Entwicklung eines Vorgehensmodells zur systematischen Erzeugung webbasierter 3D-Welten

Diplomarbeit von Arthur Kunz

Einleitung:

Nachdem der Hype um das Thema Web 2.0 langsam am abklingen und praktischer Alltag geworden ist, tauchen selbstverständlich neue Trends in Forschung und Wissenschaft auf und übertragen sich auch auf die Wirtschaft. Neben dem Semantic Web steht der Begriff 3D-Web derzeit bei den Medien hoch im Kurs. ‘Das Hinzufügen der dritten Dimension ist der nächste Umbruch im Internet’, so Ansgar Schmidt von der IBM. D. h. als nächste technologische Revolution sollen echte 3D-Inhalte in Browser-basierten Anwendungen zum Standard werden. Was als Hype beginnt, endet oft in einem plötzlichen Crash, so auch geschehen bei der 3D-Welt Second Life (kurz: SL). Zunächst stürzten sich Medien und Unternehmen auf SL, etwas später kam die große Ernüchterung und viele Unternehmen sprangen ab oder verschoben ihre 3D-Web-Projekte in die Forschungsabteilung. Was ein Hype jedoch deutlich macht, ist laut Gartners allgemeiner Hypekurve ein langfristiger Trend (siehe Abbildung 1). Visionären und vielen Entscheidern ist schon lange klar: Web-3D ist weiter im Kommen und wird sich auch weiterhin konsolidieren. So hat z. B. das japanische Unternehmen 3Di ein kostenpflichtiges Paket herausgebracht, welches einen 3Di OpenSim-Server und ein Browserplugin für den Internet Explorer enthält. Man kann somit eine eigene 3D-Welt erstellen, 3D-Objekte im 3ds-Studio Max-Format importieren und diese über den Internet-Explorer im Internet betrachten. Auch das aktuelle Projekt von Google ‘O3D’ geht in eine ähnliche Richtung, indem versucht wird eine Open Source-Web-API zu entwickeln, welche es ermöglicht, multimediale 3D-Applikationen in den Browser zu integrieren. Somit ist es quasi sicher, dass das 3D-Web in den nächsten Jahren die breite Masse erreichen und in verschiedenen Formen auch Einzug in den Bereich des E-Business halten wird.

Aus diesem Grund hat sich der Verfasser schon während des Studiums an der Hochschule Heilbronn sowohl mit den verschiedenen Aspekten des Internet als auch mit virtuellen 3D-Welten auseinandergesetzt. Dies geschah vertieft vor allem im Rahmen mehrerer Seminararbeiten und Projektstudien während des Hauptstudiums. Nun wird es also Zeit das dabei erworbene Wissen zusammenzutragen und dieses auf die aktuellen Fragestellungen im Bereich 3D-Web zu fokussieren und anzuwenden. Es bietet sich an, dies im Rahmen dieser Diplomarbeit zu leisten.

Für die Entwicklung von Produkten in den Bereichen Software, Multimedia und 3D-Games existieren viele verschiedene Vorgehensmodelle. Will man jedoch in Zukunft als Unternehmen Software entwickeln (lassen), welche alle drei Eigenschaften Web, Multimedia und 3D abdeckt, existieren hierzu keinerlei integrierte Vorgehensmodelle.

Diesbezüglich sollen also Vorgehensmodelle aus den Bereichen des Web Engineering, der Multimedia-Produktion und der 3D-Entwicklung analysiert und mögliche Gemeinsamkeiten und Unterschiede aufgezeigt werden. Daraus soll ein neues 3D-Web-Vorgehensmodell (kurz: 3DWebVM) entwickelt werden, welches letztendlich aufzeigt, wie man vorgeht, wenn eine 3D-Web-Anwendung entwickelt werden soll.

Es sollen auch die technologischen Aspekte betrachtet werden, um Unternehmen zu zeigen, wie sich das neue Vorgehensmodell schon heute auf einfache Weise umsetzen lässt. Zu guter Letzt soll das erarbeitete Modell an einer Beispielanwendung getestet und abschließend bewertet werden.

Gang der Untersuchung:

Kapitel zwei widmet sich zunächst dem aktuellen Stand des Wissens.

Flankiert durch einleitende Definitionen werden dabei in der ersten Hälfte Vorgehensmodelle des klassischen Software Engineering, des Web Engineering und Modelle zur Erstellung multimedialer sowie Architektur-orientierter Anwendungen betrachtet. Die zweite Hälfte soll beleuchten, welche Technologien momentan für die Entwicklung der 3D-Web-Anwendungen existieren und zwar hinsichtlich dreier Kernfragen:

Welche 3D-Plattformen sind aktuell vorhanden?

Welche Technologien zur Modellierung von 3D-Welten existieren?

Wie lassen sich diese 3D-Welten in die Plattformen integrieren?

Kapitel drei umfasst die eigentliche Ausarbeitung und stellt somit den neuen Ansatz dar. Dabei werden die in Kapitel zwei beschriebenen Vorgehensmodelle zu einem konsistenten Gesamtmodell für die Entwicklung von 3D-Web-Anwendungen kombiniert und liefern folglich die Antwort auf die Frage nach der Vorgehensweise bei der Entwicklung von 3D-Web-Anwendungen.

Im vierten Kapitel folgt die Überprüfung der Tauglichkeit des neuen 3D-Web-Vorgehensmodells an einem praktischen Beispiel.

Das fünfte Kapitel stellt das Fazit dar. Hier wird das aus dem Praxisbeispiel gewonnene Wissen und die Erfahrung kritisch reflektiert und ein Blick in die Zukunft gewagt.

Inhaltsverzeichnis:

	Abkürzungsverzeichnis	xii
	Abbildungsverzeichnis	xiii
	Tabellenverzeichnis	xvi
	Zusammenfassung	xvii
1.	Einleitung	1
1.1.	Motivation	1
1.2.	Herausforderung	2
1.3.	Ziel der Diplomarbeit	2
1.4.	Aufbau der Diplomarbeit	3
2.	Stand des Wissens	4
2.1.	Definitionen	4
2.1.1.	Augmented Reality (AR)	4
2.1.2.	3D-Objekt	4
2.1.3.	3D-Szene	5
2.1.4.	3D-Web und Web-3D	5
2.1.5.	Virtuelle Welt	5
2.1.6.	Echtzeitvisualisierung	5
2.1.7.	Immersives Internet	5
2.2.	Vorgehensmodelle	6
2.2.1.	Übersicht	6
2.2.2.	Software Engineering und Web Engineering	7
2.2.2.1.	Geschichtliche Entwicklung und Definition	7
2.2.2.2.	Phasen	9
2.2.2.3.	Charakteristika von Web-Anwendungen	12
2.2.2.4.	Die UML-Methode	14
2.2.2.5.	Methode der agilen Softwareentwicklung	15
2.2.2.6.	Methode der modellgetriebenen Webentwicklung (MDWE)	17
2.2.3.	Multimedia-Produktion (MP)	17
2.2.3.1.	Definition und Charakteristika von Multimedia	18
2.2.3.2.	Die zusammengefassten Phasen der Multimedia-Produktion	20
2.2.3.3.	Multimedia-Anwendungsentwicklung nach Sawhney	22
2.2.3.4.	Workflow in der 3D-Visualisierung nach Höhl	24
2.3.	Technik	26
2.3.1.	Übersicht und Analyse von 3D-Plattformen	26
2.3.1.1.	Grundlagen	26
2.3.1.2.	Übersicht über 3D-Plattformen	27
2.3.1.2.1	Der Gigant: Second Life	27
2.3.1.2.2	Der Neuling: Twinity	28
2.3.1.2.3	Der Hoffnungsträger: OpenSim	29
2.3.1.2.4	Aus der Java-Welt: Project Wonderland	31
2.3.1.3.	Analyse von 3D-Plattformen	34
2.3.1.3.1	Kriterien	35
2.3.1.3.1.1	Systemanforderungen	35
2.3.1.3.1.2	Importierfähige Grafikformate	36
2.3.1.3.1.3	3D-Grafikprogramme	36
2.3.1.3.1.4	Skriptsprachen	37
2.3.1.3.2	Vergleich	37
2.3.1.3.2.1	Systemanforderungen	37
2.3.1.3.2.2	3D-Grafikformate	40
2.3.1.3.2.3	3D-Grafikprogramme	41
2.3.1.3.2.4	Skriptsprachen	42
2.3.2.	Modellierung von 3D-Welten	42
2.3.2.1.	Inworld-Build-Tool bei Second Life	44
2.3.2.2.	3d Studio Max	45
2.3.2.3.	Blender	46
2.3.2.4.	Google SketchUp	47
2.3.3.	Integration von 3D-Welten in existierende 3D-Plattformen	48
2.3.3.1.	Übersicht	48
2.3.3.2.	VRML (.wrl)	49
2.3.3.3.	X3D (.x3d)	50
2.3.3.4.	3D-Studio File Format (.3ds)	51
2.3.3.5.	Wavefront Object (.obj)	52
2.3.3.6.	Collaborative Design Activity (Collada) (.dae)	53
2.3.3.7.	Andere Möglichkeiten der Integration in 3D-Plattformen	54
3.	Ausarbeitung eines Gesamtmodells für die Entwicklung virtueller 3D- Anwendungen	55
3.1.	Anforderungen	55
3.2.	Entwicklung des neuen Modells (3DWebVM)	56
3.2.1.	Betrachtung und Zusammenführung der Phasen des Web Engineering und der Multimedia-Produktion	56
3.2.1.1.	WE: Problemdefinition und MP: Vorphase	56
3.2.1.2.	WE: Anforderungsanalyse und MP: Rohkonzept	57
3.2.1.3.	WE: Spezifikation und MP: Rohkonzept	58
3.2.1.4.	WE: Entwurf und Implementierung sowie MP: Preproduktion, Produktion und Postproduktion	59
3.2.1.5.	WE: Erprobung und Auslieferung sowie MP: Distribution	61
3.2.1.6.	Zusammenfassung aller Phasen im Phasenmodell des 3DWebVM	62
3.2.2.	Betrachtung der konkreten WE- und MP-Modelle hinsichtlich des 3DWebVM	63
3.2.2.1.	UML Methode	63
3.2.2.2.	Agile Softwareentwicklung	64
3.2.2.3.	Modellgetriebene Webentwicklung	65
3.2.2.4.	Multimediaentwicklung nach Sawhney	66
3.2.2.5.	3D-Visualisierung nach Höhl	67
3.2.3.	Abdeckung der Eigenschaften von Web-, Multimedia- und 3D-Anwendungen	69
3.2.4.	Modellierung des 3DWebVM als Prozess	73
3.2.4.1.	Auswahl eines Modellierungswerkzeugs und der passenden Notation	73
3.2.4.2.	Aufteilung der Hauptprozesse in EPK-Prozesswegweiser	74
3.2.4.3.	Eingrenzung der zu modellierenden Hauptprozesse	75
3.2.4.4.	Anforderungsanalyse Software & Medien	76
3.2.4.5.	FIV-Spezifikation	77
3.2.4.6.	Entwurf	78
3.2.4.7.	Implementierung	79
3.2.4.8.	Preproduktion	80
3.2.4.9.	Produktion	81
3.2.4.10.	Postproduktion	82
3.2.4.11.	Erprobung und Auslieferung	83
3.2.5.	Einordnung des 3DWebVM	84
3.2.5.1.	Ausbaustufe	84
3.2.5.2.	Submodelle	85
3.2.5.3.	Phasenabdeckung	86
3.2.5.4.	Gestaltungsdomäne	86
3.2.5.5.	Branchenspezifität	87
3.2.5.6.	Formalisierungsart	87
3.2.5.7.	Format	88
3.2.5.8.	Zusammenfassung	88
4.	Umsetzung am Beispiel des KnowCubes der HHN	89
4.1.	Aufgabenstellung	89
4.2.	Analyse der Anforderungen	90
4.2.1.	Allgemein	90
4.2.2.	Analyse anhand der formulierten Anforderungen	91
4.2.3.	Zusammenfassung der Anforderungsanalyse	93
4.3.	Entwurf des KnowCube	94
4.4.	Implementierung des KnowCube	96
4.4.1.	Programmierung der 3D-Web-Schnittstelle	96
4.4.1.1.	Application-Server-Side	96
4.4.1.2.	3D-Server-Side	101
4.4.2.	Installation und Start des 3D-Servers	101
4.4.3.	Installation des Application-Servers	102
4.4.4.	Installation des 3D-Clients	102
4.4.5.	Installation von SketchUp inklusive der Plugins Ogre-Mesh-Exporter und OgreXMLConverter	102
4.5.	Preproduktion des Prototyps	104
4.5.1.	Modellierung des KnowCubes in SketchUp	104
4.5.2.	Erstellen einer Testtextur in Photoshop	105
4.5.3.	Texturierung des KnowCube in SketchUp	105
4.5.4.	Exportieren des KnowCubes aus SketchUp im Ogre-Mesh-Format	106
4.5.5.	Installation des Testservers und des Testclients	106
4.5.6.	Import der KnowCube-Daten auf dem Server über den Client	107
4.5.7.	Erstellen und Texturierung des KnowCube	107
4.6.	Produktion	109
4.6.1.	Modellierung des KnowCube	109
4.6.2.	Erstellung der Texturen	110
4.6.3.	Texturierung des KnowCubes	111
4.6.4.	Import der Inneneinrichtung aus der Google 3D-Galerie	112
4.6.5.	Exportieren des KnowCubes und der Einrichtung in das Ogre-Mesh-Format	113
4.7.	Postproduktion	114
4.7.1.	Import der 3D-Objekte auf den 3D-Server	114
4.7.2.	Import der Texturen und Texturierung der 3D-Objekte	114
4.7.3.	Assemblieren der 3D-Welt	114
4.8.	Erprobung und Auslieferung	116
4.8.1.	Validierung der Software	117
4.8.2.	Überprüfung der Inhalte der 3D-Welt	119
5.	Fazit	122
5.1.	Lessons learned	122
5.2.	Abgeleitete Erkenntnisse bezüglich des 3DWebVM	125
5.3.	Verbesserungsvorschläge für das 3DWebVM	125
5.4.	Ausblick	128
	Literaturverzeichnis	xviii
	Anhang	xxv
	3d Studio Max File Format (.3ds) Chunk-Tree-Referenz	xxv
	Keyword-Referenz des Wavefront-Object-Formats nach Datentyp	xxviii
	Ausführliche Darstellung des 3DWebVM nach dessen theoretischer Ausarbeitung theoretisches Phasenmodell)	xxx
	Praktisch angepasstes Phasenmodell des 3DWebVM	xxxi
	RemoteAdmin Commands	xxxii

Textprobe:

Kapitel 3.2, Entwicklung des neuen Modells (3DWebVM):

Betrachtung und Zusammenführung der Phasen des Web Engineering und der Multimedia-Produktion:

Dieses Kapitel betrachtet die Phasen des Web Engineering (kurz: WE) und der Multimedia-Produktion (kurz: MP) um Gemeinsamkeiten und Unterschiede festzustellen sowie daraus eine neue Phasenkombination für das neue Modell (Phasenmodell) abzuleiten. Es soll auch betrachtet werden, ob wirklich alle Phasen und ihre Aufgaben für das neue Vorgehensmodell geeignet sind und ob davon welche weggelassen werden können.

Die Phasen des Web Engineering sind: Problemdefinition, Anforderungsanalyse, Spezifikation, Entwurf, Implementierung, Erprobung und Auslieferung. Die Phasen der Multimedia-Produktion sind: Vorphase, Rohkonzept, Preproduktion, Produktion, Postproduktion und Distribution.

WE: Problemdefinition und MP: Vorphase:

Die Problemdefinition geschieht durch den Auftraggeber. Darin definiert er seine Anforderungen an die zu erstellende Software. Dazu wird ein Lastenheft angefertigt, welches die Anforderungen zwar grob definiert, aber den Entwicklern dennoch einen Spielraum zur Ausgestaltung lässt. Betrachtet man die Vorphase bei der MP, so findet man exakt dasselbe Vorgehen, allerdings bezüglich der verschiedenen möglichen Medienformen oder Formen der Visualisierung. Trotzdem ist das Briefing an die Agentur so gestaltet, dass ein gewisser Spielraum zur Interpretation und Ausgestaltung vorhanden ist. Die Kreativität soll somit zur Entfaltung gelangen. Somit wird festgestellt, dass sich beide Phasen in der Vorgehensweise sehr ähnlich sind und einen gemeinsamen Nenner aufweisen. Deshalb sollen sie zusammengefasst werden zu einer neuen Phase, genannt Aufgabendefinition. D. h. wenn eine Software entwickelt werden soll, die multimediale Inhalte aufweist und 3D-Web-fähig sein soll, so muss der Aspekt der Visualisierung bereits bei der Problemdefinition berücksichtigt, aber noch nicht festgelegt werden. Die Anforderungen an die Software selbst betreffen weiterhin Funktion, Qualität, System und den Entwicklungsprozess.

WE: Anforderungsanalyse und MP: Rohkonzept:

Die Analyse der Anforderungen geschieht hinsichtlich Vollständigkeit, Sachgerechtigkeit, Konsistenz, Machbarkeit, usw. D. h. die gestellten Anforderungen werden überprüft und zwar am Besten im Zuge eines Anforderungsmanagements, das während des ganzen Projektes läuft. Das Rohkonzept als zweite Phase der MP hingegen geht schon über die Analyse hinweg und sollte daher eher im Zusammenhang mit Spezifikation und Entwurf betrachtet werden. Allerdings ist es sinnvoll, die vorgeschlagenen Visualisierungsformen aus Phase a Aufgabendefinition in die Anforderungsanalyse einfließen zu lassen und sie zu erweitern. Daraus entsteht somit die 3DWebVM Phase b: Anforderungsanalyse Software & Medien. Zieht man an dieser Stelle das Visualisierungsmodell nach Höhl zu Rate, wird klar, welche Visualisierungsformen für das 3DWebVM in Frage kommen, die einer Analyse bedürfen: Web Design selbst (dieses ist durch die Softwareentwicklung abgedeckt), 3D-Modelle, Game Design sowie Augmented Reality (siehe Abbildung 13).

WE: Spezifikation und MP: Rohkonzept:

Die Spezifikation beschreibt die funktionalen Anforderungen in einem Modell, welches angemessen und interpretierbar ist. In dieser Phase wird auch das Pflichtenheft erstellt, welches genau definiert, wie die Aufgaben aus dem Lastenheft gelöst werden sollen. In der Phase der Rohkonzeptionierung der MP werden die Inhalte der Medien/ Visualisierungsformen festgelegt (das Was?) sowie die Medien und Visualisierungsformen selbst (das Wie?). Auch Implementations-Details werden bestimmt (ein weiteres Wie?). Schließlich wird alles im Sign-Off dokumentiert. Da hier von Spezifikation und Rohkonzept konkrete Lösungswege definiert und abschließend für den Kunden dokumentiert werden, macht es Sinn diese Phasen entweder zu parallelisieren oder zu verzahnen. Natürlich haben die Lösungswege unterschiedliche Schwerpunkte. Das soll bei der Zusammenführung beachtet werden. Somit wird die Phase c des 3DWebVM festgelegt. Sie trägt den Namen FIV-Spezifikation (siehe Abbildung 14). FIV setzt sich dabei aus den Anfangsbuchstaben der drei Hauptkomponenten der neuen Spezifikation, nämlich Funktion formulieren, Inhalte der Visualisierung festlegen und Visualisierungsform festlegen, zusammen. Das Pflichtenheft soll dabei um die Bestandteile der Sign-Off-Dokumentation wie Inhalte, Visualisierung, Storyline, Copyrights, usw., erweitert werden.

WE: Entwurf und Implementierung sowie MP: Preproduktion, Produktion und Postproduktion:

Diese fünf Phasen des WE und der MP sollen nach ausführlicher Betrachtung nicht miteinander kombiniert werden. Es macht eher Sinn sie einfach zu parallelisieren. Gründe dafür sind der eindeutige Fokus jeder Phase, die Arbeitsschritte jeder Phase sowie keine Gemeinsamkeiten von WE und MP in diesen Phasen. Grundsätzlich liegt der Fokus bei WE hier auf der Architektur und der Umsetzung der Software, bei der MP bei der Ausarbeitung der medialen Inhalte. Wichtig ist jedoch darüber hinaus eine separate Betrachtung der Kommunikation zwischen Web-Applikation und 3D-Applikation und der damit verbundenen Architekturen von Webserver und 3D-Server. Deswegen wird für das neue 3DWebVM der Unterpunkt des Entwurfs differenziert in Web-Architektur und 3D-Architektur. Die Überführung der Phasen wird in der nachfolgenden Abbildung 15 grafisch dargestellt. Im Kapitel über die Einbindung konkreter Vorgehensmodelle in das neue VM werden die Implementierung sowie die drei MP-Phasen nochmals im Zusammenhang mit dem VM nach Höhl hinsichtlich spezieller Anpassungen einer 3D-Visualisierung begutachtet.

WE: Erprobung und Auslieferung sowie MP: Distribution:

Auch die letzte Phase des WE ‘Erprobung und Auslieferung’ bedarf keinerlei phasenbezogenen Anpassung an dieser Stelle und wird in das neue VM übernommen, da weiterhin eine Erprobung hinsichtlich der Validität auf Akzeptanzkriterien durchgeführt wird. Die Distributionsphase der Medienproduktion bleibt dem Grunde nach erhalten, kann jedoch deutlich eingeschränkt werden. Wurden bisher Bereitstellung, Ausstrahlung, ein Vertriebs- sowie ein Providersystem für die Medien herangezogen, sind für das neue VM nur noch die Bereitstellung der Medien für die 3D-Visualisierung und ein Providersystem nötig. Das Providersystem wird bereits bei der Entwicklung des WE durch verschiedene Aspekte wie Architektur, Schnittstellen oder Installation in den Phasen Entwurf und Implementierung entwickelt und bedarf daher keiner separaten Betrachtung bei der Distribution. Da letztendlich nur die Bereitstellung der Medien bei der Distribution übrig geblieben ist, kann sie in die neue Phase des 3DWebVM als Arbeitspaket übernommen werden, wie Abbildung 16 zeigt.

Zusammenfassung aller Phasen im Phasenmodell des 3DwebVM:

Nachfolgend zeigt Abbildung 17 eine Übersicht aller neuen Phasen, wodurch eine Art Grundgerüst des 3DWebVM ersichtlich wird: das 3DWebVM-Phasenmodell.

Betrachtung der konkreten WE- und MP-Modelle hinsichtlich des 3DwebVM:

Auf dem Phasenmodell aufbauend wird untersucht, inwieweit die konkreten Vorgehensmodelle diese Phasen abdecken und bei Bedarf eingebunden werden können. Wenn passend, werden dabei Teile der konkreten Modelle in das neue Modell eingebunden.

UML Methode:

Diese Methode lässt sich in vollem Umfang bei dem 3DWebWM in den Phasen FIV-Spezifikation, Entwurf und Implementierung mit den bekannten Diagrammtypen nutzen. Darüber hinaus ließe sich auch ein Web-orientierter Ansatz wie UWE bestens integrieren und dessen Notationserweiterung zu Inhalt, Navigation, Prozessen und Präsentation für eine Modellierung der 3D-Web-Anwendung nutzen. Weiter ist auch eine Erweiterung der Notation von UWE hinsichtlich der Aspekte 3D-Architektur, 3D-Visualisierungsformen und 3D-Visualisierungsinhalte denkbar und auch relativ leicht in Form eines Forschungsprojektes umsetzbar (siehe Abbildung 18).

Agile Softwareentwicklung:

Diese Entwicklungsmethodik ist der Agilität bei Web-Anwendungsprojekten geschuldet und hat daher ihren Schwerpunkt auf dem Management des Projektes unter Beachtung bestimmter Kernregeln, weshalb sie auf den ersten Blick für alle Phasen des 3DWebVM nutzbar ist. Bei genauer Betrachtung wird allerdings klar, dass die Phasen Preproduktion, Produktion und Postproduktion nur bedingt der Regelung nach inkrementeller Entwicklung gerecht werden können, weil sie aus Kostengründen üblicherweise nicht wiederkehrend durchlaufen werden (siehe Abbildung 19).

Modellgetriebene Webentwicklung:

Diese Entwicklungsmethodik stellt eine Prozessautomatisierung der objektorientierten modellgetriebenen 3D-Web-Anwendungsentwicklung dar und ist daher in vollem Umfang bei dem neuen VM realisierbar. Wie bei UWE bereits gesehen, existiert eine ATL-Transformationskette, die den automatisierten Entwicklungsprozess ermöglicht. D. h. würde man wie vorgeschlagen die UWE-Notation auf die Aspekte des 3DWebVM erweitern, so ließe sich sicherlich auch die Transformationskette hinsichtlich dieser Aspekte ausbauen (siehe Abbildung 20).