Virtualisierung 18.04.2008, 19:34 Uhr

Willkommen in der Parallelwelt  

VDI nachrichten, Düsseldorf, 18. 4. 08, moc – Schon heute existiert neben unserer realen Welt eine Vielzahl von virtuellen Welten im Internet – voller Avatare, Unternehmen und Landschaften. Aber immer stärker nutzen auch Unternehmen in der realen Welt die Virtuelle Realität zum Entwurf und Verkauf neuer Produkte.

Es ist wohl nur noch ein Frage der Zeit, bis wir in einer Welt voller Doppelgänger leben, wenn es auch nur virtuelle sind: Gut 80 % aller Internetnutzer und die meisten großen Industrieunternehmen werden um 2011 einen oder mehrere virtuelle Repräsentanten, Avatare, in den Virtuellen Welten des Internet haben – sei es, um mit ihnen zu spielen oder zu arbeiten. Zu dieser Einschätzung kommt die US-Technologie-Beratungsagentur Gartner.

Doch nicht nur das. Ganze Landschaften werden derzeit in der Virtuellen Realität (VR) nachgebaut.

Jürgen Roßmann steht in einem aus sieben kreisförmig angeordneten, gut 2,5 m hohen Wänden bestehenden Projektionsraum, der eine nahezu komplette Rundumprojektion ermöglicht. Roßmann „wandert“ durch einen Wald in der Nähe von Winterberg. In der Hand hält er ein kleines Tracking-Gerät, das über Ultraschall seine Position im Raum verfolgt und mit dem er Richtung und Geschwindigkeit seiner Wanderung bestimmt. Dazu trägt er eine Brille mit integrierten Polarisationsfiltern.

Hinter jeder der Wände stehen zwei große Beamer, die rechnergesteuert die Bilder des Waldes auf die sieben transparenten Projektionswände werfen.

Plötzlich wird der Wald lichter, entwurzelte Bäume liegen am Boden. „Das war Kyrill“, erklärt Roßmann, „der Orkan, der im Januar 2007 über Deutschland tobte und Tausende von Bäumen umwarf.“

Jürgen Roßmann ist Professor an der RWTH Aachen und Vorstandsmitglied der Dortmunder Initiative für rechnerintegrierte Fertigung (RIF), in deren Gebäude sich der gut 20 m2 große Projektionsraum befindet. Seit Jahren schon arbeitet Roßmann an der Entwicklung virtueller Systeme. Für die nordrhein-westfälische Landesforstverwaltung erzeugt er derzeit ein dreidimensionales virtuelles Ebenbild des NRW-Waldes. Die Daten dafür wurden bei Überfliegungen im Winter und mit Laser-Scannern gewonnen. Mit diesen Daten lässt sich nahezu jeder einzelne der forstwirtschaftlich wichtigen 260 Mio. Bäume in NRW nachbilden, und zwar genau an der Stelle, an der er auch im wirklichen Wald steht.

Solche virtuellen Welten sind kein Selbstzweck. Die Forstwirtschaft steht unter hohem Kostendruck. „Mit einem virtuellen Wald kann man fabriklogistische Methoden im Wald anwenden.“ Die Harvester lassen sich an die richtige Stelle bringen, der Abtransport der Stämme kann wirtschaftlicher und umweltfreundlicher organisiert werden, kurz, man kann „Optimierungskriterien wie in einer Fabrik anwenden“.

Noch wächst der virtuelle NRW- Wald, in drei Jahren soll er komplett sein.

Die Virtuelle Realität (VR) hat sich in den letzten Jahren von einer Nischendomäne zu einem immer bedeutsameren Werkzeug für die Industrie entwickelt. Wegbereiter waren die 3D-Spiele, in denen man sich durch virtuelle Welten bewegt – von „Anno 1701“ bis hin zu den zahllosen Ego-Shooter-Spielen.

Ein weiterer Einfluss sind die dreidimensionalen VR-Plattformen im Internet wie Second Life, in denen sich Menschen und Unternehmen eine virtuelle Doppelexistenz aufbauen. Die Spielehersteller haben so vor allem die Entwicklung der Grafikkarten und der Oberflächenvisualisierung vorangetrieben.

Zunehmend aber verlässt die VR die Spiele-Nische und geht in Richtung industrielle Anwendungen und Forschung. „Es wird kaum noch eine Produktionsanlage gebaut, ohne dass sie erst einmal virtuell getestet würde“, so Roßmann. Dabei lassen sich in der VR die einzelnen Elemente hin- und herbewegen, virtuelle Humanoide können an ihnen arbeiten, sie wird zum „virtuellen Testbed“.

Auch in der Wissenschaft werden VR-Systeme zunehmend nachgefragt. „Wissenschaftler machen immer komplexere Simulationen, suchen nach immer besseren Werkzeugen, um ihre eigenen Simulationsergebnisse verstehen können“, so Torsten Kuhlen, „sie wollen ihre dreidimensionalen Ergebnisse auch im 3D-Raum sehen. Das kann nur die VR.“

Kuhlen ist Geschäftsführer des Virtual Reality Centers der RWTH Aachen (VRCA), das die VR-Forschungsarbeiten an der RWTH bündelt.

Um wissenschaftliche Daten zu visualisieren, nutzen Kuhlen und seine Mitarbeiter die Cave des VRCA. Diese Cave ist ein begehbarer Würfel mit 3,6 x 2,7 x 2,7 m Kantenlänge. Die Bilder werden von außen auf die transparenten Wände des Kubus projiziert.

Die Beamer springen an und man befindet sich im Inneren eines Motors, es ist fast, als würde der Kolben den Betrachter erdrücken. Man kann virtuelle Kraftstoffe in den Motor einbringen, ihre Bewegung beim Arbeiten der Kolben dreidimensional verfolgen oder etwa in einer Blutpumpe sehen, welchen Schaden die Pumpe an den roten Blutkörperchen anrichtet.

„Die große Herausforderung“, so Kuhlen, „ist dabei, die Bilder in Echtzeit zu berechnen und in einer möglichst feinen Auflösung darzustellen.“

Das wird dann umso wichtiger, je stärker das Interesse der Industrie an VR-Anwendung ist.

„Der Flaschenhals ist immer die Auflösung“, so auch Didier Stricker, der im Fraunhofer Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD in Darmstadt die Abteilung für virtuelle und erweiterte Realität leitet. Hier wurde eine „HeyeWall“ entwickelt, eine plane Projektionsfläche von 5 x 2,4 m, die ein gestochen scharfes VR-Bild liefert.

Die HeyeWall wird von 48 Beamern und 48 handelsüblichen Rechnern gesteuert. „Unser Know-how“, so Stricker, „besteht darin, die Leistung der Beamer und Rechner so aufzuaddieren, dass ein hochaufgelöstes Bild entsteht.“

Im Mittelpunkt steht hier die industrielle Anwendung: „Vor einer HeyeWall können im Gegensatz zur Cave mehrere Menschen gleichzeitig an der virtuellen Darstellung arbeiten. Zudem ist das Bild so hoch aufgelöst, dass wir etwa einem Automobilhersteller garantieren, dass alle Details des virtuellen Modells richtig dargestellt sind. Das Ziel, an dem wir arbeiten, ist, dass er zusätzlich auf dem virtuellen Modell exakt dieselben Farben sieht wie auf dem echten Auto.“ Vor der HeyeWall fehlt allerdings das Gefühl der Immersion, des „Mittendrin Dabeiseins“ der Cave oder der Rundumprojektion.

In Europa und vor allem in Deutschland wird die Entwicklung der VR getrieben durch die Industrie, allen voran die Automobilindustrie, die Flugzeughersteller, aber auch den Maschinenbau oder den Schiffbau und die Raumfahrt. „In der VR kann man lange vor dem Produktionsprozess Probleme erkennen. Bei immer kürzeren Innovationszyklen ist das von entscheidender Bedeutung“, so Torsten Kuhlen.

Die Innovationszyklen werden in Zukunft auch nicht langsamer. Roßmann erwartet deshalb, dass in den nächsten fünf bis zehn Jahren mehrere zentrale Testbeds für VR-Anwendungen in Deutschland entstehen, etwa für die Forstwirtschaft und andere Industriezweige. „Die VR wird man dann kaum noch von der wirklichen Realität unterscheiden können.“

Bis dahin ist allerdings noch ein weiter Weg. Mit ihren hochaufgelösten Bildern ist das Visuelle in der VR am weitesten entwickelt, auch in der Akustik gibt es erste Erfolge, um etwa die Vögel im virtuellen Wald singen zu hören.

Weitgehend ungelöst ist das Problem der Haptik: Einen Baum anfassen kann man im virtuellen Wald nicht.

Ansätze gibt es – etwa bei Systemen, die wie beim Flugsimulator Kräfte auf bestimmte Geräte einwirken lassen, die man in der VR bedienen muss.

Ungelöst ist auch das Problem der Bewegung. In den Caves und Rundumprojektionen steht der Nutzer still und manipuliert ein VR-Objekt wie den Wald, sodass er auf ihn zukommt und sich um ihn herum bewegt.

Die große Aufgabe der Zukunft aber ist die, „mehr Intelligenz in die virtuelle Welt zu bringen“, so Roßmann. Wenn man ein Objekt in der VR-Welt hin- und herbewegt, muss die VR-Welt in Zukunft so intelligent sein, dass sie den Nutzer warnt, wenn diese Bewegung in der VR-Umgebung unmöglich ist. Die VR-Objekte müssen dann eigene Wege finden, die Aufgabe zu lösen.

Auch Stricker hält das für die große Herausforderung der nächsten Jahre. Heute muss jeder Avatar, der sich in ein virtuelles Auto setzt, von Hand aufwendig programmiert werden. Das soll anders werden: „Ein Avatar muss lernen, sich wie ein Mensch zu bewegen, ein Stuhl muss lernen, dass er ein Stuhl ist. Die Autonomie und die Zusammenarbeit der Objekte in der VR-Welt müssen verbessert werden.“

Dennoch wird die VR das große Thema der nächsten Jahre werden. „Die Studenten von heute, die morgen in den Firmen sitzen, sind mit 3D-Welten aufgewachsen wie früher die Menschen mit Windows und Word. Sie erwarten geradezu, dass Produkte in VR entwickelt werden“, so Stricker. „In diesen Welten zu agieren und navigieren, das kennen sie von ihren Spielen. Das müssen sie nicht mehr lernen.“

Und was kommt dann? Das Ziel der VR, so Kuhlen, ist die „totale Immersion“ – das komplette Eintauchen des realen Menschen in die dreidimensionale VR-Welt: „Im Idealfall merkt man keinen Unterschied mehr zwischen virtueller und realer Welt.“ W. MOCK

Von Wolfgang Mock
Von W. Mock

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