Interactive Web-based 3D Solar Shadow Map DIPLOMARBEIT zur Erlangung des akademischen Grades Diplom-Ingenieur im Rahmen des Studiums Visual Computing eingereicht von Georg Molzer, BSc. Matrikelnummer 0525148 an der Fakultät für Informatik der Technischen Universität Wien Betreuung: Univ.Prof. Mag.rer.nat. Dr.rer.nat. Georg Gartner Mitwirkung: Dipl. Ing. Florian Ledermann Die approbierte gedruckte Originalversion dieser Diplomarbeit ist an der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this thesis is available in print at TU Wien Bibliothek. Wien, 20. Februar 2020 Georg Molzer Georg Gartner Technische Universität Wien A-1040 Wien Karlsplatz 13 Tel. +43-1-58801-0 www.tuwien.at Die approbierte gedruckte Originalversion dieser Diplomarbeit ist an der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this thesis is available in print at TU Wien Bibliothek. Interactive Web-based 3D Solar Shadow Map DIPLOMA THESIS submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Diplom-Ingenieur in Visual Computing by Georg Molzer, BSc. Registration Number 0525148 to the Faculty of Informatics at the TU Wien Advisor: Univ.Prof. Mag.rer.nat. Dr.rer.nat. Georg Gartner Assistance: Dipl. Ing. Florian Ledermann Die approbierte gedruckte Originalversion dieser Diplomarbeit ist an der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this thesis is available in print at TU Wien Bibliothek. Vienna, 20th February, 2020 Georg Molzer Georg Gartner Technische Universität Wien A-1040 Wien Karlsplatz 13 Tel. +43-1-58801-0 www.tuwien.at Die approbierte gedruckte Originalversion dieser Diplomarbeit ist an der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this thesis is available in print at TU Wien Bibliothek. Erklärung zur Verfassung der Arbeit Georg Molzer, BSc. Hiermit erkläre ich, dass ich diese Arbeit selbständig verfasst habe, dass ich die verwen- deten Quellen und Hilfsmittel vollständig angegeben habe und dass ich die Stellen der Arbeit – einschließlich Tabellen, Karten und Abbildungen –, die anderen Werken oder dem Internet im Wortlaut oder dem Sinn nach entnommen sind, auf jeden Fall unter Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich gemacht habe. Wien, 20. Februar 2020 Georg Molzer Die approbierte gedruckte Originalversion dieser Diplomarbeit ist an der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this thesis is available in print at TU Wien Bibliothek. v Die approbierte gedruckte Originalversion dieser Diplomarbeit ist an der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this thesis is available in print at TU Wien Bibliothek. Danksagung Ich bedanke mich bei meiner Mutter Silvia & meinem Vater Konrad. Dafür, dass sie mich in dieses Leben geholt haben und mir weise, liebevolle und kritische Lehrer und Vorbilder waren. Ich denke hier auch an meine mittlerweile verstorbenen Großeltern und deren Vorfahren. Ihnen allen will ich diese Diplomarbeit widmen. Florian Ledermann bin ich dafür dankbar, dass ich bei ihm mit der ursprünglichen Idee auf offene Ohren stieß und er mich motiviert hat, den damaligen Stand der Arbeit auf der 29th International Cartographic Conference 2019 in Tokio einzureichen — mein erster Vortrag auf einer wissenschaftlichen Konferenz. Florian hat mir zu Beginn dieser Diplomarbeit in einer schwierigen Zeit mehr geholfen, als ihm wahrscheinlich bewusst ist. Sein kritisch-positives und kluges Wesen hat mein Leben damals sehr positiv beein- flusst. Hervorzuheben sind auch seine Geduld mit mir, seine Hilfsbereitschaft und seine beeindruckende Korrekturleistung nach Fertigstellung. Georg Gartner möchte ich dafür danken, dass er diese Diplomarbeit ermöglicht hat und dass er mir bei der Beantragung eines Stipendiums eine große Hilfe war — ein Stipendium, dass es mir erstmalig im Leben ermöglich hat, mich einer einzigen Sache mit Fokus zu widmen. Eine sehr heilsame Erfahrung. Über Georg erfuhr ich auch von der 16th Conference on Location Based Services, wo ich nach erfolgreicher Einreichung ebenfalls meine Arbeit an Solar Shadow Maps präsentieren durfte. In diesem Sinne möchte ich auch der österreichischen Studienbeihilfenbehörde danken, die mir durch ein Studienabschlussstipendium diesen letztendlich erfolgreichen Abschluss meines Diplomstudiums ermöglicht hat. Ich danke auch den zahlreichen Autorinnen und Autoren der Werke, die ich im Zuge dieser Arbeit studierte, insbesondere auch den Menschen hinter Three.js, einer webbasierten 3D-Engine, ohne welche die Entwicklung des begleitenden Prototypen so nicht möglich gewesen wäre. Ich danke Gott und dem Universum für diese Bühne und Schule. Und ich danke der Sonne, dass sie scheint. Die approbierte gedruckte Originalversion dieser Diplomarbeit ist an der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this thesis is available in print at TU Wien Bibliothek. vii Die approbierte gedruckte Originalversion dieser Diplomarbeit ist an der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this thesis is available in print at TU Wien Bibliothek. Acknowledgements I want to thank my Mother Silvia & my Father Konrad. For bringing me into this life and being the wise, loving, and critical teachers and role models, I had needed. Them in mind, I also think of my grandparents and ancestors who have all passed away in the meantime. I want to dedicate this diploma thesis to all of them. I am thankful for Florian Ledermann, who I found with open ears when I told him about this idea of a diploma thesis, and who motivated me to submit my work to the 29th International Cartographic Conference 2019 in Tokyo — my very first presentation at a scientific conference. At the beginning of this thesis, during a difficult time in many regards, Florian helped me more than he is probably aware of. His critical-positive and bright nature has influenced my life in a very positive way back then. I also want to emphasize his patience with me, his helpfulness, and his impressive performance in correcting the final work. Thanks go to Georg Gartner, who enabled this thesis in the first place and who was of tremendous help during my application for a student scholarship. A scholarship that, for the first time in my life, allowed me to focus on one single thing. This was a very healing experience. Through Georg, I also found out about the 16th Conference on Location Based Services, where I eventually presented my work on solar shadow maps as well. With this in mind, I would like to thank the Austrian Study Grant Authority, for granting this very scholarship that enabled the eventual completion of my diploma studies. I also want to thank the numerous authors of papers I read and researched during my work on this thesis, especially the people behind Three.js, a web-based 3D-engine, which was crucial to the development of the accompanying prototype implementation. I thank God and the Universe for this stage and school. And I thank the Sun for that it shines. Die approbierte gedruckte Originalversion dieser Diplomarbeit ist an der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this thesis is available in print at TU Wien Bibliothek. ix Die approbierte gedruckte Originalversion dieser Diplomarbeit ist an der TU Wien Bibliothek verfügbar. The approved original version of this thesis is available in print at TU Wien Bibliothek. Kurzfassung Die Sonne hat fundamentalen Einfluss auf die Erde — und damit auch auf die meisten Lebewesen, die sie beheimatet. Temperatur, Photovoltaik-Potential, Wachstumsraten von Pflanzen und auch physische wie psychische Gesundheit von Menschen stehen in direktem Zusammenhang mit ihrer Verfügbarkeit. Im Gegenzug lebt heutzutage der Großteil der Menschheit in Städten, deren Gebäude selbst immer höher werden, was direkten Zugang zur Sonne tendenziell schwieriger macht. Im Zuge dieser Diplomarbeit wird daher argumentiert, dass es vorteilhaft wäre, hätten Menschen ein Werkzeug, mit dem sie Sonnenschatten besser verstehen könnten — sowohl inner- als auch außerhalb von Städten. Ein solches Werkzeug sollte in der Lage sein, beliebige dreidimensionale schattenspendende Strukturen, wie Gebäude, Terrain und Vegetation, sowie die konkrete Sonnenposition zu berücksichtigen, um entsprechende Son- nenschattenszenarien präzise visualisieren zu können. Sinngemäß wird die Frage gestellt, ob eine benutzerfreundliche, webbasierte Applikation, die mittels Echtzeitvisualisierung eine interaktive Erforschung von Sonnenschatten ermöglicht, technisch realisierbar ist. Literatur zu dem Thema ist facettenreich und erstreckt sich über historische “Solar Shadow Maps” hin zu technischen Themen, wie z.B. Schattenvisualisierung in der Computergrafik, Datenintegration oder sonnenbezogener Astronomie. Existierende Applikationen zeigen zwar Potential, schaffen es aber nicht, voran erwähnte Eigenschaften in sich zu vereinen. Daher wird eine Methodik mit dem Ziel der Entwicklung eines funktionalen Prototyps definiert, der die Mängel bestehender Anwendungen kompensieren soll. Diese Methodik inkludiert unter anderem grundlegende Designaspekte, notwendige Algorithmen, sowie Überlegungen zu Datenintegration und Art der Visualisierung. Der implementierte Prototyp wird anschließend in Bezug auf Interaktivität sowie Qualität getestet: Seine Performance wird dazu auf verschiedenen Endgeräten evaluiert und generierte Visualisierungen werden mit ihren jeweiligen realen Pendants verglichen. Es kann letztendlich gezeigt werden, dass eine interaktive, präzise, dreidimensionale und webbasierte Solar Shadow Map tatsächlich