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Nr. 131 vom 30. November 2010

Übergabe des Visualisierungsinstituts der Universität Stuttgart

Im Rahmen einer feierlichen Übergabe erhielt am 1. Dezember 2010 das Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart unter der Leitung von Prof. Thomas Ertl eine neue Heimat. Der Neubau am Allmandring 19 bindet auf zurückhaltende Weise an das 1987, ursprünglich für Versuche zur Nutzung der Sonnenenergie errichtete Hysolar-Gebäude des Architekturbüros Günter Behnisch an, das im Zuge der Baumaßnahe unter der Federführung von Sohn Stefan Behnisch komplett saniert wurde. Rechtzeitig zu diesem Anlass wurde im Untergeschoss des neu erstellten Anbaus ein einzigartiges Visualisierungslabor in Betrieb genommen. Highlight der Ausstattung ist eine Rückprojektionswand, die extrem hoch auflösende Bilder darstellen kann und den Einstieg in völlig neue Dimensionen virtueller Welten erlaubt.

Eine neue, rund sechs Meter breite Rückprojektionswand am Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart erlaubt Bilder mit einer Darstellung von 45 Millionen Pixel pro Auge und eröffnet völlig neue Dimensionen der Visualisierung. (Foto: Universität Stuttgart/Regenscheit)
Die beiden Häuser sind durch einen gläsernen Gang miteinander verbunden und bieten mit einer Gesamtnutzfläche von rund 1.000 Quadratmetern zusammen nun ausreichend Raum für das dynamische Forschungsgebiet der Visualisierung. Dabei wurde der Neubau mit einem Bauvolumen von 4.300 Kubikmetern so geschickt in das Gelände eingebettet, dass nur eine Gebäudekante sichtbar wird. Dieser Ansatz trägt der Einzigartigkeit des unter Architekturinteressierten sehr bekannten Hysolar-Gebäudes Rechnung. Er erfüllt gleichzeitig die Anforderungen an die hochtechnisierte Nutzung, die aufgrund der Abwärme der Rechner einem strengen Klimakonzept unterliegt. Die vom Architekturbüro Harder III Stumpfl geplante und realisierte Sanierungs- und Neubaumaßnahme hat zusammen rund vier Millionen Euro gekostet.
 

Powerwall mit 45 Megapixel pro Auge

Kernstück dieses Labors ist eine vom Aufbau her europaweit einmalige Rückprojektionswand, also eine etwa sechs Meter breite und 2,2 Meter hohe Scheibe, auf die von der Rückseite Bilder – auch in 3D Stereo – projiziert werden. Bisher sind solche „PowerWalls“ meist aus wenigen Standard-Projektoren aufgebaut und haben typischerweise zwischen zwei und zehn Millionen Bildpunkte (Pixel). Damit ist ein einziger dieser Pixel auf einer solchen Scheibe ungefähr zehn Mal so groß wie ein Pixel auf einem herkömmlichen Monitor. Diese relativ grobe Auflösung schränkt die Anwendungsmöglichkeiten stark ein und schöpft auch die menschliche visuelle Wahrnehmung bei weitem nicht aus.

Insbesondere bei kollaborativen Anwendungen, bei denen mehrere Nutzer im Abstand von einer Armlänge zur Projektionswand stehen und gemeinsam große Informationsmengen inklusive Text betrachten und interaktiv analysieren, ist deshalb die Auflösung eines traditionellen Arbeitsplatz-Displays über die gesamte Fläche der „PowerWall“ wünschenswert. Dies zu erreichen ist das Ziel eines neuen VISUS-Forschungsvorhabens. Allerdings ist der Aufbau einer solchen 3D-Display-Wand mit 100 Millionen Pixeln sowohl hinsichtlich der Hardware, als auch bezüglich der Software eine große Herausforderung. Mit modernen Projektoren in HD-Auflösung (2 Megapixel) bräuchte man davon rund 50 Stück, die paarweise in einer gekachelten Anordnung montiert würden. Jedoch müssten diese Projektoren mit hohem Aufwand kalibriert werden, damit die Bilder an den vielen Stoßkanten pixelgenau aneinandergrenzen.
VISUS geht einen anderen Weg und minimiert die Anzahl der Überblendungsbereiche durch Verwendung der zurzeit höchstauflösenden Projektoren. Diese sogenannten 4K-Projektoren, wie sie auch im Kino eingesetzt werden, haben jeweils eine Auflösung von knapp zehn Megapixeln. Die Stuttgarter Installation verwendet zehn dieser Projektoren, die paarweise (je für das linke und das rechte Auge) in fünf Streifen hochkant nebeneinander angeordnet sind. Effektiv werden damit 45 Megapixel pro Auge dargestellt.
 
Die nächste Herausforderung ist die Erzeugung von Bildern für solch eine hochauflösende Wand. Jeder Projektor muss mit vier Videoausgängen versorgt werden, weshalb ein Display-Cluster mit zehn Knoten mit je zwei Graphikkarten erforderlich ist, um überhaupt ein Bild entsprechend zusammengesetzt darstellen zu können. Da interaktive Computergraphiken und Visualisierungen in dieser hohen Auflösung 30 Mal und mehr pro Sekunde berechnet werden müssen, werden weitere 64 Rechner benötigt, welche die erzeugten Bildteile über ein schnelles Netzwerk zu den Display-Knoten schicken. Zudem kann Software, die für die Visualisierung auf einem solchen System erforderlich ist, nicht einfach gekauft werden. Im Kern des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft bewilligten Großgeräteantrags, durch den die Beschaffung dieser 1,6 Millionen Euro teuren Installation erst möglich wurde, steht daher die Entwicklung neuer Algorithmen, Software-Schichten und Visualisierungsanwendungen.
Bis diese in Verbundprojekten wie dem Sonderforschungsbereich 716 und dem Exzellenzcluster SimTech produktiv eingesetzt werden können, sind noch viele Grundlagenfragen zu klären und Entwicklungsaufwand zu leisten. Trotzdem möchten die VISUS-Forscher Teilergebnisse schon im kommenden Jahr der Öffentlichkeit präsentieren, auch um weiteren Forschungspartnern die Möglichkeiten der interaktiven visuellen Exploration großer Datenmengen zu demonstrieren. Bis die virtuellen Welten allerdings in Gigapixel-Auflösung an der heimischen Wohnzimmerwand (mit OLED-Tapete) durchwandert werden können, wird es sicher noch etwas dauern.
 
Kontakt: Prof. Thomas Ertl, VISUS, Allmandring 19,  70565 Stuttgart, Tel. 0711/685-88600, e-mail: Thomas.Ertl@visus.uni-stuttgart.de
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