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14.07.1995

Virtual Reality Viele kuenstliche Welten - aber noch kein Universum

Ich setze den Helm auf, und mein Koerper verschwindet. Meine Augen melden mir, dass ich direkt vor einem Regal mit unterschiedlich grossen Tueren und Schubladen stehe. Aber wenn ich an mir hinuntersehe, nehme ich weder Haende noch Fuesse wahr. Erstaunlicherweise kann ich mich trotzdem bewegen. Ein paar Schritte seitwaerts und zurueck: Die Sicht auf das Regal veraendert sich im selben Tempo. Von irgendwo her schiebt mir jemand etwas in die rechte Hand und fordert mich auf, einen Knopf zu druecken. Aus dem Nichts erscheint ein dicker roter Pfeil, der meine Handbewegungen zu imitieren scheint. Nach ein paar Sekunden gelingt es mir, ihn gezielt auf eine der Schubladen zu richten. Ich druecke noch einmal, und sie oeffnet sich wie von Geisterhand. Der Helm und das Ding in meiner Hand sind wirklich, aber das Regal existiert nur auf meiner Netzhaut - und als Programm in einer "Reality Engine 2" von Silicon Graphics.

CW-Reportage, Karin Quack

Das ist keine Science-fiction, sondern eine Demonstration des Projekts "Telemanipulation von Robotern" am Daimler-Benz- Forschungszentrum in Ulm. Hier arbeitet eine Handvoll Wissenschaftler daran, mit Hilfe virtueller Realitaet (VR) die Zeitverschiebung zwischen einer von Robotern besiedelten Raumkapsel und der Kontrollstation auf der Erde zu neutralisieren.

Jede Nachricht aus dem Orbit trifft am Boden mit einer Verzoegerung von etwa sechs Sekunden ein. Diese kurze Zeitspanne reicht aus, um einen Erdbewohner, der den Roboter im All steuern soll, zu uebertriebenen Reaktionen zu verleiten.

Deshalb hat sich das Ulmer Forschungsteam um den Bildverarbeitungsexperten Klaus Grebner etwas einfallen lassen: Der fuer die Robotersteuerung Verantwortliche richtet seine Befehle nicht mehr direkt an die Maschine, sondern manipuliert eine kuenstliche, dem Arbeitsraum in der Erdumlaufbahn nachempfundene Umwelt.

Zu dieser computererzeugten Realitaet gehoeren das Regal, die Schubladen und die Tueren, vor denen ich stehe. Ein "Tracker" ortet anhand eines elektromagnetischen Feldes meine Kopfbewegungen und meldet sie an den Rechner weiter. Der ermittelt daraus die Blickrichtung und spielt mir zwei Bilder zu - jeweils eins fuer das rechte und das linke Auge. Der Helm auf meinem Kopf, im Fachjargon Head-mounted Display (HMD) genannt, bietet mir diese Ansichten auf zwei getrennten Monitoren an. Die "Flying Mouse" in meiner rechten Hand ist das Werkzeug, um Gegenstaende im virtuellen Raum auszuwaehlen und zu bewegen.

Das Ganze soll die menschlichen Mitarbeiter eines Raumprojekts in die Lage setzen, dem Roboter die von ihm verlangten Aktionen vorzuturnen, ohne nach jedem Schritt die Reaktion abwarten zu muessen. Der Roboter wird diese Befehle in Echtzeit nachvollziehen koennen. Dass er dabei ein paar Sekunden hinter den Menschen herhinkt, faellt kaum ins Gewicht.

Wenn es darum geht, vordefinierte Bewegungen moeglichst exakt auszufuehren, sind Roboter den Menschen ueberlegen. Folglich kann den Mitarbeitern in der Kontrollstation nicht daran gelegen sein, ihre Feinmotorik eins zu eins auf die Maschine zu uebertragen.

Meine vor Aufregung zitternde Hand wuerde die Schublade womoeglich erst einmal fallen lassen, bevor es mir gelaenge, sie in ein anderes Fach zu schieben.

Bei einem begrenzten Aktionsradius ist es zudem unnoetig, jeden einzelnen Bewegungsschritt in Echtzeit zu uebermitteln. Die Anzahl der moeglichen Manipulationen und ihr idealer Ablauf lassen sich im vorhinein definieren und als Softwarecode abspeichern. Indem ich auf den Knopf der Space Mouse druecke, rufe ich das mit dem ausgewaehlten Objekt verbundene Programm auf, und die Aktion "Schublade oeffnet sich" laeuft ab, ohne dass ich mich einschalte.

Die Geisterhand ist also in Wirklichkeit ein wissensbasiertes Softwaresystem, in dem die Rahmenbedingungen aller moeglichen Bewegungsablaeufe festgeschrieben sind. Die Software weiss, dass eine Tuer die Zustaende offen und geschlossen kennt und dass sich eine Schublade nur parallel zum Boden hineinschieben oder herausziehen laesst. Damit nimmt das System mir - respektive den Mitarbeitern in der Bodenstation - nicht nur physische Arbeit ab. Was viel wichtiger ist: Es bereinigt die an den Roboter gerichteten Arbeitsanweisungen um jede unnoetige oder falsche Bewegung.

Je detaillierter desto langsamer

Das Ulmer Bildverarbeitungsteam erhaelt seine Forschungsauftraege zu einem grossen Teil von der Daimler-Benz Aerospace AG, Ottobrunn. Der Mercedes-Benz AG, Stuttgart, hingegen sollen die Ergebnisse eines VR-Projekts zugute kommen, an dem die promovierten Psychologen Arn Hosemann und Wolfgang Gottlieb in Berlin arbeiten.

Bei ihrer Arbeit in der Forschungsabteilung "Mensch und Fahrzeug" haben die beiden Wissenschaftler bereits 1990 die virtuelle Realitaet entdeckt. Aber erst drei Jahre spaeter befanden sie die verfuegbare Hardware fuer tauglich. Und heute haben sie ein System vorzuweisen, das - entsprechend perfektioniert - in ein paar Jahren jedem groesseren Mercedes-Haendler als Verkaufshilfe dienen koennte.

Wie bereits 170 Freiwillige vor mir nehme ich vor der Nachbildung eines Mercedes-Cockpits Platz und lasse mir das schwere HDM aufsetzen. Ein paar Sekunden Scharfstellen - sanft rutsche ich hinein in den virtuellen Innenraum einer C-Klasse-Limousine. Die Instrumente vor mir wirken verblueffend echt, ebenso der Sitz neben und die Polster hinter mir. Mich irritiert nur, dass ausserhalb des Autos nichts zu existieren scheint als das weisse Licht des Nirwana.

Die Aussenwelt in die kuenstliche Realitaet einzubeziehen, so erlaeutert Gottlieb spaeter, wuerde Ressourcen verbrauchen, die dann woanders fehlten. Ohnedies setze sich die Vorderansicht des Innenraums schon aus 10 000 Vielecken zusammen. Je mehr Bildinformation aber zu verarbeiten seien, desto langsamer folge die Abbildung den Kopfbewegungen. Die mit den vorhandenen Mitteln realisierbaren zwoelf Bilder ("Frames") pro Sekunde seien bereits ein Kompromiss. Damit wir einen Ablauf als natuerlich empfinden, muessten unsere Augen 30 Frames pro Sekunde empfangen. Das erklaert, warum mir meine Kopfbewegungen unter dem Helm irgendwie abgehackt vorkommen.

Ob mir das Beige gefalle, fragt mich Gottlieb ueber den leeren Raum hinweg. Blau wuerde ich vorziehen. Von einer Sekunde zur anderen wechseln Polster und Armaturenbrett ihre Farbe. Okay, das ist besser. Aber vielleicht koennte ich mal das Rosa haben. Ach nein, das ueberzeugt mich weniger. Blau ist mein Favorit.

Solche Entweder-oder-Entscheidungen lassen sich nur in einer auf Knopfdruck veraenderbaren Realitaet treffen. Bei den frueher benutzten "Sitzkisten" haben Ortswechsel beziehungsweise Umbaupausen zwangslaeufig die Aufmerksamkeit der Testperson zerstreut. Direkte Vergleiche waren so nicht moeglich.

Urspruenglich wollten Gottlieb und Hosemann den Zusammenhang zwischen Fahrzeuginnenraum und Sicherheitsbewusstsein erforschen. Dass das dafuer entwickelte Instrument mittlerweile auch fuer Marketing-Zwecke in Erwaegung gezogen wird, spiegelt die juengsten Veraenderungen innerhalb des Daimler-Benz-Konzerns wider. Infolge der angespannten Ertragslage sind die Forschungsabteilungen angehalten, sich staerker an den Geschaeftszielen der Konzerngesellschaften zu orientieren.

Je drei unterschiedliche Groessen und Farben haben die Berliner ihren virtuellen Kunden anzubieten - zuwenig Moeglichkeiten fuer eine sinnvolle Verkaufsunterstuetzung, aber genug, um das Prinzip zu verdeutlichen. Das System weiter auzubauen ist Sache der Mercedes-Entwickler.

Bei der softwaretechnischen Realisierung ihres Prototyps haben sich Hosemann und Gottlieb von dem Verein Art + Com helfen lassen, einem Derivat aus der Hochschule der Kuenste und der Technischen Universitaet Berlin. Die Projektkosten von 1,6 Millionen Mark gingen fast zur Haelfe auf das Konto des Hardwarelieferanten Silicon Graphics. Aber auch ein gutes HDM hat seinen Preis. Laut Gottlieb kostet ein hochaufloesender Datenhelm bis zu 120 000 Mark. Darueber hinaus weist das HDM einen weiteren Nachteil auf. Es laesst sich gegenwaertig nur von jeweils einer Person nutzen.

Erst die Brille macht das Bild plastisch

Deshalb arbeitet das Grebner-Team in Ulm auch mit einer Alternative: der Kombination aus Projektionsflaeche und Stereobrillen ("Shutter Glasses"), die fuer rund 1000 Mark zu haben sind.

Wenn ich ohne Brille auf die Leinwand schaue, glaube ich zu schielen. Die Projektion besteht aus zwei minimal gegeneinander verschobenen Darstellungen desselben Gegenstands - aufgenommen mit einer stereobildfaehigen Spezialkamera.

Ich setzte die Glasses auf, das Bild wird klar und - oh, ja! - plastisch. Ich befinde mich im Garten eines Bungalows. Mit einer leichten Kopfbewegung lenke ich meine virtuellen Schritte zum Swimmingpool. Ich riskiere einen Blick in die Tiefe, drehe mich um und versuche, um das Haus herumzugehen. Schade, an der ersten Ecke schon habe ich die Grenze der kuenstlichen Umwelt erreicht.

Das Prinzip der Shutter Glasses unterscheidet sich grundlegend von dem eines HMD. Die Brille zeigt mir immer nur ein Bild, wechselt dabei aber 120mal in der Sekunde zwischen dem linken und dem rechten Auge ab.

Die Steuerung der Bildbewegung hingegen funktioniert genauso wie beim HMD ueber ein "Head-Tracking"-System. Selbstverstaendlich kann nur eine Person, der jeweilige Besitzer der "Master Glasses", das Bildgeschehen beeinflussen. Aber zuschauen duerfen beliebig viele Stereobrillentraeger.

Ein weiterer Unterschied zwischen HDM und Shutter Glasses besteht in der subjektiven Wahrnehmung der virtuellen Realitaet. Die flache Projektionsflaeche der Leinwand hindert mich von vornherein, voellig in die fremde Wirklichkeit einzusteigen. Ich behalte das Gefuehl, nur das Modell einer eng begrenzten kuenstlichen Welt zu betrachten.

Anders als den Science-fiction-Autoren liegt den Daimler-Forschern jedoch wenig daran, die Grenzen zwischen natuerlicher und kuenstlicher Realitaet zu verwischen. Datenhelme oder Stereobrillen sind fuer sie ein Mittel, die dritte Dimension sichtbar zu machen. Aber eine wirklichkeitsgetreue Darstellung ist bei vielen Anwendungen reiner Luxus.

Andreas Strobel kann auf diesen Luxus verzichten. Der junge Informatiker arbeitet ebenfalls im Forschungszentrum Ulm. Mit Hilfe der Programmiersprache C++ hat er nahezu im Alleingang ein System entwickelt, das gute Aussichten hat, die Basis fuer eine neue CAD/CAM-Umgebung der Mercedes-Benz AG zu stellen. Die Technik ist bereits zum Patent angemeldet.

Nach offizieller Lesart dient "Cadview" zur dreidimensionalen Visualisierung von CAD-Daten. Aber das System kann mehr als plastische Bilder auf den Schirm zaubern. Mit Hilfe einer ordinaeren zweidimensionalen Maus gelingt es mir, den auf dem Bildschirm dargestellten Produktentwurf zu drehen, Details zu vergroessern, sichtbehindernde Waende zu entfernen und wie mit einem Kamerawagen durch das Innere des Modells - beispielsweise durch einen Kabelschacht - hindurchzufahren.

Fuer die Konstrukteure ist die Moeglichkeit, ein Produktdesign in seiner Gesamtheit zu betrachten, nicht trivial. Meist bekommen sie nur den Teil zu sehen, an dem sie selbst arbeiten. Aber erst, wenn die Stuecke zum Ganzen verbunden sind, entscheidet sich, ob alle Komponenten reibungslos zusammenspielen.

Wie Strobel demonstriert, macht Cadview sichtbar, wo ein Kabel nicht durch die dafuer vorgesehene Oeffnung gefuehrt ist oder der Innen- den Aussenkotfluegel durchstoesst. So eruebrigt sich in den meisten Faellen die zeitraubende Modellierung eines realen Prototpys.

Sollte der Konstrukteur bei seiner virtuellen Kamerafahrt einen Fehler entdecken, so kann er ihn im plastischen Modell beheben, ohne sich um die mitgefuehrten Produktdaten zu kuemmern. Dafuer, dass visuelle und mathematische Darstellung uebereinstimmen, sorgt die Software.

Weil Cadview, wie es ein Kollege Strobels ausdrueckt, "die absolute Wahrheit immer mitschleppt", bleiben die Informationen erhalten, die normalerweise verlorengehen, wenn ein Objekt in Polygone aufgespalten wird. Und nur weil die CAD-Daten in mathematisch exakter Form zur Verfuegung stehen, lassen sich die mit Cadview manipulierten Entwuerfe spaeter auch fuer die Produktionssteuerung verwenden.

Hoffnung auf sinkende Preise bei der Hardware

Cadview laeuft nicht nur auf den VR-Rechnern von Silicon Graphics, sondern auch auf Workstations von Hewlett-Packard. Eine von Strobels Vorgaben bestand darin, die Software auf Computern zum Ablauf zu bringen, die nicht mehr als 45 000 Mark kosten - der Preis, den Daimler-Benz fuer die Hardware eines Arbeitsvorbereiters veranschlagt. Der VR-Experte hat sogar Maschinen der PC-Klasse im Visier, auf denen er das System bis zum Jahresende in produktionsreifer Ausfuehrung praesentieren will.

Auf einen baldigen Preissturz bei der VR-Hardware spekulieren Stefan Drozkoswki und Juergen Stock, Mitarbeiter im Bereich Business Development der Daimler-Benz Aerospace AG (Dasa). Die beiden Forscher wollen nicht weniger als das Produktdesign revolutionieren: Seit anderthalb Jahren verfolgen sie die Idee, dass der Entwurf eines plastischen Gegenstands von vornherein im dreidimensionalen Raum stattfinden sollte.

"Virtual Prototyping" nennen die beiden VR-Pioniere die Software, die sie gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut fuer Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) realisieren. Dabei handelt es sich um eine dreidimensionale Benutzer-Schnittstelle, die ueber ein CAD-System gelegt wird und dem Produktentwickler eine virtuelle Arbeitsumgebung zur Verfuegung stellt.

Damit auch bereits vorhandene Objekte elektronisch bearbeitet werden koennen, hat das IAO eine dreidimensionale Scanning-Software beigesteuert. Sie soll ihre Informationen von einem Laserstrahl erhalten, der das Objekt rundherum abtastet.

Zwei Entrepreneure mit einer Vision

Sobald die Entwicklungsarbeit beendet ist, wollen sich die beiden Dasa-Mitarbeiter mit dem Produkt selbstaendig machen. Wie Drozkowski hofft, werden sinkende Hardwarepreise die Nachfrage auch bei mittelstaendischen Kunden entfachen. "Wir entwickeln erst einmal die Applikation, die Hardware kommt dann von allein."

Das Dasa-Management sieht das ein wenig anders. Jedenfalls tun sich Drozkowski und Stock schwer, bei dem finanziell angeschlagenen Raumfahrt- und Ruestungsunternehmen ausreichende Mittel fluessig zu machen. Deshalb rechnen die beiden Wissenschaftler nicht vor Ende des kommenden Jahres damit, ein marktfaehiges Produkt vorstellen zu koennen.

Ulm, Berlin, Ottobrunn - die VR-Projekte der Daimler-Benz AG sind ueber die gesamte Republik verstreut. Unter dem Synergieaspekt waere es zweifellos sinnvoller, diese Aktivitaeten an einer Stelle zu konzentrieren. Diese Moeglichkeit ist auch in der Diskussion - spaetestens seit der Daimler-Benz-weiten VR-Konferenz im Mai dieses Jahres.

Ein Beispiel fuer potentielle Kooperationen: Das plastische Design mit Virtual Prototyping liesse sich an die Visualisierung mit Cadview anschliessen. Daraus entstuende ein durchgaengiger dreidimensionaler Entwurfs- und Testprozess. Auch fuer Vertriebszwecke sind Ressourcen gemeinsam nutzbar. Die in Berlin entwickelten Innenraum-Ansichten und die mit Cadview erzielbaren Veraenderungen der Karosserie koennten dazu dienen, einen elektronischen "Showroom" zu installieren. Dazu waeren allerdings kleinere und bequemere Datenhelme noetig. Stock hat da keine Bange: "Sony wird's schon richten."