Faszination Virtual Reality
Eintauchen in eine andere Welt
von Hendrik Breitbarth, Benjamin Hagen, Melanie Jüttner und Daniel Partzsch
Der Philosoph Platon beschrieb im 4. Jhd. v. Chr. die Höhle als einen für die reale Welt stehenden und von den Menschen unmittelbar fassbaren Ort. Nur diejenigen, die den Aufstieg aus der Höhle wagten, gelangten zu der Erkenntnis, dass es darüber hinaus noch eine weitere, jenseitige Wirklichkeit gibt, die sich der sinnlichen Wahrnehmung entzieht.
Betritt man heute die "Höhle", auch genannt CAVE (Abkürzung für Cave Automatic Virtual Environment) des Kompetenzzentrums der TU Ilmenau, stellt man fest, dass es sich genau andersherum verhält: Mittels modernster Technologie ist man hier in der Lage den Schritt von der Wirklichkeit in die virtuelle Realität zu vollziehen - und der Erkenntnisgewinn ist zunächst einmal kein philosophischer sondern wissenschaftlich.
Das Akronym CAVE wird typischerweise als Bezeichnung für Einrichtungen genutzt, die zur Erzeugung dreidimensionaler virtueller Realitäten dienen. In Ilmenau ist man bereits einen Schritt weiter: Sie ist weltweit die Erste, die Stereoprojektion mit der Wellenfeldsynthese zur Sound-Wiedergabe für technische Zwecke verbindet. Deshalb wird die Bezeichnung "Flexible audiovisuelle Stereoprojektionseinrichtung", kurz FASP, verwendet.
Unter der Prämisse, das Kompetenzzentrum mit der FASP zentral der gesamten Universität für Forschung und Lehre zugänglich zu machen, wurde das Projekt durch das Fachgebiet Konstruktionstechnik bei der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) beantragt. Es konnten 900.000 Euro als Fördermittel bereitgestellt werden. Für die Installation der Einrichtung und den damit verbundenen Umbauarbeiten mussten weitere 100.000 Euro durch die Universität eigenfinanziert werden. Unter der wissenschaftlichen Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Günther Höhne (FG Konstruktionstechnik, Fakultät für Maschinenbau), wurde das Kompetenzzentrum in Kooperation mit den Fachgebieten Grafische Datenverarbeitung, Fahrzeugtechnik und Medienproduktion im Mai 2006 gegründet. Die technische Wartung und Verwaltung des Zentrums wird durch das Rechenzentrum betreut.
Das belgische Unternehmen BARCO, spezialisiert auf Bildschirm- und Visualisierungslösungen, wurde mit der Konstruktion und Endmontage der FASP beauftragt. Dazu arbeitete BARCO eng mit zwei weiteren externen Unternehmen zusammen: Einerseits mit dem aus Darmstadt stammenden VR Systemanbieter vrcom, der die Software Virtual Design 2 beisteuerte. Andererseits mit der IOSONO GmbH aus Ilmenau, einem aus dem Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnik (IDMT) hervorgegangenen Unternehmen, welches das gleichnamige Wellenfeldsynthese-Soundsystem mit spezieller Rechen- und Steuereinheit inklusive Hardwarecontroller bereitstellte. Die Installation des IOSONO-Systems war dabei von Beginn an eine Bedingung seitens der TU für die Zusammenarbeit mit BARCO.
- v.l.n.r.: 90°I-Space, 135° Theatre, 180° Powerwall (Quelle:tuilmenau.de/unirz/Technologie.3618.0)
- Zwei der sechs DLP Projektoren (1400 x 1050 Pixel) (Foto: dp)
Die FASP ist 8,40 m breit, 3,24 m hoch und besteht aus einer Drei-Seiten- Projektionsfläche. Zwei Seiten sind hierbei flexibel, damit der Aufbau der Einrichtung variabel konfiguriert werden kann. So ergibt sich die Möglichkeit einer sogenannten 90° I-Space, einem 135° Theatre sowie einer 180° Powerwall. Je Projektionswand kommen zwei DLP Projektoren mit einer nativen Auflösung von 1400 x 1050 Pixel zum Einsatz. Der Spalt zwischen den beweglichen Wänden verursacht eine Fehlprojektion von gerade einem Pixel.
Für die Echtzeit-Audiovisualisierung polygonlastiger 3D-Modelle von bis zu 40GB Datenvolumen, stehen im Clusterverbund insgesamt 13 Linux-Rechner zur Verfügung. Davon werden allein neun für das IOSONO-Soundsystem eingesetzt. Die restlichen vier Knoten sind für die grafischen Darstellungsberechnungen zuständig und werden von zwei High-End-Grafikkarten sowie einem 32GB-RAM-Render-Server unterstützt.
Um das stereoprojizierte Bild räumlich betrachten zu können, benötigt man eine 3D-Brille. Die Trennung der Stereokanäle wird in der FASP durch das INFITEC-System realisiert, das auf dem Wellenlängenmultiplex basiert. Durch optische Interferenzfilter werden die drei Grundfarben entsprechend ihrer Wellenlängen für Links und Rechts unterschiedlich selektiert und anschließend im Gehirn zu einem vollständigen Farb- und Raumeindruck zusammengesetzt.
- Die FASP bei der Nutzung (Quelle: www.tu-ilmenau.de/KVR)
Die Interaktion mit dem VR-Objekt erfolgt über die Bedienung des Flysticks und des Trackingsystems. Die Position, Blickrichtung und Bewegungen des Betrachters werden durch Reflektionskugeln auf dem Flystick und der Führungsbrille von insgesamt sechs Trackingkameras erfasst und die 3D-Objektperspektive entsprechend ausgerichtet. Mit dem Flystick kann durch die VR gescrollt und auf Knopfdruck Animationen gestartet werden. Das Handling ist allerdings zum gegenwärtigen Zeitpunkt verbesserungsbedürftig.
- 3D-Sound-Lautsprechersystem der FASP (Foto: dp)
Das IOSONO-Soundsystem arbeitet auf Basis der Objektorientierung. Der Sound kann dreidimensional über 208 einzeln ansteuerbare Lautsprecher im Raum wiedergegeben werden. Folglich breitet sich der bei einem 5.1 Soundsystem auftretende lokale Sweet-Spot, der den Mittelpunkt des Sounds im Raum darstellt, auf den gesamten FASP-Bereich aus. So entsteht die Möglichkeit ein dreidimensionales Präsentationserlebnis für Gruppen zu gestalten. Die Schallquelle ändert ihre Position äquivalent zur Betrachterrichtung und unterstützt somit die 3D-Wirkung der FASP. Dieser "bewegliche Sound" kann derzeit gleichzeitig aus bis zu 32 voneinander unabhängigen Schallquellen generiert werden.
Die verschiedenen Schallquellen werden vorab in einem vollkommen schallisolierten Raum "trocken aufgenommen. Diese Geräuschinformationen werden in Datenbanken abgelegt und von dort aus eingespielt. Dadurch ist der Betrachter in der Lage die verschiedensten Bauelemente der Konstruktion besser lokalisieren zu können. Unterstützt durch die kombiniert audiovisuelle Präsentation, bekommt ein Auftraggeber in solchen "Design Reviews" bereits vor der Produktion einen Einblick in den Aufbau, die Funktionsweise, das Handling sowie das Geräuschverhalten des späteren Endproduktes. In Bezug auf die zunehmende Bedeutung des Geräuschdesigns, bietet die FASP den - besonders in ökonomischer Hinsicht - entscheidenden Vorteil, Geräuscheindrücke bereits in den Anfangsstadien des Entwicklungsprozesses abschätzen zu können. Somit können Überarbeitungsentscheidungen getroffen werden, bevor hohe Entwicklungskosten für Prototypen anfallen.
Die Möglichkeiten der Echtzeitmanipulation schaffen zusätzliche Anwendungsfelder für die FASP: Mithilfe von "Computer Aided Design"-Programmen (CAD) entworfene Bauteile werden anhand der 3D-Repräsentation auf ihre Zugangswege in der Konstruktion untersucht. Die problemlose Erreichbarkeit von wichtigen Bedienungselementen kann so für den Anwender optimiert werden. An den 3D-Modellen ist es zudem möglich Einweisungen für Montagepersonal oder auch Nutzerschulungen durchzuführen. Dadurch kann gerade bei teuren und komplexen Maschinen die ordnungsgemäße Installation, Wartung und Bedienung gewährleistet werden.
Die Anwendungsgebiete der FASP reichen von Maschinenbau und Fahrzeugtechnik über Fertigungs- und Werkstofftechnik bis hin zu Nanotechnologie und Medizin. Demnach wird das System derzeit schwerpunktmäßig für das Virtual Prototyping genutzt. Es wird jedoch angestrebt zukünftig die Entwicklung heterogener Anwendungsfelder voranzutreiben. In Kooperation mit der Industrie ist angedacht, die Möglichkeiten für Low-Cost-Varianten zum kommerziellen Privatgebrauch auszuloten. Weiterhin muss vor allem der psychologische Aspekt der Immersion, das heißt der Grad des "Eintauchens" in die virtuelle Welt, weiter untersucht werden, um das Potential der Einrichtung optimal auszuschöpfen. Von dem ebenfalls viel versprechenden Gedanken, die Technologie auch für Unterhaltungszwecke, wie etwa 3D-Kinoerlebnisse oder Gaming zu nutzen, wird an der TU jedoch Abstand genommen. Das Einsatzfeld ist für Prof. Höhne eindeutig abgesteckt: "Wir wollen die CAVE nicht für Entertainment nutzen. Das ist eine CAVE an einer technischen Universität zur Forschung und Lehre." (hb/bh/mj/dp)