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Uni erhält neues Visualisierungslabor

Virtuelle Welten im Breitbildformat

Eintauchen in die Gitterstruktur von Metallen oder in die poröse Struktur von Gesteinen, die Materialabtragung mit Lasern sichtbar machen oder ein 3D-Spaziergang auf fernen Planeten – eine neue, extrem hoch auflösende Rückprojektionswand am Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart (VISUS) erlaubt völlig neue Dimensionen virtueller Welten. Eingeweiht wurde die sechs Meter breite und 2,2 Meter hohe „Powerwall“ im Dezember gemeinsam mit dem sanierten und um einen Neubau erweiterten Hysolar-Gebäude des Architekten Günter Behnisch, in dem das Visualisierungsinstitut nun eine neue Heimat gefunden hat.

„Es war eine ungewöhnliche Baumaßnahme, diese Ikone der Architekturgeschichte einer höchst innovativen Nutzung zuzuführen“, so die Leiterin des Universitätsbauamtes Stuttgart und Hohenheim, Sybille Müller, bei der Einweihung. „Und sie war extrem schwierig.“ Denn das 1987 durch das Architekturbüro Günter Behnisch für Versuche der Sonnenenergie errichtete Hysolar-Gebäude war schon damals ein bauphysikalisches Wagnis, mit geringem Budget gebaut und in den letzten Jahren zudem ziemlich heruntergekommen. „Dieses Erbe wieder auf einen zukunftsgerichteten Forschungsbereich auszurichten, war ausgesprochen spannend“, betonte auch Stefan Behnisch, unter dessen Federführung die Sanierung stand. Um Platz für ein europaweit einzigartiges Visualisierungslabor zu schaffen, wurde die vorhandene Bausubstanz zudem durch das Architekturbüro Harder III Stumpfl behutsam um einen Anbau erweitert.
Beide Häuser sind durch einen gläsernen Gang miteinander verbunden und bieten mit einer Gesamtnutzfläche von rund 1.000 Quadratmetern einen exzellenten Rahmen 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 Besonderheit des Hysolar-Gebäudes Rechnung und erfüllt gleichzeitig die Anforderungen durch die hoch technisierte Nutzung, die aufgrund der Abwärme der Rechner einem strengen Klimakonzept unterliegt. Die Sanierungs- und Neubaumaßnahme hat zusammen rund vier Millionen Euro gekostet.


Neuer Glanz, neue Nutzung: Das berühmte Hysolargebäude von Günter Behnisch.                                    (Foto: Behnisch Architekten/Frank Ockert)
Neuer Glanz, neue Nutzung: Das berühmte Hysolargebäude von Günter Behnisch. (Foto: Behnisch Architekten/Frank Ockert)
Blick in den Geräteraum hinter der Powerwall.                                                          (Foto: Regenscheit)
Blick in den Geräteraum hinter der Powerwall. (Foto: Regenscheit)


Powerwall mit 45 Megapixel pro Auge
Kernstück des Labors ist eine in ihrem Aufbau europaweit einmalige Rückprojektionswand, 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 Wahrnehmungsmöglichkeiten des menschlichen Auges 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“, beschreibt Institutsleiter Prof. Thomas Ertl das Problem.


VISUS geht deshalb 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. „Erste Ergebnisse möchten wir jedoch schon im kommenden Jahr präsentieren, auch um weiteren Forschungspartnern die Möglichkeiten der interaktiven visuellen Exploration großer Datenmengen zu demonstrieren“, betont Ertl. Bis die virtuellen Welten in Gigapixel-Auflösung auf einer OLED-Tapete im heimischen Wohnzimmer durchwandert werden können, werde es zwar noch etwas dauern, „aber über kurz oder lang ist auch das keine Zukunftsmusik mehr.“ amg
 



Kontakt

Prof. Thomas Ertl
Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart (VISUS)
Tel. 0711/685-88600
e-mail: Thomas.Ertl@vis.uni-stuttgart.de
 


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