Im Laufe der letzten Monate wurde am RUS das neue Visualisierungslabor aufgebaut und kürzlich in Betrieb genommen. Teil des Labors ist eine rückprojektionsbasierte Virtual Reality-Umgebung, die mehreren Benutzern interaktive Visualisierung von technisch-wissenschaftlichen Daten ermöglicht

Lang, Ulrich

Rainer, Daniela

Rantzau, Dirk

OPUS Online Publikationen der Universität Stuttgart

VISUALISIERUNGVirtual Reality am RUS·VR-Komponenten ·Software ·Anwendungen Flinke Prototypen·Von der Simulation zum virtuellen Prototyp ·COVISE-Softwareumgebung ·Anwendungsgebiete Eintauchen in die 3D-DatenweltVirtual Reality am RUSDirk Rantzau/Daniela Rainer/Ulrich Lang Im Laufe der letzten Monate wurde am RUS das neue Visualisierungslabor aufgebaut undkürzlich in Betrieb genommen. Teil des Labors ist eine rückprojektionsbasierte VirtualReality-Umgebung, die mehreren Benutzern interaktive Visuali-sierung vontechnisch-wissenschaftlichen Daten ermöglicht. In einer Virtual Reality-Umgebung kann sich der Benutzer in einer computergeneriertendreidimensionalen Welt bewegen und mit den Objekten in der dargestellten Szene in-teragieren. SolcheDarstellungen werden typischerweise mit Hilfe von Head Mounted Displays (HMD) oderRundumprojektionen (z.B. CAVE) realisiert. Eine Immersion, d.h das sich Umgebenfühlen desBenutzers, wird durch eine stereoskopische Darstellung erreicht. Echtzeit-Rendering, Headtrackingund 3D-Eingabegeräte ermöglichen eine intuitive Interaktion und Navigation in den 3D-Welten. BeiVR-Systemen mit Head Mounted-Displays ist zwar eine vollständige Immersion möglich, wegen dergeringen Auflösung und vor allem dem geringen Komfort sind sie zu einem Arbeitseinsatz bei derVisualisierung technisch-wissenschaftlicher Daten aber nur bedingt geeignet. Das RUS hat sich ausdiesem Grund für ein VR-System entschieden, das aus einer großen Rückprojektionsleinwand bestehtund somit auch für mehrere Benutzer geeignet ist. Eine teilweise Immersion wird durchstereoskopisches Sehen mittels Shutter-Brillen erreicht. Die Echtzeitvisualisierung übernimmtgegenwärtig eine Grafikworkstation von SGI mit Reality Engine-Grafik. VR-KomponentenEin elektromagnetisches Tracking System nimmt zum einem die Kopfposition und Sichtrichtung einesder Benutzer auf (Head Tracking), zum anderen die Position eines 3D-Eingabegeräts (Stift,3D-Joystick oder Datenhandschuh). Mit diesen 3D-Eingabegeräten hat der Benutzer die Möglichkeitmit den Daten direkt zu interagieren, d. h., er kann sich in der virtuellen Welt fortbewegen und dieDatenobjekte manipulieren (anfassen und drehen, skalieren). Wie wird nun der stereoskopische Effekt erreicht? Das stereoskopische Sehen beim Menschen entstehtdaduch, daß die Augen einen bestimmten Abstand voneinander haben und daher von den beiden Augenzwei unterschiedliche Bilder an das Gehirn geliefert werden. Aus diesen Unterschieden ensteht imGehirn ein räumliches Bild. In einer computergenerierten Stereoprojektion erreicht man diesen Effekt,indem man zwei Ansichten einer Szene berechnet: Man zeigt dem rechten Auge nur die rechte Ansicht,dem linken nur die linke Ansicht. Hierfür gibt es verschiedene Techniken, z.B. rot-grün-Brillen,polarisierte Displays oder LCD Shutter-Brillen. Bei Shutter-Brillen wird auf dem Monitor/der Projektionsleinwand abwechselnd das rechte und daslinke Bild gezeichnet und damit synchronisiert das rechte und das linke Brillenglas dunkel geschaltet.Die Grafik-Hardware der Silicon Graphics Computer un-terstützt diesen Stereomodus. Durch dieTrägheit des Auges entsteht so eine realitätsnahe dreidimensionale Darstellung. Die momentane Hardware-Ausstattung ist im folgenden Bild schematisch dargestellt. Neben demDatenhandschuh stehen ein 3D-Joystick und ein 3D-Stift als weitere Eingabegeräte zur Verfügung, dieje nach Anwendung zum Einsatz kommen.  Abb. 1: VR-Hardware-Ausstattung des Visualisierungslabors am RUSSoftwareDas RUS entwickelt im Rahmen einiger Projekte COVER, eine eigene VR-Software-Umgebung, dienach den Anforderungen des technisch-wissenschaftlichen Arbeitsgebietes ausgelegt wurde. DieseVR-Software ist komplett eingebettet in die ebenfalls am RUS entwickelte modulareVisualiserungsumgebung COVISE. Der eigentliche VR-Renderer, der letztendlich die Darstellungerzeugt, wurde unter Verwendung von IRIS Performer implementiert. Performer ist eineGrafikbibliothek von Silicon Graphics zur Realisierung von Echtzeit-Graphik-Anwendungen wie z.B.Flugsimulatoren. Performer basiert auf der Grafikschnittstelle GL oder OpenGL und nutzt dieGrafik-Hardware der SGI-Maschinen entsprechend optimal aus. Insbesondere bei der Visualisierung wissenschaftlicher und technischer Daten steht die Diskussion undBewertung der Ergebnisse mit Kollegen bzw. die Präsentation vor einem interessierten Publikum imVordergrund. Ein Rückprojektionsleinwand ermöglicht im Gegensatz zu einem Head Mounted Displaymehreren Personen das Eintauchen in die virtuelle Welt. Die Teilnehmer haben Shutter-Brillen auf undwerden von einer Person geführt. Dieser sogenannte Master bedient sowohl den Head Tracker als auchdas 3D-Eingabegerät. Das VR-System des RUS ermöglicht dem Benutzer das interaktive Setzen von Schnitt- und Isoflächenim 3D-Datensatz. Außerdem kann der Benutzer interaktiv mit dem 3D-Eingabegerät im Raum dieStartpunkte einer Partikelbahn intuitiv definieren. Dies hat gegenüber der herkömmlichen Art - diePosition der Startpunkte als Zahlenwerte einzugeben - den Vorteil, daß man nicht mehrere Versuchebraucht, bis man den geeigneten Startwert gefunden hat. Man setzt den Startpunkt mit Hilfe eines3D-Stiftes einfach an die gewünschte Stelle vor sich in den Raum. AnwendungenIm nachfolgenden Artikel dieser Ausgabe wird über VR-Anwendungsszenarien, die imSonderforschungsbereich 374 angesiedelt sind, berichtet. In Abbildung 2 ist die Visualisierung desthermischen Komforts in einem Fahrzeuginnenraum zu erkennen. Ü ber die 3D-Menüs (rechts) könnendie verschiedenen Interaktionen ausgewählt werden.  Abb. 2: 3D User Interface in COVER, der VR-Schnittstelle von COVISEIn den nächsten Ausgaben der BI. werden weitere VR-orientierte Anwendungen, die inZusammenarbeit zwischen dem Rechenzentrum und universitären Partnern entstanden sind, vorgestellt.Dirk Rantzau, NA-5789 E-Mail: rantzau@rus.uni-stuttgart.de Daniela Rainer, NA-5790 E-Mail: rainer@rus.uni-stuttgart.de 

Virtual Reality am RUS

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