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10.02.1995

Die Schwabenmetropole wird zum Mekka fuer kuenstliche Welten Virtual-Reality-Anwendungen fuer real existierende Probleme

Von Horst-Joachim Hoffmann*

Fuchtelnde, zudem monstroes bebrillte Mitmenschen in Sesseln, andere stehend, gut verkabelt abgetaucht, weggetreten aus der realen Welt, sind auf Publikumsmessen ein haeufiges Bild: Virtual Reality (VR) live! Bei der Virtual Reality World '95 in Stuttgart soll es Ende Februar ganz anders ausschauen.

Mit all jenen, die den Einstieg suchen, trifft sich die Szene zur Information ueber den internationalen State of the art und Visionaeres. Kongress, Messe und Experimentierpark sollen vom 21. bis 23. Februar 1995 in Stuttgart fuer Transparenz, Gedankenaustausch, Sehen, Staunen und Verstehen sorgen. Revolutionaeres melden die Entwickler kuenstlicher Welten fuer Medizintechnik, Architektur, Fertigungsoptimierung sowie Lebenshilfe fuer Behinderte. Daneben steht der 3D-Ego-Trip mit Schlagworten wie Cybersex, Adventure Games und Co. Sieht man von Spezialisten ab, verdankt VR seine bisherige relative Populatitaet Anwendungen wie dem Datenhandschuh, neudeutsch Data-Glove.

Erste Ansaetze von Militaers und Nasa

Doch was da vordergruendig ueber Spiel und Spass durchaus luststeigernd und neugierfoerdernd praesentiert wird, hat einen ernsten, recht jungen Hintergrund. Die Anfaenge virtueller Realitaet lassen sich zwar schon Mitte der 60er Jahre ausmachen, doch erst mit der Computerleistung aktueller Zeit geraet VR zur Bluete.

Zu Anfang stand "nur" die Idee, Mensch und Computer enger aneinander zu ruecken, sie sozusagen miteinander zu verschmelzen. Als Vaeter dieser Vision gelten Ivan Sutherland mit seinen Vorstellungen vom ultimativen Display und dem erstrebten Eintauchen in simulierte Computerwelten sowie Jaron Lanier, dessen kalifornisches Unternehmen VPL dann folgerichtig wohl als erstes mit einem sensorenbestueckten Datenhandschuh auf dem Markt erschien. Dieser Handschuh erfasste Hand- und Fingerbewegungen und uebertrug sie an einen angeschlossenen Computer zur weiteren Verarbeitung.

Bis allerdings die Computer fuer die Berechnungen der notwendigen Simulationen weit genug entwickelt waren, vergingen noch Jahre. Und wie so oft spielten die Militaers auch bei dieser sehr kostenintensiven Entwicklung den Vorreiter. Erstes Ziel war ihnen die Konstruktion realitaetsnaher Flugsimulatoren und intelligenter Cockpits.

Die fruehen Gehversuche der Militaers und kurz darauf der Nasa brachten einen Stein ins Rollen. Fragen ueber Fragen tauchten auf und - wichtiger noch - eine erstaunlich grosse Anzahl moeglicher Anwendungsgebiete. Die Nasa konzentrierte sich im Anfang auf fuer sie wichtige Bereiche und weltraumspezifische Problemloesungen wie Telepraesenz, Stroemungssimulation und Bedienueberwachung autonomer Systeme, so berichten die VR-Profis Jens Neugebauer, Thomas Flaig, Matthias Wapler und Rolf Daeinghaus vom Institut fuer Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) der Fraunhofer- Gesellschaft (FHG) aus der Geschichte der Virtual Reality.

Heutzutage tummeln sich Profis und Entwickler in den Bereichen Konstruktion und Design, Architektur und Innenarchitektur, Robotersimulation, Teleoperation, Medizintechnik, Molekueldesign und Flug- und Fahrsimulation.

Dies sind auch Themen der Virtual Reality World '95, ausgerichtet von IDG Conferences & Seminars, Mecklermedia London und der FHG mit ihren Forschungsabteilungen IPA und Institut fuer Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO).

In der Schwaben-Metropole wird es sich unter anderem um Rapid Prototyping, Simulation, neue Medien, Entertainment, Architektur, Medizin, Force Feedback, Akustik, Hard- und Software drehen. Tutorials, Kongress, Messe und Experience Park mit internationaler Besetzung sollen die technologische Entwicklung durch Information aus erster Hand auch fuer Laien transparenter machen.

Es handelt sich immerhin um einen Markt, der alleine in den USA von einem derzeitigen Volumen von knapp 200 Millionen Dollar Umsatz in den kommenden drei Jahren fast um das Dreifache auf voraussichtlich 570 Millionen wachsen wird. Beobachter der 4th Wave Inc. aus Alexandria, USA, sehen den groessten Schub bei den Anwendungen: Von 13,2 Millionen Dollar in 1995 steigt der Umsatz jenseits des grossen Teiches bis 1998 auf 95 Millionen Dollar an. Dichtauf folgen die Werte fuer den Unterhaltungssektor mit jetzt 13,2 Millionen Dollar Umsatz und einer Steigerung auf 103,6 Millionen im Jahr 1998.

Auch in Deutschland geraet die Szene in Bewegung: Das Fraunhofer- Institut in Stuttgart befasst sich gleich mit zwei Instituten, dem IPA und dem IAO, mit der Erforschung und Entwicklung der kuenstlichen Welten und bietet dazu auch ein Demonstrationszentrum an.

Virtuelle Realitaet ist ein bislang nicht sauber definierter Begriff. Sie bedarf bei den Anwendungen sowohl der Interaktion als auch der Visualisierung. Um strengeren Massstaeben der virtuellen Realitaet voll zu genuegen, sei fuer die Visualisierung eine 360- Grad-Simulation vonnoeten, so VR-Wissenschaftler Flaig. Die Darstellung muesse zudem in Abhaengigkeit von der aktuellen Position und Orientierung des Benutzerkopfes moeglich sein. Zwei getrennt berechnete Bilder schliesslich gewaehrleisten die echte Dreidimensionaliaet.

Die Interaktion mit virtuellen Welten soll ueber eine moeglichst intuitive Steuerung der Objekte erfolgen - mit ausreichender Beweglichkeit in ihren realen, geplanten und/oder gewuenschten Freiheitsgraden. Perfekte Simulation und Interaktion im massstabsgetreuen 3D-Raum unter voller Sensorik des Menschen in Echtzeit - das ist das Traumziel der Entwickler kuenstlicher Welten.

Bei den Anwendungen in der Praxis tut sich in den letzten Jahren einiges. IBM verbuchte 1994 mit der Simulation des Wiederaufbaus der Dresdner Frauenkirche einen PR-Erfolg. Ein japanischer Kuechenhersteller laesst Kunden live und in Farbe an Herd und Schrank vorbeispazieren. Die aktuelle Anwendungsbandbreite reicht weit ueber Architektur-Kuenstliches hinaus.

So beschreibt IPA-Wissenschaftler Wapler Arbeiten zum Einsatz dieser Technik in der minimal invasiven Chirurgie, deren Methoden dem Chirurgen eine bessere raeumliche Visualisierung und Orientierung bieten. Virtual Reality soll dabei zur Steuerung von chirurgischen Miniaturwerkzeugen und zur Simulation von Operationen dienen.

Diese Technik der Chirurgie, die durch gezieltes Ein- und Vordringen zum Operationsort das Operationsfeld erheblich verkleinert, gilt als Revolution in der Medizintechnik. Sie ermoeglicht komplizierte Eingriffe bei erheblich geringerem Operationstrauma und wesentlich kuerzeren Zeiten zur Genesung.

Bei dieser nur noch ueber Endoskope anwendbaren Technik weist Wapler auf zwei besondere Gefahrenpunkte hin: die unbeabsichtigte Verletzung von Organen und die Moeglichkeit, sich "regelrecht innerhalb des Patienten zu verlaufen". Der Chirurg der Zukunft braucht dreidimensionales raeumliches Orientierungsvermoegen.

In diese medizintechnischen Arbeiten fliessen umfangreiche Erfahrungen ein, die das IPA bei der Einsatzsteuerung von Robotern im Industriebereich sammelte. Sie bauen auf das hauseigene IPA- Virtual-Reality-System mit der "VR4RobotS"-Software auf, die inzwischen zur Steuerung, Einsatzplanung und Simulation verwendet wird.

Kernstueck dieses Systems ist neben Grafikrechnern ein aus 14 Transputern bestehender Parallelrechner. Die realisierte Systemarchitektur ist hierarchisch gegliedert entsprechend den Ebenen Benutzer, Hardware, Software und Daten und erlaubt eine parallele Bearbeitung mehrerer Prozesse. Als Beispiele hierfuer stehen Kommunikation mit den Ein- und Ausgabegeraeten, Berechnungen der Kinematik, Kollisionserkennung, die Grafikvorverarbeitung und die eigentliche Bilderzeugung.

Das System verfuegt Wapler zufolge ueber einen dynamischen Zeichenalgorithmus; er stellt das Erreichen der maximalen Bildfrequenz fuer den gewuenschten Detaillierungsgrad sicher. Dieser wiederum koenne vorgewaehlt und veraendert werden. Selbst bei einem hohen Grad mit mehr als 60 000 zu zeichnenden Polygonen pro Bild erreicht das System eine Leistung von mehr als zehn Bildern in der Sekunde.

Kosten sparen durch virtuelle Produkte

Doch nicht nur Medizin und Haeuslebau sind Betaetigungsfeld der virtuellen Virtuosen. Ein anderer Bereich ist das Prototyping. So fuehrt Hans-Joerg Bullinger, Leiter des IAO, vor allem den Aspekt der Kostenreduzierung auf. Ansatzpunkt bei dieser Technik sei laut Bullinger, "dass ein Teil der Prototypen, die heute noch physisch erstellt werden, durch Prototypen ersetzt werden, die nur noch im Computer existieren".

Diese Substitution bringe zum Beispiel bei der Auto-Neuentwicklung immense Kostenvorteile. Die virtuelle Kollisionserkennung im Innenraum aus Fahrersicht mache beispielsweise den Einsatz neuer, intuitiver Werkzeuge wie virtuelles Schleifpapier sinnvoll. Erstaunliche Moeglichkeiten der virtuellen Realitaet fuehrt auch Rolf Dieter Schraft, Leiter des IPA, zur Rolle der virtuellen Realitaet in Produktionstechnik und Automatisierung an: Eine Reduktion der Entwicklungszeit von Fertigungsanlagen um bis zu 40 Prozent wurde erreicht.

Moeglich ist diese Einsparung dadurch, dass die Ingenieure sich nicht mehr auf eine abstrakte symbolische Simulation verlassen muessen, sondern der Anlage schon vor dem Kauf des ersten echten Roboters bei der Arbeit zuschauen koennen. So lassen sich eventuelle Engpaesse oder zu kurze Reichweiten bereits im Vorfeld eliminieren.

Lebenshilfe fuer Behinderte

Stichwort Lebenshilfe: VR-Erkenntnisse zum Thema Roboterprogrammierung und -steuerung fliessen auch in die Entwicklung von Servicerobotern fuer Behinderte ein. Hier stehen Fragen der Sicherheit und leichten Bedienbarkeit in Verbindung mit den Eingabegeraeten Tastatur, Joystick, Zungenschalter oder Kopfbewegungssensor im Mittelpunkt des Interesses. Zur optimalen Anpassung an die Beduerfnisse von Behinderten bietet VR eine immense Hilfe.

Die virtuelle Realitaet, so sind sich alle Profis dieser neuen Technik einig, gewinnt an Boden und ist auf dem besten Weg, der echten Welt den VR-Stempel aufzudruecken. Indes, der Mensch bedarf zum Leben auch des Spiels und der Entspannung. Die Nabelschau in Stuttgart traegt dem Rechnung: Eigens fuer den Unterhaltungsmarkt oeffnet sich der Experience Park mit ausgiebigen Moeglichkeiten fuer den Schritt vom "Hier" ins "Dort".

* Host-Joachim Hoffmann ist freier Fachjournalist in Muenchen.