für dreidimensionale „Karten“. Im Folgenden sollen die einzelnen Merkmale einer Karte noch einmal näher betrachtet werden:

Raumbezug: Die dargestellten Sachverhalte bzw. Objekte werden durch 3D-Geodaten beschrieben, d.h. sie befinden sich innerhalb eines Georaums, der sowohl Objekte und Sachverhalte auf der Erde als auch auf anderen Planeten unseres Sonnensystems impliziert.

Maßgebunden: Die Darstellung ist maßgebunden, d.h. der Maßstab kann konstant sein, aber auch stark variieren. Der Maßstab ist „das lineare Verkleinerungsverhältnis von Zeichnungen, Abbildungen, Model- len und kartographischen Darstellungen“ (Bollmann & Koch, 2001: Band 2, S. 130). Allerdings ist anzu- merken, dass ein Verkleinerungsverhältnis nicht zwangsläufig gegeben sein muss. So lassen sich digitale Darstellungen so stark vergrößern, dass sie der Darstellung in der Realität 1:1 entsprechen. Daher ist es präziser in Bezug auf den Maßstab anstatt von einem Verkleinerungsverhältnis nur von einem Größen- verhältnis zu reden.

Eine maßgebundene Darstellung unterscheidet sich also nicht durch ein Verkleinerungsverhältnis von einer maßlosen Darstellung. Doch worin besteht der Unterschied dann? Eine maßlose Darstellung beruht nicht auf einem Referenzsystem (wie z.B. dem Gauß-Krüger-Koordinatensystem), sondern auf subjekti- ven Entfernungsvorstellungen. Ein Beispiel ist eine zweidimensionale Handskizze. Diese 2D-Skizze ist auch dann noch maßlos, wenn sie in einem 3D-Raum übertragen wird, wodurch man ein 3D-Modell mit starken Verzerrungen erhält. Zwar muss aus Sicht der Informatik jeder Raum eine Dimension haben, also auf einem Referenzsystem beruhen und damit maßgebunden sein - dies soll an dieser Stelle aber nicht in den Vordergrund gestellt werden. Somit bleibt der Maßstab ein Kriterium für eine Karte, wenn auch selten ein ausschließendes.

Strukturiertes Modell: Die Darstellung entspricht einem strukturierten Modell, also einem vereinfachten Abbild der Realität, das auf die wesentlichen Merkmale und Strukturen reduziert ist. Die Darstellungselemente stellen dabei klassifizierte Verallgemeinerungen dar und somit keine individuellen Kennzeichen mehr (Gartner & Schmidt, 2010). Dieses Merkmal gilt allerdings lediglich für zweidimensionale Karten. Objekte in dreidimensionalen „Karten“ können durchaus individuell sein. Ein Beispiel ist ein Modell, das mit individuellen Texturen versehen ist.

Nun soll noch einmal zur Erinnerung auf die im Kapitel 2.3 erwähnten Darstellungsformen der 3D-Kartogra- phie eingegangen werden. Sie lassen sich in Darstellungen einteilen, die einen direkten dreidimensiona- len Eindruck vermitteln (körperliche kartenverwandte Darstellungen und stereoskopische Darstellungen) und in Darstellungen, die einen indirekten dreidimensionalen Eindruck vermitteln (Pseudo-3D-Darstellun- gen).

Eine dreidimensionale kartographische Visualisierung lässt sich demnach wie folgt definieren:

Eine dreidimensionale kartographische Visualisierung ist ein maßgebundenes Modell georäumlicher Bezüge und Objekte mit allgemeinen oder individuellen Merkmalen, die einen direkten oder indirekten räumlichen Eindruck vermittelt.

Die unterstrichenen Passagen wurden mit den oben aufgeführten Erläuterungen relativiert und bilden kein ausschließendes Kriterium für eine kartographische 3D-Darstellung. Übrig bleibt das Merkmal georäumliche Bezüge und Objekte.

Man kann also postulieren, dass sich eine 3D-Visualisierung innerhalb eines Georaums befinden muss, um kartographisch zu sein. Sie muss sich also in einem 3D-Raum befinden, der durch geographische oder kartesische Koordinaten beschrieben wird. Anders ausgedrückt: Die Darstellung muss auf Geodaten beruhen. Dies entspricht laut Gartner & Schmidt auch dem Kern der kartographischen Aufgabe, nämlich „der Aufbereitung und Gestaltung von Präsentationen raumbezogener Sachverhalte bzw. Objekte ...“ (Gartner & Schmidt, 2010: S. 304).

Nach dem Merkmal Georaum bzw. Geodaten sollen im Kapitel 4 3D-Visualisierungen ausgewählter Fachdisziplinen untersucht werden, um die Frage zu klären, welche 3D-Visualisierungen kartographisch sind und welche nicht. Zum besseren Verständnis ist es zunächst jedoch erforderlich, wichtige Begriffe und Verfahren aus dem Bereich 3D-Visualisierung vorzustellen. Das Kapitel 3 gibt daher eine Übersicht über die Grundlagen der Wahrnehmung und Darstellung der 3. Dimension.

3 Wahrnehmung und Darstellung der dritten Dimension

Dieses Kapitel soll eine Übersicht über verschiedene Begriffe und Verfahren der dreidimensionalen Visualisierung bzw. 3D-Visualisierung geben, um die Ausführungen im 4. Kapitel besser nachvollziehen zu können. 3D-Visualisierung ist ein Sammelbegriff für Abbildungen mit Tiefeninformationen unter Ver- wendung von Tiefenhinweisen. Dabei kann es sich um statische, dynamische oder interaktive Darstellun- gen handeln. Sie müssen „weder zwangsläufig computergeneriert sein noch eine Abbildung des realen Raums darstellen“ (Clausen, 2006: S. 5). Die räumliche Wahrnehmung kann indirekt (s. Kap. 3.2) oder direkt (s. Kap. 3.3) erzeugt werden. Auch können 3D-Visualisierungen sowohl auf flachen Medien wie- dergegeben werden (s. Kap. 3.2-3.7), als auch in körperlicher Form existieren (s. Kap. 3.8) (Bollmann & Koch, 2001).

Zunächst werden einige grundlegende Kenntnisse des räumlichen Sehens, auch stereoskopisches Sehen genannt, erläutert. Dies ist erforderlich um zu verstehen, wie der Mensch auch flächenhafte Bilder dreidimensional wahrnehmen kann.

3.1 Grundlagen des räumlichen Sehens

Informationen aus der Umwelt nimmt der Mensch unter anderem durch visuelle Reize auf. Als Informationsträger dient dabei die elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen etwa 400 und 750 Nanometer (Internetverz. Nr. 19). Dieser Bereich wird auch als das sichtbare Licht bezeichnet.

Fällt Licht auf einem Gegenstand, wird es reflektiert oder gestreut. Ein Teil dieser Strahlung gelangt so in das menschliche Auge. Die Lichtwellen werden von der Augenlinse gebrochen und erzeugen auf der Netzhaut ein Bild des betrachteten Gegenstandes. Dieses Bild ist zweidimensional, da die Netzhaut lediglich Helligkeits- und Farbunterschiede wiedergeben kann.

Ein räumliches Bild entsteht erst durch die anschließenden physiologischen Prozesse im Gehirn. Durch den Umstand, dass beide Augen in einem gewissen Abstand zueinander liegen, sieht das linke Auge einen Gegenstand aus einer etwas anderen Blickrichtung als das rechte. Diese perspektivisch unter- schiedlichen Ansichten werden im Sehzentrum des Gehirns zu einer einzigen plastischen Wahrnehmung verschmolzen. Dieser Vorgang des (natürlichen) räumlichen Sehens wird als (natürliches) stereoskopi- sches Sehen bezeichnet.

3.2 Monoskopische Raumwahrnehmung

Es gibt verschiedene Faktoren, die auch bei einer ebenen Darstellung ohne Hilfsmittel wie 3D-Brillen Hinweise auf Räumlichkeit liefern. Im Wesentlichen kommen dabei folgende Effekte zum Tragen (Inter- netverz. Nr. 20):

Verdeckung: Dadurch wird ersichtlich, ob ein Objekt vor oder hinter einem anderen Objekt liegt.

Größenunterschiede: Ist dem Betrachter die absolute Größe eines Körpers bekannt, so kann er daraus dessen Entfernung bestimmten.

Beleuchtung: Anhand der Helligkeit eines Objekts lässt sich auf dessen Entfernung zur Lichtquelle schließen.

Schatten: Der Schattenwurf liefert Informationen zu Position und Form eines Objekts. Textur: Mit zunehmender Entfernung wird die Textur eines Objekts kleiner.

Perspektive: Verzerrungen von Objekten geben Auskunft über Form und Abstand des Objekts zum Flucht- punkt.

Relative Geschwindigkeit: Für bewegte Szenen gilt, dass Objekte, die sich näher am Betrachter befinden, sich schneller bewegen als weiter entfernte Objekte.

Tiefenunschärfe: Unscharfe Objekte geben einen Hinweis darauf, dass sie in einer anderen Entfernung zum Betrachter liegen als scharfe.

Atmosphärische Effekte: Je dichter die Atmosphäre ist (z.B. durch Dunst und Nebel), umso stärker wird das Licht gedämpft. So lassen sich in natürlichen Szenen Entfernungen ableiten.

Die genannten Faktoren vermitteln einen indirekten räumlichen Eindruck bei ebenen Darstellungen ohne Hilfsmittel. Hierbei kann es sich z.B. um ein Foto oder um eine computergenerierte Darstellung handeln. Solche Darstellungen werden als monoskopische 3D-Darstellung oder als Pseudo-3D-Darstellung bezeichnet (Clausen, 2006). Im nächsten Kapitel soll dargestellt werden, wie ein direkter räumlicher Eindruck bei flächenhaften Darstellungen erreicht wird.

3.3 Stereoskopische Raumwahrnehmung

Während das monoskopische Sehen nur einen indirekten räumlichen Eindruck vermittelt, führt das künst- liche stereoskopische Sehen zu einer direkten Wahrnehmung der dritten Dimension beim Betrachten einer flächenhaften Darstellung. Methoden, die ein künstliches stereoskopisches Sehen ermöglichen, fallen unter dem Begriff Stereoskopie. Bollmann & Koch definieren die Stereoskopie als „Gesamtheit der Verfahren und Geräte zur Gewinnung, Orientierung und Betrachtung graphischer, photographischer oder digitaler Stereobildpaare“ (Bollmann & Koch, 2001: Band 2, S. 344). Anders ausgedrückt dient die Stereoskopie der Erzeugung dreidimensionaler Bilder, die auf dem Prinzip des natürlichen Sehens mit zwei Augen beruhen.

Um künstliches stereoskopisches Sehen zu ermöglichen, müssen insbesondere zwei Voraussetzungen erfüllt sein:

- Es müssen zwei Bilder mit derselben Szene vorliegen, die aus unterschiedlichen Positionen aufge- nommen worden sind bzw. eine unterschiedliche Perspektive besitzen, so dass die verschiedenen Aufnahmeorte die jeweilige Lage des einen und anderen Auges entsprechen. Jedes Einzelbild wird als stereoskopisches Halbbild bzw. Teilbild, das komplette Bildpaar wird als Stereobild bezeichnet.
- Jedes Auge darf jeweils nur das linke bzw. das rechte Halbbild zu sehen bekommen. Die Augen müs- sen das Bild also getrennt, aber gleichzeitig betrachten.

Das künstliche stereoskopische Sehen wird eingeteilt in stereoskopische Verfahren und autostereoskopische Verfahren. Stereoskopische Verfahren erfordern ein Hilfsmittel wie 3D-Brillen, um die Bilder voneinander zu trennen. Autostereoskopische Verfahren können diesen Effekt ohne Hilfsmittel erzeugen. Hierbei spricht man auch von Echtdreidimensionalität bzw. von „true-3D“ (Buchroithner, 2007). Entsprechende Techniken zur Bildtrennung werden im nächsten Kapitel präsentiert.

3.4 Verfahren zur Bildkanaltrennung

Die Erkenntnis, dass der räumliche Eindruck beim Sehen erst durch das Zusammenspiel beider Augen hervorgerufen wird, führte zur Entwicklung von Verfahren, bei denen beim Betrachten einer flächenhaften Darstellung ein stereoskopischer Eindruck entsteht. Diese Verfahren werden in stereoskopische und autostereoskopische Verfahren unterteilt. Sie beruhen auf einem gemeinsamen Prinzip. Die beiden Einzelbilder für das linke und das rechte Auge müssen den Augen durch eine sogenannte Bildkanaltrennung zugeführt werden. Einige der bekanntesten Techniken werden kurz vorgestellt.

Parallelblick: Zwei stereoskopische Halbbilder werden teilweise überlappend nebeneinander gelegt. Durch ein entspanntes Hindurchschauen des Stereobildes wird ein Raumempfinden erzeugt (s. Abb. 8). Wichtig ist, dass der Abstand zwischen zwei zu überlagernden Objekten nicht wesentlich größer sein darf als der Augenabstand des Betrachters. Der Parallelblick gehört zu den autostereoskopischen Verfahren, da er ohne Hilfsmittel auskommt.

Kreuzblick: Ein anderes autostereoskopisches Verfahren ist der Kreuzblick. Die Bilder werden wieder leicht überlappt. Anschließend wird durch bewusstes Schielen aus den beiden Halbbildern ein räumliches Bild wahrgenommen (s. Abb. 9). Die Halbbilder müssen dazu vertauscht werden, weil das linke Auge nach rechts sieht und das rechte nach links. Die Methode hat den Vorteil, dass auch größere Bilder betrachtet werden können.

Stereoskop: Das Stereoskop ist ein sehr verbreitetes Verfahren zum Betrachten von Stereobildern. Es existieren zahlreiche Varianten. Ihnen gemeinsam ist, dass durch voneinander getrennte Strahlengänge jedem Auge das ihm zugehörige Bild vergrößert gezeigt wird (s. Abb. 10). Diese Methode erfordert nur wenig Eingewöhnungszeit und ermöglicht ein sehr entspanntes Betrachten von Stereobildern.

Anaglyphenverfahren: Die beiden Halbbilder werden in Komplementärfarben eingefärbt (z.B. Rot und Grün) und übereinander gelegt. Mit einer Anaglyphenbrille, die entsprechend gefärbte Farbfolien besitzt, werden die Bilder anschließend wieder getrennt (s. Abb. 11), da die Farbfolien als Filter wirken, „durch die nur die Farben von jeweils einem der beiden Stereo-Teilbilder erkennbar sind“ (Internetverz. Nr. 22). Dadurch sieht das Auge mit dem grünen Filter nur noch das rote Bild. Das Auge mit dem roten Filter sieht hingegen nur noch das grüne Bild. Werden Farbfolien in Rot und Grün oder Rot und Blau verwendet, erhält man ein Schwarz-Weiß-Bild. Für Farbanaglyphen wird Cyan und Rot genutzt.

Polarisationsverfahren: Beim Polarisationsverfahren werden die beiden stereoskopischen Halbbilder mit unterschiedlich polarisiertem Licht aufgenommen, d.h. das Licht ist bei einem der beiden Halbbilder um 90° gedreht. Anschließend werden die Bilder deckungsgleich überlagert. Zum Anschauen wird eine Polarisationsbrille benötigt (s. Abb. 12). Vor dessen Gläser sind Filter angebracht, von dem ein Filter ebenfalls um 90° gedreht ist. Dadurch lässt der eine Filter nur senkrechte Lichtwellen durch, der andere Filter nur waagerechte.

Interlacedverfahren: Das Interlacedverfahren, auch Fieldsequentialverfahren genannt, ist eine Methode für rein elektronische Medien. Die zwei Halbbilder werden dabei abwechselnd überlagert dargestellt. Die Trennung der Bilder erfolgt über eine Shutterbrille (s. Abb. 13). Diese ist mit LCD-Gläsern ausgestattet, die synchron zum Bildwechsel wechselseitig abgedunkelt werden und so jedem Auge das entsprechende Halbbild liefert. Daher spricht man auch von aktiven Brillen.

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