Die Software-Architektur SCA3D Adaptive 3D Visualisierung ... Adaptive 3D Visualisierung und Kooperation

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  • VomFachbereichfür MathematikundInformatik derTechnischenUniversiẗat Braunschweig

    genehmigteDissertation zurErlangungdesGradeseines

    Doktor-Ingenieurs(Dr.-Ing.)

    JobstMichaelLöffler

    Die Software-Architektur SCA3D Adaptive3D VisualisierungundKooperationin

    offenenInformationsr̈aumen

    DatumderPromotion(TagdermündlichenPrüfung): 16.Oktober2002

    1. Referent:Prof.Dr. DieterW. Fellner 2. Referent:Prof.Dr. Hans-J̈urgenAppelrath eingereichtam:20.März2002

  • i

    Abstract

    Thiswork presentsthesoftwarearchitectureSCA3Dasaflexible framework for distributed3D visualization which allows anextendedview on new conceptsfor managementof complex andprotected3D documents. Digital datahave a determininginfluenceon the modernwork flow from the first conceptionphaseto the final manufacturingof aproduct.In mostcasesthework flow is adistributedprocessin whichmultipleusers work togetherin an environmentof networked computers.Requirementsfor distributedwork with digital data,which areregardedasdigital documents,arethefollowing: First,well-definedinterfacesbetweenpro- cessingsystemsareneededto allow cooperationanddataexchange.Second,methodsfor long-termstorage in archives,for retrieval andfor distributionof digital documentsarerequiredwhichareableto managehuge amountsof complex digital documents.Third, adaptationof multimediadocumentsduring distribution in heterogeneousenvironmentsmustbesupportedto controlnetwork andlocalprocessingload.

    Digital libraries,understoodasopeninformationspaces,offer asuitableframework for describingsoluti- onsthatfulfill theaboverequirements.Heretheconceptof anopeninformationspaceis usedin thecontext of digital librariesto emphasizetwo points:First, thatdigital library servicesarenot restrictedto closedgroups of usersandinformationservers.Second,that it is importantthat uniform conditionsfor accessto digital documentsareprovidedthroughoutaninformationspaceandthatinterfacesto otherinformationspacescan beestablished.

    Themainfocusof thework presentedhereis theexplorationof new methodsfor distributedprocessing of 3D documentsin openinformationspaces.Threedimensionalscenes,asfor exampleCAD models,are consideredto bedigital documentscontainingstructureinformation,geometriccontentanddescriptivemeta- data.Examplesof applicationsare:distributeddevelopmentof new productsin theautomotiveindustryusing digital mock-ups,medicalinformationsystemsor cooperativelearningenvironments.Ontheonehandit can beobservedthatthenumberof 3D documentsexchangedbetweenapplicationsis growing from yearto year andthat their complexity increases.On the otherhandmodernworking environmentsarebecomingmore heterogeneous.Thespectrumof systemsinvolvedin a work processcanrangefrom powerful workstations in a localnetwork to mobileenddeviceswith restrictedprocessingpowerandconnectionbandwidth.

    As a responseto this challengethis dissertationpresentsa softwarearchitecturefor distributed3D vi- sualizationthatsupportsdocumentfeaturesin opendistributedenvironmentsandprovidesfunctionalityfor managementof complexity andsecurityrequirementsof 3D documents.Thestatusquoof the researchon distributedsoftwarearchitecturesfor 3D visualizationis extendedby this work in two ways.First, it deve- lopsanew approachto supportinghybrid2D/3Dclientscenesin distributedandcooperativework processes. Second,it introducesnew methodsfor complexity andsecuritymanagementthat allow distribution of the processingload(rendering)andindividual controlof thenetwork load.In this context a new methodis al- sopresentedwhich enablesapplicationindependentaccessto distributed3D documents(documentrequest broker). Thiswork describesthelevel-of-informationapproachthatwasdevelopedto makeit possibleto ad- apttransmissionrateandlocal processingloadusinga performancemetric.Finally, a gradedrightsconcept is part of thesoftwarearchitecture.This conceptguaranteestheprotectionof documentdataby controlled disseminationof copieswith adaptedinformationcontent.

    In practicetheresultsof this work provide new possibilitiesfor digital productdevelopmentprocesses whichcannow useawidescaleof informationaboutthe3D scenesbeingworkedon.Thisscalerangesfrom descriptive metadatato the original 3D contentof a document.A scenariolike a distributeddesignreview in a stronglyheterogeneousenvironmentwith multiple developersworking on complex andprotected3D documentsis now supportedin amoredirectwaythanby approaches(full replicationapproach) whichhave beenpreviouslyapplied.

  • ii

    Zusammenfassung

    Die vorliegendeArbeit stellt mit der Software-ArchitekturSCA3D einenflexiblen Rahmenzur verteilten 3D Visualisierungvor, der einenerweitertenBlick auf neueKonzeptezum Managementvon komplexen undgescḧutzten3D Dokumentenerlaubt.Digitale Datenbestimmenin immersẗarkeremMaßmoderneAr- beitsprozessevon dererstenKonzeptionsphasebis zur FertigungeinesProduktes.Dabeihandeltessich in vielenFällenum verteilteProzesse,die von mehrerenmitwirkendenPersonenmit Hilfe vernetzterCompu- tersystemedurchgef̈uhrtwerden.HierausergebensichAnforderungenfür dasverteilteArbeitenmit digitalen Daten,dienunalsdigitaleDokumenteaufgefaßtwerden:ErstenssollteesdefinierteSchnittstellenzwischen Verarbeitungssystemengeben,um eineZusammenarbeitunddenDatenaustauschzu ermöglichen.Zweitens werdenMethodenzurLangzeitspeicherungin Archiven,zumRetrieval undzurVerteilungvondigitalenDo- kumentenben̈otigt,diein derLagesind,großeMengenvonkomplexenDokumentenhandhabbarzumachen. SchließlichsollteeineAdaptiondermultimedialenDokumentezur KontrollederNetzwerklastundlokalen VerarbeitungslastbeiderVerteilungin heterogenenUmgebungenuntersẗutztwerden.

    Digitale Bibliotheken verstandenals offene Informationsr̈aumebieteneinengeeignetenRahmen,um Lösungsans̈atzezur Erfüllung dergenanntenAnforderungenzu beschreiben.In dieserArbeit wird derBe- griff desoffenenInformationsraumesfür digitale Bibliotheken verwendet,da einerseitsdie angebotenen Dienstenicht auf vorherbekannteBenutzergruppenundInformations-Serverbeschr̈anktsind.Andererseits stehengleichförmigeBedingungenfür denZugriff auf digitaleDokumenteim gesamtenInformationsraum zurVerfügungundSchnittstellenzuanderenInformationsr̈aumenwerdenermöglicht.

    Der SchwerpunktdervorliegendenArbeit liegt auf derUntersuchungvon neuenMethodenzur verteil- tenVerarbeitungvon 3D Dokumentenin offenenInformationsr̈aumenundderenUmsetzungin Form einer Software-Architektur. DreidimensionaleSzenen,wie z.B. CAD-Modelle, werdenals digitale Dokumente mit Struktur, Inhalt und beschreibendenMetadatenaufgefaßt.Beispielehierfür sind die verteilteProdukt- entwicklungim Automobilbereichmit digitalenPrototypen(Digital Mock-Up),medizinischeInformations- systemeoder auchkooperative Lernumgebungen.Hierbei ist zu beobachten,dassdie Anzahl der ausge- tauschten3D Dokumenteundihre Komplexität in derPraxisfortlaufendansteigt.Andererseitswerdenmo- derneArbeitsumgebungenimmerheterogener, wobeidasSpektrumbeteiligterSystemevomleistungsstarken Arbeitsplatzrechnerim lokalenNetzbishin zummobilenEndger̈atmit beschr̈ankterRechenleistungundAn- bindungsbandbreitereichenkann.

    Als Antwort aufdieseProblemstellungstelltdieseArbeit eineSoftware-Architekturzurverteilten3D Vi- sualisierungvor, dieDokumenteigenschaftenin offenen,verteiltenUmgebungenuntersẗutztundeinKomple- xitäts-undSicherheitsmanagementermöglicht.DerStandderForschungaufdemGebietverteilterSoftware- Architekturenzur 3D Visualisierungwird zumeinendurchdie EntwicklungeinesneuenAnsatzeszur Un- tersẗutzungvon hybriden2D/3D Client-Szenenin verteilten,kooperativenArbeitsprozessenerweitert.Zum anderenwerdenneueMethodenzurVerteilungderVerarbeitungslast(Rendering),zurRegulierungderNetz- werklastund zur Sicherungvon 3D Dokumentenvorgestellt.Hierzu zählt die EntwicklungeinesVerfah- renszum anwendungsunabhängigenZugriff auf verteilte3D Dokumente(Document-Request-Broker) und desLevel-of-Information-Ansatzes,der eine Adaptivität bez̈uglich der Übertragungsrateund lokalen Be- rechnungslastmittels einerPerformanzmetrikermöglicht. Schließlichwird ein abgestuftesRechtekonzept entworfen,dasdieDokumentsicherheitdurcheinkontrollierteVerteilungvonKopienmit angepaßtemInfor- mationsgehaltgewährleistet.

    FürdiePraxisergebensichausdenErgebnissenderArbeitneueMöglichkeitenfürArbeitsprozessein der digitalenProduktentwicklung,die einebreiteSkalavon Informationenüberdie 3D Szenennutzenkönnen, an denengearbeitetwird. DieseSkalareicht von denbeschreibendenMetadatenbis hin zu denoriginalen 3D Inhalten.Ein Szenariowie dasdesverteiltenDesign-Reviews von mehrerenbeteiligtenEntwicklernin einerstarkheterogenenUmgebungmit komplexenundzumTeil gescḧutzten3D Dokumentenwird damitin verbesserterFormuntersẗutzt,alsesin früherenAnsätzen(Full-Replication-Ansatz) derFall war.

  • Inhaltsverzeichnis

    1 Einf ührung 1 1.1 Problemstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Lösungsansatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 ZielsetzungundForschungsbeitrag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Anwendungsszenario:Kooperative Planungskonferenzen . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 GliederungderArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    2 Grundbegriffe 7 2.1 DigitaleBibliotheken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 DigitaleDokumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    2.2.1 AufbaudigitalerDokumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.2 Eigenschaftenheterogenerundkomplexer Dokumente . . . . . . . . . . . 12 2.2.3 DigitaleDokumentein relationalenDatenbanken . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.3 3D Dokumentein DigitalenBibliotheken . . . . .