Dreidimensionale stereoskopische Visualisierung
Die Zukunft ist 3D
Im Bereich der virtuellen Realität können Anwender u.a. animierte dreidimensionale Filme sehen. Moderne Systeme gestatten Nutzern außerdem, selbst in Visualisierungen einzugreifen. Doch meistens gestalten sich diese Werkzeuge für den täglichen Gebrauch für Anwender und Rechner als zu anspruchsvoll. Inzwischen existieren jedoch Lösungen, die sich auf einem herkömmlichen PC installieren lassen und diesen um eine dreidimensionale Arbeitswelt erweitern. Für Entwickler von Embedded Systems eignen sich solche Lösungen beispielsweise zur Erstellung eigener Applikationen.
Sensoren zur Objekterfassung, eine 3D-Brille, ein Eingabegerät mit sechs Freiheitsgraden, eine zentrale Einheit und die dazugehörige Software: Das umfasst die Software- und Hardware-Plattform Leonar3Do. Mit dieser können Anwender in direkten Kontakt mit virtuellen Objekten in Echtzeit 3D-Raum betreten. Eigene virtuelle, räumliche Realität entstehen lassen, die Nutzer selbst manipulieren und beeinflussen können. Die Hauptkomponenten der interaktiven Desktop VR-Hardware sind das räumliche Eingabegerät – der sogenannte Vogel – eine 3D-Brille und drei auf einem Monitor befestigte Sensoren. Der Vogel arbeitet in sechs Freiheitsgraden. Damit lassen sich nicht nur einzelne Objekte im Raum bewegen, sondern auch drehen. Die 3D-Brille ermöglicht Benutzern, dreidimensionale Objekte vor dem Monitor als stereoskopisches, räumliches Bild zu sehen. Und die Sensoren folgen den Positionen des Vogels und der Gläser kontinuierlich. Dabei entsteht beim Nutzer ein holographisches Gefühl, er hat das Gefühl, tatsächlich hinter Objekte zu schauen, wenn er den Kopf entsprechend bewegt: Die Objekte schweben im Raum wie reale Gegenstände, die man anfassen und bearbeiten kann.
Virtuelle Gegenstände verformen und einfärben
Anwender können in diesem virtuellen Raum zeichnen, Modelle und Muster erstellen, Spielzeuge erfinden, Spiele spielen sowie Strukturen von vordefinierten Formen bauen. Beispielsweise gestattet die Anwendung LeoWorld, 3D-Objekte im Raum zu gestalten und zu manipulieren. Kugel, Würfel, Kegel und Zylinder lassen sich mit der Funktion ’sculpting‘ verformen. Drückt man mit dem Kursor des Vogels von außen gegen die Oberfläche, so drückt man die Oberfläche hinein, und fährt man mit dem Kursor von innen nach außen, zieht man die Oberfläche nach außen. Die Spitze des Vogels dient dabei als Kursor. Der Betrachter sieht durch die 3D-Brille eine virtuelle Kugel, die als Aktuator dient und den Interaktionspunkt mit den Objekten definiert. Die Gegenstände müssen jedoch nicht einfarbig bleiben, sie lassen sich mit einer virtuellen Sprühdose individuell bemalen und färben. Das Tool ‚Bemalen‘ ermöglicht beispielsweise das Besprühen einer Fläche mit unterschiedlichen Farben. Drei verschiedene Arten von Lichtquellen gestatten, Objekte und ihre Umgebung mit Licht und Schatten zu versehen. Damit Gegenstände noch realistischer wirken, lässt sich Gravitation einschalten: Alle Objekte fallen zunächst auf den Boden, dabei springen sie leicht, abhängig von Gewicht und Elastizität. Mit dem Vogel lassen sich die Objekte dann greifen; beim Stoß gegen andere virtuelle Gegenstände reagieren diese wie bei einem echten Zusammenstoß realer Körper.
Kompatibel zu Medizingeräte-Software
Bestehende dreidimensionale Objekte lassen sich aus anderen Systemen in die VR-Lösung einladen, bearbeiten oder visualisieren. Hier-zu stehen mehrere Dateiformate zu Verfügung. So ist es auch möglich, große Dateien aus medizinischen Geräten zu visualisieren und aus verschiedenen Aufnahme-Schichten ein dreidimensionales Bild zu erzeugen. Animationsfilme lassen sich erstellen, da das Programm den Ablauf von Kamera und Objektbewegungen Key Frame-basiert abspielen kann. Um beispielsweise Phasen einer Operation oder einen Animationsfilm zu erstellen, können Entwickler einen eigenen stereoskopischen 3D-Film einfach generieren. Ein weiteres Feature des Leomar3Do Systems ist, dass man rasch in die alte 2D-Oberfläche umschalten und mit einer Maus zweidimensional an Manuskripten und Notizen weiterarbeiten kann. Doch Einsatzgebiete zeigen sich nicht nur in der Medizin oder im Spiele-Bereich. Die Lösung kann überall dort zum Einsatz kommen, wo dreidimensionale Objekte existieren oder erstellt werden sollen, beispielsweise im Bereich Architektur, Raumplanung, Gebäudeplanung, künstlerische Gestaltung und Produktentwicklung. Das besondere an dem System ist, dass Programmierer sowie spätere Anwender des Produktes die Lösung nutzen können. Dann könnten auch Lehrer in Schulen oder Museen komplexe Objekte dreidimensional für die Schüler, Studenten und naturwissenschaftlich Interessierte visualisieren oder mithilfe von Grundobjekten Regeln in der Physik, Chemie oder Mathematik erklären. So lässt sich z.B. Gravitation und seine Wirkung an Gegenständen besser simulieren, Moleküle leicht erstellen oder Geometrie im Raum veranschaulichen. Hier steht Entwicklern ein Software-Entwicklungs-Kit (SDK) bereit, mit dem sich für spezielle Fachgebiete Anwendungen erstellen lassen, um beispielsweise eine äquipotenzielle Fläche zwischen mehreren Protonen und Elektronen zu visualisieren, wie dies die Leo-Physik-Demo möglich macht.
Benutzerfreundliche Einrichtung des Systems
Leonar3Do wurde speziell benutzerfreundlich entwickelt, damit Personen aller Altersgruppen da-mit arbeiten können. So geschieht beispielsweise die Kalibrierung der Sensoren automatisch, Anwender benötigen kein Spezialwissen. Die Lösung arbeitet mit der üblichen PC-Konfiguration. Dennoch benötigt das Programm mindestens Intel CoreTM 2 Duo oder AMD AthlonTM X2 CPU und eine Video-Karte wie NVidia 8 oder ATI HD 2400 Serie oder besser. Die Software benötigt Open-GL 3.0-Unterstützung und 2GB RAM. Je nach gewählter Darstellungsvariante wird ein passiver interlaced mikropolarisierter Monitor oder ein aktiver (120Hz) 3D-Monitor benötigt. Anwendern steht ein Software Development Kit (SDK) kostenlos von Vidimensio zur Verfügung, diese eignet sich besonders für die Entwicklung von Applikationen für den Einsatz in Embedded Systemen. Das Plugin Maya ermöglicht die Verwendung des Systemes in der Autodesk Maya 3D Animations Software.
Polarisationsfolien für weniger Belastung der Augen
Das Leonar3Do-System ist als Kit oder als komplettes Set mit einem leistungsstarken PC erhältlich. Zudem steht es als Kit, als passives System oder als Sonderlösung im aktivem 120Hz-Set bereit. Beide Varianten haben identische Eigenschaften, aber um die Hauptentwicklung in den stereoskopischen Geräten zu folgen, wird die Nutzung der passiven Lösung empfohlen. Der Hauptunterschied liegt in den Brillen und dem 3D-Monitor: Die aktive Variante benutzt eine LCD Schutterbrille, die mit 120Hz flimmert, die passive Variante verwendet Polarisationsfolien, was ein ruhigeres 3D Bild ermöglicht. Dies belastet die Augen weniger.
Virtualisierung mit Publikum
Die Lösung arbeitet mit infraroten Scanner-Sensoren die auf der Monitor-Oberkante an drei Positionen befestigt sind. Die in der Brille und auf der Spitze des Vogels eingebauten Infrarot-LEDs ermöglichen, dass das System die Position beider Geräte ermitteln kann. Das System berechnet das 3D-Bild am Monitor so, dass es dem Sichtwinkel des Betrachters entspricht. Dadurch ist es möglich wahrlich hinter die Objekte zu schauen, als ob sie ein Hologramm wären und in der Luft schweben würden. Das Geschehen am Monitor lässt sich aber nicht nur am Monitor des Anwenders betrachten, eine externe Kamera kann die Interaktion mit dem Modul LeoCapture visualisieren. Betrachter sehen dann den Bediener sowie die virtuellen Objekte, mit denen der Anwender interagiert. Dabei wird eine Webcam mit USB-Anschluss an dem PC angeschlossen, und seitlich auf den den Monitor und den Benutzer gerichtet. Auf einem zweiten 2D-Monitor oder Projektor kann das System das Bild der Web-Kamera darstellen. Dabei wird das Bild des Haupt-3D-Bildschirmes durch eine Computergrafik ersetzt, die der virtuellen Realität des Benutzers entspricht. Es ist aber auch möglich, das Geschehen für ein großes Publikum in 3D zu visualisieren. Dafür wurde das LeoConf-System entwickelt. Es projiziert 3D-Bilder auf eine Leinwand. Dabei wird das 3D-Bild, das der Benutzer vor sich sieht, ohne dessen Kopfbewegungen dargestellt. So kann beispielsweise ein Vortragender Objekte für ein Publikum bearbeiten. Das revolutionäre Leonar3Do System ermöglicht nun, dass auch Kinder zu Hause oder in der Schule mit dreidimensionalen Bildern und Modellen spielend lernen und ihr räumliches Sehen trainieren und Ingenieure, Ärzte sowie Designer ihre Arbeiten im Raum planen können.
