Eine 3-D Objektdatenbank als Webplattform des Archäologischen Parks Carnuntum

www.carnuntum-db.at

In der archäologischen Sammlung des Landes Niederösterreich zur römischen Antike werden derzeit über zwei Millionen – großteils noch wissenschaftlich unbearbeitete – archäologische Fundstücke gelagert. Dazu kommen noch jene hunderttausende Neufunde, die durch die jährlichen Ausgrabungen im Bereich des Archäologischen Parks in Petronell-Carnuntum und Bad Deutsch-Altenburg zu Tage kommen. Als wissenschaftliches Forschungszentrum und Depot für die „Archäologische Sammlung NÖ“ sowie als zeitgemäßer Ausstellungs- und Veranstaltungsstandort wurde vom Land Niederösterreich daher in den letzten Jahren eine frühere Produktionsstätte der ehemaligen k. u. k. Haupttabakfabrik in Hainburg an der Donau revitalisiert und für diese Zwecke adaptiert.

Von dieser bestehenden archäologischen Sammlung kann derzeit lediglich ein Bruchteil gezeigt werden (etwa 4000 Stück, großteils im Museum Carnuntinum in Bad Deutsch-Altenburg). Der Rest musste bisher in verstreut liegenden Depots gelagert werden. Im Hinblick auf eine mittel- und langfristige Planung zur Lagerung, Bearbeitung und Präsentation der römerzeitlichen Objekte des Landes Niederösterreich sowie zur Einrichtung von Restaurierungswerkstätten für die einzelnen Fundgruppen (Buntmetall-, Eisen-,  Glas-, Keramik- und Steinrestaurierung) wurden daher in diesem Gebäude drei Ebenen zur Schaffung des Depots für die „Archäologische Sammlung NÖ“ eingerichtet.
Die behutsame bauliche Umsetzung der unterschiedlichen Nutzungen in diesem Gebäude der Industriearchitektur des 19. Jhdts. ermöglicht für die niederösterreichische Archäologie erstmals die Schaffung einer – dem internationalen Standard entsprechenden – öffentlich zugänglichen Studiensammlung in Teilbereichen des Gebäudes inklusive dazugehöriger Arbeitsräume, Bibliothek und Fotothek  sowie Fachrestaurierwerkstätten in einem einzigartigen architektonischen Rahmen. Dazu kommt die ideale bauliche Voraussetzung des neuen Depots, wo auch die Lagerung und Präsentation von tonnenschweren Steinobjekten ohne Probleme möglich sein wird und eine gute verkehrstechnische Anbindung gegeben ist.

Doch bietet auch die Zugangsmöglichkeit zur Studiensammlung nur einen kleinen Ausschnitt des großen Denkmälerbestandes des römischen Erbes in Niederösterreich. Zudem ist die Öffnung für ein breites und zahlenmäßig großes Publikum aus konservatorischen Gründen mit großen Einschränkungen verbunden. Auch die Zahl der in früheren Ausstellungen bereits gezeigten und damit publizierten Objekte stellt nur einen verschwindend kleinen Teil des Gesamtdenkmälerbestandes dar.

Um dem interessierten Publikum bzw. Fachkollegen einen möglichst unkomplizierten Zugang zu den (unbekannten) archäologischen Fundstücken zu ermöglichen wurde die Entscheidung getroffen, ausgewählte Objekte bildlich und textlich mit allen museumsrelevanten wichtigen Informationen auf einer international zugänglichen Webplattform zu präsentieren. So wurden unterschiedliche Ansätze der Realisierung diskutiert, wobei letztendlich die Entscheidung getroffen wurde, neben Attributdaten auch die geometrische Beschaffenheit sowie ein fotorealistisches Modell des Fundstückes (Textur) dem Anwender zu Verfügung zu stellen. Das Projekt ist eine modellhafte Kooperation zweier Fachabteilungen des Landes Niederösterreich (Abt. Kunst und Kultur, K 1,  bzw. Geoinformation und Vermessung, BD 3).

Ausgangsbasis ist eine geometrische Datenerfassung, also die Erfassung der Geometrie eines Fundstückes mit Hilfe eines Laserscanners. Für unsere Zwecke wird ein Triangulationsscanner verwendet. Von der Systemkonfiguration besteht dieser aus einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit. Der Laserstreifen wird über das Objekt geführt und dessen Position wird von der Kamera aufgezeichnet. Der ausgesandte und der reflektierte Laserstrahl sowie die Basis des Scanners, bestehend aus dem Abstand zwischen Laserdiode und Kamera, spannen ein Dreieck auf, über dessen bekannte Geometrie die dreidimensionale Bestimmung des Objektpunktes möglich ist. Durch die Verwendung eines Triangulationsscanners ist die Erreichung von Genauigkeit im hundertstel Millimeter-Bereich möglich. Aufgrund der Größe der Objekte und deren Oberflächenbeschaffenheit ist eine derart hohe Messgenauigkeit auch jedenfalls notwendig. Die Messkonfiguration wird jedoch durch die Reichweite und dem Aufnahmewinkel eingeschränkt, sodass hier bei der Datenerfassung auf eine ideale Messgeometrie zu achten ist.
Problematisch ist die Erfassung von spiegelnden Oberflächen, da hier kein Messsignal aufgezeichnet wird. Derartige Objekte können bislang nicht, oder nur unter Behandlung der Oberfläche mit einem Mattspray erfasst werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass neben der geometrischen Genauigkeit auch die Useability  des Messsystems maßgeblich den Projekterfolg  beeinflusst, da große Mengen an  Fundstücken möglichst rasch zu erfassen sind.
Nach der eigentlichen Datenerfassung wird aus den Messdaten das geometrische Modell erzeugt. Bei der Modellgenerierung ist es wesentlich, dass zwischen Datenlücken und Fehlstellen im Objekt unterschieden wird und das Modell dementsprechend behandelt wird. Da das Modell ein Abbild der Original-Geometrie sein soll, müssen Fehlstellen im Modell erhalten bleiben. Bei der automatischen Datenbearbeitung wurden entsprechende Abbruchkriterien programmiert.

Zusätzlich zur geometrischen Datenerfassung wird auch die Textur des entsprechen Objektes mit aufgezeichnet. Dafür werden digitale Fotos, die das Objekt zur Gänze abdecken und in der Aufnahmerichtung im Idealfall normal zur Objektoberfläche orientiert sind, aufgenommen. Um einheitliche Lichtverhältnisse und eine gleichmäßige Ausleuchtung zu gewährleisten, werden die Aufnahmen im Lichtzelt mit Kaltlichttechnologie durchgeführt.

Die Objekte werden für die Web-Präsentation jedoch nicht durch die Verwendung der Fotos texturiert, da dies zu einem Verlust der geometrischen Detailinformation führen würde. Sondern die Textur wird als Zusatzinformation in der Datenbank verspeichert und abrufbar gehalten. Zahlreiche Test haben gezeigt, dass es derzeit noch keine geeigneten Methoden gibt um das drei dimensionale Objekt mit der Farbinformation eines Foto zu versehen, ohne dass dabei der Bildinhalt des Fotos reduziert wird, bzw. die Detailauflösung des 3D Modells reduziert wird.

In der Datenbank werden einerseits die originale Geometrie und andererseits ein optimiertes Modell des Objektes zur Verfügung gestellt. Denn bei der Web Präsentation ist die Performance der Darstellung der kritische Systemparameter. Nachdem die hoch aufgelösten 3D-Modelle zwischen 200.000 und 300.000 Dreiecke groß sind, ist eine sinnvolle direkte Darstellung im Web wegen des hohen Speicherbedarfs und der langen Ladezeiten nicht zielführend. Daher muss das Modell zunächst auf höchstens 15.000 Dreiecke reduziert werden.

Für die Reduktion werden die hochaufgelösten Scandaten in ein 3d Animationsprogramm importiert um darin Rundumaufnahmen zu generieren. Aus den nun generierten Daten, wird ein niedrig aufgelöstes Modell errechnet und die erstellte Textur mit neutraler Farbgebung auf ein reduziertes Modell der ursprünglichen Laserscandaten appliziert. Somit entsteht ein Objekt in 10% der ursprünglichen Geometriedichte, mit jedoch fast gleichbleibenden Informationsgehalt welches nun ohne weiteres über das Internet  portiert werden kann. Der Stil der Darstellung wurde bewusst dezent gehalten um Schattierungen hervorzuheben unter Erhaltung aller Details.

Die im Rahmen des Scanvorgangs erstellten Fotos werden mittels Zoomtechnologie in der Applikation zur Verfügung gestellt - die hochauflösenden Bilder werden in Kacheln aufgeteilt und können somit dem Benutzer individuell in der jeweiligen Auflösung gestreamt werden ohne lange Downloadzeiten in Kauf nehmen zu müssen.

Als Frontend wird in beiden Fällen (3D Modell und Fotos) das auf dem Markt führende Browser-Plug-in (über 950 Millionen Benutzer weltweit) eingesetzt, zusätzliche Downloadroutinen werden somit vermieden. Im Backend wurde eine SQL Server Umgebung gewählt welche auch hardwareseitig eine sichere Langzeit Archivierung der Daten ermöglicht:

Hinsichtlich der Funktionalität der via Web ab 31.03. 2009 zur Verfügung gestellten Datenbank gibt es grundsätzlich 2 Hauptnutzer-Gruppen: Der interessierte Laie kann sich virtuell den Datenbestand (Attribut Daten, 3D Objekt und Fotos) ansehen und so einen Einblick in die umfangreiche archäologische Sammlung des Landes Niederösterreich erhalten. Der autorisierte wissenschaftliche Nutzer erhält zusätzlich auch die Möglichkeit, die Geometrieinformation herunterzuladen und in vordefinierten Felder Anmerkungen anzufügen.
Ziel ist es, der wissenschaftlichen Fachwelt einen Zugang zu archäologischen Materialien zu geben die derzeit nicht öffentlich zugänglich sind um in weiterer Folge einen wissenschaftlichen Diskurs hierüber zu ermöglichen.

Seit Projektbeginn wurden für die Datenbank ca. 3500 der wichtigsten Objekte erfasst, die zugleich einen breiten Querschnitt des Inventars des Archäologischen Parks Carnuntum darstellen. Für die Zukunft ist geplant,  jährlich 1500 Objekte zu erfassen. Eine vollständige Erfassung des gesamten Inventarbestandes ist nicht vorgesehen.