Virtuelle Welten für die Maschinen der Zukunft

Forscher*innen und Studierende der TU Dresden tüfteln im Virtual-Reality-Labor daran, wie Fahrzeuge und andere Maschinen effizienter entwickelt werden können.

„Unser Kerngeschäft ist die Produktentwicklung. Seien es zum Beispiel Maschinen, Autos, Eisen- oder Straßenbahnen. Und wenn man sich etwas ausdenkt, was es noch nicht gibt, dann ist es sehr hilfreich, wenn man sich schon vorher angucken kann, wie es mal aussehen soll“, erzählt Dr. Wolfgang Steger, der für das Labor und die Integration von virtueller Realität in den Produktentwicklungsprozess verantwortlich ist. Er fügt hinzu: „Das macht immer dann Sinn, wenn man Dinge ausprobieren will, in die man später als Mensch wirklich reingeht oder wo es Interaktion gibt. Wenn es um die Bedienung oder das Empfinden geht, dann kann man das in der virtuellen Realität gut testen.“ Aber auch mikroskopisch kleine Zellen können beispielsweise virtuell dargestellt und begehbar gemacht werden.

Das Labor ist an der Professur für Konstruktionstechnik/CAD der Fakultät Maschinenwesen beheimatet und bietet zwei Möglichkeiten. Zum einen verfügt die Professur seit Januar 2007 über eine Fünf-Seiten-CAVE, kurz für Cave Automatic Virtual Environment, also eine Höhle mit automatisierter, virtueller Umwelt, an deren Wände das Bild projiziert wird. Zum anderen besitzt die Uni verschiedene Datenbrillen sowie Eingabe- und Interaktionsgeräte wie Fernbedienungen mit haptischer Rückkopplung, Datenhandschuhe oder auch Game Controller. Überdies kommt verschiedene Software zum Einsatz. Zu je einem Drittel werden die Gerätschaften in Forschung, in der industriellen Anwendung sowie in der Lehre eingesetzt. Mehr als die Hälfte der Finanzierung stammt aus Drittmitteln. So sind die Konzeption und Erstellung von VR-Szenen für Produktpräsentationen und der Transfer von CAD- in Visualisierungsmodelle konkrete Angebote des Labors für Firmen in Sachsen und darüber hinaus. „Virtual Reality dient zur Visualisierung komplexer räumlicher Strukturen und ermöglicht damit sowohl die visuelle Bewertung eines Produktes als auch die Simulation von Montage- bzw. Wartungsprozessen. Augmented Reality dient zur Verknüpfung von virtuellen Modellen und Informationen mit der realen Umgebung. Mittels mobiler Brillensysteme werden virtuelle Daten in das Sichtfeld des Akteurs eingeblendet“, heißt es dazu auf der Webseite des Labors.

Die Forscher*innen tüfteln vor allem daran, wie sich Daten aus dem Konstruktionsprogramm am einfachsten und effizientesten virtuell darstellen lassen – auf Knopfdruck sozusagen. Hinzu kommen die Möglichkeiten der Wahrnehmung und Interaktion. Angedacht ist zum Beispiel, dass Menschen an verschiedenen Standorten gleichzeitig die gleiche virtuelle Umgebung nutzen und sich darüber austauschen können. „Da muss man das natürliche Gespräch nachbilden“, sagt Wolfgang Steger. „Schön wäre es, wenn man dann Avatare hätte.“ Um die realitätsnah zu animieren, könnte die Zusammenarbeit mit Trickfilmer*innen und Animationsstudios sinnvoll sein. Steger hat hier erste Erfahrungen gesammelt, als für ein Projekt mit Daimler Avatare in Autos ein- und aussteigen sollten. „Der Aufwand ist gigantisch“, erzählt er. Denn sobald ein Avatar ungelenk aussieht oder Bewegungen wie das Zwinkern zu regelmäßig sind, nehmen Nutzer*innen die Darstellung schlecht an. „Im Trickfilmbereich gibt es da aber unglaublich viel Know-how“, sagt er.

Steger und seine Kolleg*innen stoßen zudem auf ein anderes Hindernis: „Momentan gibt es mit den Displaybrillen bei den großen Firmen noch ein wahnsinniges Akzeptanzproblem.“ Zum einen gibt es natürlich die Gefahr von Verletzungen, wenn Menschen vergessen, dass der virtuellen Darstellung in der Realität räumliche Grenzen gesetzt sind. Ein Problem, mit dem sich auch Maschinenbaustudent Samuel Pierel beschäftigt hat. Der 23-Jährige im zehnten Semester mit der Vertiefungsrichtung Allgemeiner und konstruktiver Maschinenbau hat einen Versuch zur Entfernungs-, Höhen- und Größenwahrnehmung in der virtuellen Realität mit der HTC Vive Pro gemacht. „Im Dezember habe ich eine kleine Studie mit 31 Personen an diesem Projekt durchgeführt“, erzählt er. „Die Ergebnisse dieser Arbeit sind nur ein Anfangspunkt für die Untersuchung dieses Problems. Außerdem wurden einige Probleme der aktuellen Tracking-Technik aufgedeckt, welche vor einer korrekten Nutzung erst von dem Hersteller behoben werden müssten.“ Da Nutzer*innen Entfernungen überschätzen und durch Ortungsfehler Ungenauigkeiten entstehen, rät Pierel derzeit also vom Gebrauch dieser Technik ab – zumindest, wenn es darum geht, „die Größe von Objekten genau einzuschätzen“.

Das andere Problem: Die Nutzer*innen wollen sich in größeren Gruppen nicht blamieren, wenn ihre Aktionen vielleicht ungeschickt aussehen. Deswegen nutzen die Forscher*innen für solche Projekte jetzt halb durchsichtige Brillen, die zwar eine schlechtere Grafik liefern, dafür aber auf größere Akzeptanz stoßen. Eine Alternative bietet zudem die CAVE, die Menschen gleichzeitig betreten können. 

Experimentierfreude gibt es auf jeden Fall in Zusammenarbeit mit anderen Hochschulen und Künstler*innen. Gemeinsam mit der Hochschule für Bildende Künste haben die Forscher*innen etwa ein postgraduales Studium zur Virtual Reality entwickelt. Und sie kooperieren mit Markus Wacker, Professor für Computergrafik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden. Seine Studierenden haben zum Beispiel kleine Animationen für den sächsischen Künstler Matthias Lehmann geschaffen. Die wurden 2008 in virtuellen Kugeln in der CAVE gezeigt, während der Künstler reale Kugeln außerhalb des virtuellen Raums gestaltete. Den Möglichkeiten sind also kaum Grenzen gesetzt.

Samuel Pierel hat durch die Arbeit im virtuellen Labor jedenfalls den Schrecken vor der Informatik verloren, schließlich musste er selbst einiges in Unity programmieren. „Deshalb hat sich auch der Jobwunsch weiterentwickelt. Jetzt möchte ich nicht nur Maschinen entwickeln, sondern auch einen informatischen Anteil in der Arbeit haben.“

Text: Nadine Faust

Zum Foto: Samuel Pierel hat die HTC Vive Pro auf die Einschätzung von Entfernungen getestet.

Foto: Amac Garbe

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