Proseminar Virtuelle Präsenz: 3D Ausgabegeräte Universität Ulm Sommersemester 2005 von oliver.hoffmann@informatik.uni-ulm.de 1/14
Inhaltsverzeichnis I CAVE... 3 1 Grundlegendes...3 2 Hardware... 4 3 Software...5 4 Funktionsweise...6 II TOWSIM...7 1 Grundlegendes...7 2 Hardware... 8 3 Software...9 III VIRTUAL TÜBINGEN...10 1 Grundlegendes...10 2 Erstellen der 3D-Umgebung...11 3 Hardware... 12 4 Software...13 IV Fazit... 14 V Weiterführende Literatur / Quellen... 14 2/14
I CAVE 1 Grundlegendes Das CAVE-System wurde entwickelt von der Electronic Visualization Lab im Jahre 1992. Die Abkürzung CAVE steht dabei für ein rekursives Akronym: Cave Automatic Virtual Environment. Es existieren bereits neuere Systeme, welche auf CAVE basieren (z.b. ImmersaDesk und IWall), jedoch wird das CAVE-System auch heute noch in über 2 Dutzend Institutionen eingesetzt. Entwickelt wurde das CAVE-System hauptsächlich für den Einsatz in Konferenzen und Präsentationen, wobei ein Leiter die Präsentation steuert, werden die anderen Anwesenden Zuschauer und -höhrer sind (siehe Bild). Es wird allerdings auch im Design beim Erstellen von neuen Fahrzeugen und FahrzeugInnenausstattungen, bei aerodynamischen Messungen, in der Medizin, der Chemie und vielen weiteren Gebieten eingesetzt. 3/14
2 Hardware Das CAVE-System besteht aus einem Würfel mit 3 x 3 x 2,7 Meter, welcher mit Bildschirmen umgeben ist. Dabei kommen mindestens 3, zum Teil aber auch bis zu 6 Bildschirme zum Einsatz. Die Bildschirme werden von hinten über Electrohome Marquis 8000 Projektoren mit Spiegeln beleuchtet, wobei die Projektoren eine Auflösung von 1024 x 768 Pixel bei 96 Hz bieten und das Bild in Stereo auf die Bildschirme werfen. Mit Hilfe einer speziellen Stereo-Brille, die für die beiden Augen unterschiedliche Bereiche des sichtbaren Spektrums heraus filtert, entsteht ein Eindruck einer vollständigen dreidimensionalen Welt. Die Daten können über Supercomputer oder über wissenschaftliche Instrumente eingebunden werden, auch Surround-Sound kann von außen eingebunden und von dem System wiedergegeben werden. 4/14
3 Software Die Software baut auf der CAVE Library auf, welche Funktionen aller Art zum Entwickeln von eigenen Programmen bereitstellt. Sie kümmert sich dabei auch um die erforderliche Synchronisierung von den CAVE Programmen mit den Wänden, damit es zu einem fließenden Übergang der Darstellungen zwischen den Wänden kommt und sie übernimmt die Berechnungen der Stereo-Bilder. Zum Testen eines selbst geschriebenen Programms kann der CAVE Simulator verwendet werden: Der Simulator läuft dabei auf einem normalen PC und ermöglicht es dem Programmierer dadurch, seine Entwicklungen auch ohne den Einsatz der CAVE Hardware zu testen. Er hilft dabei beim Erstellen der virtuellen Umgebung, dem Definieren und Testen von Vorgängen und dem Optimieren der Software. Als einfach zu bedienende graphische Benutzeroberfläche gibt es außerdem den CAVEviewer, der es auch unerfahrenen Anwendern ermöglicht, eigene 3D-Modelle ohne großes Vorwissen erstellen zu können. 5/14
4 Funktionsweise Der Leiter einer Präsentation bewegt sich im Raum und ist dabei an den Händen und dem Kopf mit Bewegungssensoren verbunden, womit er die Darstellung beeinflussen kann, die virtuelle Welt um ihn herum bewegt sich mit ihm mit. Dadurch können auch große Landschaften und Gebäude durchwandert werden, wie zum Beispiel der Nachbau einer französischen Kirche wie in folgendem Bild zu sehen: 6/14
II TOWSIM 1 Grundlegendes Bei TOWSIM handelt es sich um eine Simulationssoftware für Fluglotsen, die ursprünglich für den U.S. Luftraum entwickelt wurde, mittlerweile jedoch weltweit eingesetzt wird (z.b. in Langen, München, Paris, Ankara,...). Sie simuliert nicht nur den Ausblick aus dem Tower mit den in der Luft befindlichen Flugzeugen, sondern auch sämtliche Displays und Armaturen. Die Software ist dabei sehr flexibel einsetzbar und sehr gut erweiterbar, so gibt es zum Beispiel ein System namens ATCoach, welches zum Testen von Funktion, Integration, Performance und Akzeptanz von neuen System, die zur Überwachung des Flugraums eingesetzt werden sollen, verwendet wird. Das System bietet realistische und individuell anpassbare Flugzeugmodelle sowie eine realistische Wetter-Simulation, in welcher Wind, Sichtweite, Luftdruck und Wolken dynamisch festgelegt werden können, welche sich in Echtzeit auf die projizierten Bilder sowie das Flugverhalten der simulierten Flugzeuge auswirken. Zusätzlich verfügt das System über einen Sound-Generator mit Spracherkennung: Dieser kann Anweisungen von den auszubildenden Personen entgegennehmen, interpretieren und daraufhin eine passende Antwort eines simulierten Piloten generieren. 7/14
2 Hardware Das TOWSIM System benötigt keinen Supercomputer, sondern verwendet mehrere über ein Netzwerk miteinander verbundene PCs. Dabei kommen normalerweise Dual Pentium 4 Maschinen mit mindestens 512 MB Arbeitsspeicher zum Einsatz, die Workstation sollte zusätzlich aus Geschwindigkeitsgründen mit einem RAID 0 - System aus 2 Festplatten ausgestattet sein. Außerdem benötigen die Rechner für die Pseudopiloten 2 Grafikkarten um 2 Bildschirme in hohen Auflösungen absprechen zu können. Der Aufbau besteht normalerweise aus etwa 20 Rechnern (siehe Bild), kann aber auf über 100 Rechner erweitert werden. 8/14
3 Software Das Herz der Software ist die Master Exercise Control Application: Sie dient zur Konfiguration des gesamten Systems und zum Kontrollieren und Überwachen von Übungen. Außerdem kann mit ihr der gesamte Übungsablauf zur späteren Analyse aufgezeichnet werden. Weiterhin kommen meist mehrere Pseudo-Pilot Stations (siehe Bild) zum Einsatz, welche mit jeweils 2 Displays ausgestattet sind und über ein anspruchsvolles Interface verfügen, welches schnelle Reaktionen ermöglicht und Eingabezeiten reduziert. Sie zeigen dabei die aktuelle Verkehrssituation im Luftraum an, außerdem den Flugplan und zusätzliche Informationen über ausgewählte Flugzeuge. Die Pseudo-Pilot Station dient hauptsächlich der Ausbildung von Fluglotsen. Neben Approach- und Ground-Radar (wie im Bild rechts zu sehen) zur Anzeige von Flugzeugen im Umfeld und sich auf dem Boden befindliche Flug- und Fahrzeuge gibt es z.b. noch das Aerodrome Lighting Panel, an welchem Platzlotsen ausgebildet werden: Mit dieser Software kann man einzelne Leuchtstreifen und Stoppzeichen an- und ausschalten und somit z.b. auf sich verändernde Wetterverhältnisse reagieren. Zusätzlich gibt es noch eine Fülle weiterer Software, z.b. zum Editieren von Flugzeugdaten und zum Erstellen von virtuellen Flughäfen. 9/14
III VIRTUAL TÜBINGEN 1 Grundlegendes Der Hauptzweck des Projekts Virtual Tübingen ist die Forschung. Zum Beispiel wird die Navigation von Menschen im Alltag untersucht oder die Abhängigkeit der Handlung des Menschen von seiner Umgebung: Dazu werden leichte Veränderungen an der virtuellen Welt vorgenommen und die Teilnehmer müssen diese erkennen und sie sich merken können. Eine reale Welt lässt sich für diesen Zweck nicht einsetzen, da man keine Einflussmöglichkeit auf den Aufbau der Stadt hat und die Art der Interaktion der Versuchspersonen sich nur begrenzt beeinflussen lässt. Deshalb wurde für solche Forschungen bisher ein stark vereinfachter Aufbau einer Stadt verwendet: Meist in Form einer block world bzw. eines Labyrinths, dabei wurden möglichst viele Details weggelassen bis die virtuelle Welt vollständig beschrieben werden konnte und die volle Kontrolle über den Aufbau der Welt noch erhalten blieb. Dies hatte allerdings den Nachteil, dass sich die Ergebnisse nur schlecht auf die reale Welt übertragen ließen. Dank moderner Computertechnik, dem Einsatz von Supercomputern und Beamern ist es nun möglich, eine sehr realistische virtuelle Welt zu erzeugen, die zugleich detailliert, komplex und interaktiv ist und trotzdem sehr gut kontrollierbar bleibt. Für diesen Zweck wurde die Innenstadt von Tübingen nach gebaut. Tübingen wurde verwendet, da es sich um eine sehr komplexe Stadt handelt: Es gibt deutliche Höhenunterschiede, viele Kurven und unterschiedlich breite Straßen. Außerdem sind auch die Häuser und Fassaden sehr unterschiedlich. Schlecht geeignet dafür währen geplante Städte wie zum Beispiel New York. Zum anderen befindet sich auch der Standort des Labors in Tübingen, was die Suche nach Personen, die sich mit der realen Stadt gut auskennen, stark vereinfacht. Außerdem war es so einfacher, Bilder von Tübingen als Vorlage verwenden zu können. 10/14
2 Erstellen der 3D-Umgebung Das Erstellen der virtuellen Welt lief in zwei Phasen ab: Als erstes wurden die geometrischen Daten ermittelt, anschließend wurden die Texturen aufgebracht. Die Ausgangsdaten für die Geometrie wurden von Tübingen zur Verfügung gestellt, sie waren noch aus einem früheren Projekt, einer Nachbildung Tübingens in Holz, vorhanden: Diese beinhalteten die Grundrisse sämtlicher Stockwerke aller Gebäude sowie die Außenansichten der Häuser. Informationen über Dächer, Terrassen und ähnliches mussten jedoch noch von Hand ermittelt werden. Der weitaus zeitaufwändigere Teil war das Erstellen der Texturen: Das größte Problem dabei war, das manche Häuser bis zu 20 Meter hoch waren, die Straße davor jedoch nur etwa 5 Meter breit. Dadurch war es unmöglich, die Fassade vieler Häuser vollständig und ohne Verzerrungen auf ein Bild zu bekommen. Deshalb entwickelten die Konstrukteure eine eigene Software namens CorTex, mit welcher die Perspektive der zuvor photographierten Texturen korrigiert werden konnte. Außerdem mussten noch Farb- und Helligkeitskorrekturen vorgenommen werden, da die Häuser zum Teil zu unterschiedlichen Tageszeiten und Sonnenständen aufgenommen wurden. Letztendlich wurden die fertigen Gebäude in die Gesamtkarte eingesetzt. Dabei war es besonders wichtig, die relativen Positionen der Gebäude zueinander zu berücksichtigen, den zum Teil gab es Höhenunterschiede von über einem Meter innerhalb einer Straße. 11/14
3 Hardware Die Ausgabe erfolgt auf einem großen, gewölbten Bildschirm der 7 m breit und 3 m hoch ist. Er wird von einem speziellen Graphik-Computer versorgt, der mit 10 Prozessoren und 2.5 GB Arbeitsspeicher ausgestattet ist (siehe Bild). Die so erstellten Bilder werden mit Hilfe von 3 Projektoren auf die Bildfläche geworfen. Eine spezielle Soft-edge-blending Hardware sorgt dafür, dass die Bilder korrekt zusammengefügt werden. Die Auflösung der gesamten Projektionsfläche liegt bei 3500 x 1000 Pixel, der sichtbare Bereich umfasst 180 horizontal und 55 vertikal, somit wird das komplette Blickfeld durch das Display abgedeckt. Als Eingabegerät wird normalerweise entweder ein Fahrrad oder ein Lenkrad verwendet, allerdings sind auch bereits andere Eingabegeräte erfolgreich getestet worden: Auf dem Bild ist zum Beispiel ein Auto-Sitz auf einer beweglichen Plattform mit Joystick und HUD zu sehen. Das Fahrrad besitzt Pedale mit Force-Feedback Effekten, welche Luft-Wiederstand und Höhenunterschiede simulieren. Das Lenkrad besitzt - in Verbindung mit Pedalen, die aus einem Auto ausgebaut wurden - ebenfalls Force-Feedback Effekte sowie einen Tachometer, welcher auf einem LCD mit Hilfe von OpenGL und QT oberhalb des Lenkrads dargestellt wird. 12/14
4 Software Als Software wurden für dieses Projekt einerseits kommerzielle Programme eingesetzt, wie zum Beispiel MultiGen Creator und Photomodeler sowie eigens für dieses Projekt entwickelte Software wie das bereits erwähnte CorTex Programm (siehe Bild) oder auf vorhandenen Graphik-Bibliotheken basierende Software zum Anpassen der Umgebung in Echtzeit. 13/14
IV Fazit Vorgestellt wurden 3 völlig unterschiedliche Systeme, die sich alle mit der Darstellung einer virtuellen Welt befassen. Das CAVE-System ist sehr flexibel - es kann in Forschung, Engineering, Design, Medizin, Biologie und vielen anderen Bereichen eingesetzt werden, benötigt jedoch sehr teure Hardware. Das TOWSIM-System arbeitet mit normalen Rechnern wodurch sich die Kosten in Grenzen halten, ist jedoch - bis auf wenige Ausnahmen wie das erwähnte ATCoach - auf das Training von Personal wie Flug- und Platzlotsen beschränkt. Das Virtual Tübingen Projekt ist auf die Forschung spezialisiert, und benötigt ebenfalls relativ aufwendige Hardware zum Darstellen der virtuellen, extrem detailreichen Welten und ist im Gegensatz zu den anderen beiden Systemen nicht (primär) zum Verkauf gedacht. V Weiterführende Literatur / Quellen http://www.sv.vt.edu/future/vt-cave/whatis/ http://www.sv.vt.edu/future/vt-cave/apps/ http://www.evl.uic.edu/pape/cave/oldcave/cave.html http://www.5s-gmbh.de/ http://www.kyb.mpg.de/bu/projects/vrtueb/ctuebindex.html 14/14