Holodeck 1.0: Der CAVE-Fahrsimulator bei Renault - 5 Seiten, 70 Millionen Pixel, 40 Quadro-6000-Grafikkarten
Nachdem sie schon seit Langem in Universitäten und Forschungsanstalten genutzt werden, entdecken auch immer mehr Firmen die kommerziellen Vorteile einer CAVE - einer würfelförmigen Umgebung mit Projektionswänden, die einen Nutzer komplett in eine virtuelle Welt entführen.
Andras Kemeny gewinnt vermutlich den Preis für den längsten Vortragstitel der diesjährigen GPU Technology Conference: Mit "Photo-Realistic Digital Mock-Up Design Review in a Five 4Kx4K sided CAVE" ist seine Vorstellung von Renaults Virtual-Reality-Fahrsimulator überschrieben. Kemeny leitet Renaults Immersive and Virtual Reality Centre nahe der französischen Hauptstadt Paris, in dem 10.000 Mitarbeiter arbeiten. Fast etwas entschuldigend gibt Andras Kemeny den Zuhörern einen kurzen Überblick über Renault - eine Automarke, "die derzeit nicht in den USA erhältlich ist."
Vom Fahrsimulator zur VR-Brille
Renault betreibt bereits seit über 20 Jahren eigene Fahrsimulatoren. 2002 ruhte ein Auto auf einer Plattform, die ihm Bewegungen in sechs Achsen ermöglichte. Der Fahrer blickte mit einem Blickfeld von 200 Grad in einen halbrunden Dom, auf den fünf Projektoren Straßen und Verkehr projizierten. Durch elektromagnetisch heb- und senkbaren Säulen vermittelte der Simulator der Testperson das Gefühl von Beschleunigungs- und Bremskräften. 2004 experimentierte Renault mit einem stationären Simulator mit Head-Mounted-Display. Diese Virtual-Reality-Brillen boten 18 Freiheitsgrade, ein großes Sichtfeld, wurden aber noch immer in physischen Autoprototypen eingesetzt. Denn vor zehn Jahren war die CAVE-Technologie zwar schon zwölf Jahre alt, doch Andras Kemeny zögerte noch, sie zu installieren: "Die Auflösung von einer Million Pixel pro Wand war uns zu niedrig", erklärt Andras Kemeny.
Eine Welt aus 70 Millionen Pixeln
Inspiriert von der C6-CAVE der Iowa State University begann Renault im letzten Jahr mit dem Bau einer eigenen "Cave Automatic Virtual Environment". "Befindet man sich in einem Abstand von drei Metern zur Wand, erscheint jeder Pixel kleiner als ein Millimeter - das kommt der Auflösungsgrenze des menschlichen Auges sehr nahe", sagt Andras Kemeny. Vier Wände mit einer Auflösung von 4096 mal 4096 Bildpunkten bilden die linke und rechte sowie die vordere und untere Seite eines 3 Meter x 3 Meter x 3 Meter = 9 Kubikmeter großen Würfels. Weil man hinter dem Lenkrad eines Autos sitzend selten direkt in den Himmel schaut, reicht der Decke eine Auflösung von 1920 mal 1920 Punkten. Die Rückseite des Würfels ist offen. Für das 3D-Bild der 4k-Wände mit ihren 16 Millionen Pixeln sind je vier Projektoren verantwortlich, die per Rückprojektion pro Auge zwei 4096 mal 2048 Pixel große Bilder an die Wand werfen. Die Decke wird von zwei Projektoren mit einer Auflösung von 1920 mal 1080 Pixeln versorgt, die zwischen den Bildern für das rechte und linke Auge umschalten. Das System verfügt noch über einen weiteren 3D-Monitor (3,66 Meter mal 2,29 Meter) außerhalb der CAVE, auf dem Wissenschaftler und Designer die Aktionen der Testperson beobachten können.
Fahrvergnügen mit 40 Nvidia-Quadro-6000-Grafikkarten
Gesteuert wird das System von 20 HP-Z800-Workstations mit 24 GByte RAM und einem Systemtakt von 3,6 GHz. Sie verfügen über 40 Nvidia-Quadro-6000-Grafikkarten, die alle 16 Millisekunden 19 Bilder für die 18 Projektoren und den 3D-Monitor berechnen. Beim Rendering kommen die Tools CATIA, SCANeR, TechViz, Lumiscaphe (OpenGL), RTT (OpenGL, CUDA) sowie Alias und Showcase zum Einsatz. Die Kopfbewegungen der Testperson erfassen acht Kameras über Marker auf der 3D-Brille, die sie an die Simulation weitergeben. Die gesamte Anlage belegt eine Fläche von 140 Quadratmetern, denn die Rückprojektionen auf die Wände verlangen einen gewissen Abstand zwischen Wand und Projektor. Für die 1,5 Tonnen schwere Bodenplatte aus Acrylglas mussten die Entwickler deswegen eine 81 Meter große Grube ausheben.
Autodesign total digital
Nicht nur Renault setzt auf eine Simulation neuer Fahrzeuge. Auch Zulieferer, die beispielsweise Frontscheinwerfer herstellen, liefern dem Hersteller heute bis kurz vor dem Prototypenbau ihre digitalen Entwürfe, die dann in die Simulation eingespeist werden. Noch bis 1998 gab es bis zu vier physische Scheinwerferentwürfe, die immer wieder in einen Autoprototypen eingebaut und damit ausprobiert werden mussten. Das war nicht nur teuer, sondern auch zeitaufwändig - insbesondere, wenn es sich um intelligente Scheinwerfer handelt, die sich automatisch das Kurveninnere ausleuchten oder bei schlechten Sichtverhältnissen zusätzliche Lampenelemente einschalten. Mit den digitalen Entwürfen kommen die Designer in der Hälfte der früher benötigten Zeit auf das finale Design. Dadurch entstehen auch deutlich weniger Kosten. Apropos Kosten: Zwar ließ sich Renault den Bau der CAVE drei Millionen Euro kosten, doch die Ausgaben amortisierten sich schon nach 18 Monaten: "Wir sparen jährlich zwei Millionen Euro, weil wir keine Simulatoren mehr bauen müssen", sagt Andras Kemeny.
