Technische Modernisierung des SUTAVE-Labors

Status:

abgeschlossen 05/2022

Zielsetzung:

Im Jahr 2008 hat das Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) das SUTAVE-Labor (Safety and Usability through Applications in Virtual Environments) mit VR-Interaktionsraum in Betrieb genommen. Es ist in der Bauform als kreisrunde CAVE (deutsch: Höhle bzw. Projektionswand) aufgebaut. Die CAVE ist 8 Meter breit und 3 Meter hoch. Drei Projektorenpaare haben die Projektion der gesamten Leinwand realisiert. Für die Kanaltrennung der Bilder wurde das INFITEC-Verfahren genutzt, das über unterschiedliche Wellenlängen der RGB-Farben die Kanaltrennung realisiert. Seitdem waren zahlreiche Projekte, insbesondere zu Untersuchungen im Sachgebiet Mensch-System-Interaktion, durchgeführt worden. Die Hardware (Projektoren und Rechner) war stark veraltet und fiel teilweise aus, so dass diese erneuert werden musste, um auch zukünftig wieder Probandenversuche und Besichtigungen im VR-Labor zu ermöglichen. Daher war eine Modernisierung auf den aktuellen Stand der Technik durchzuführen.

Aktivitäten/Methoden:

Es wurden fünf neue 3D-Projektoren mit einem Active-Shutter-Verfahren eingebaut, durch die die Kanaltrennung verbessert und die Farbverfälschung verringert wurden. Mit der Umstellung auf nun fünf Projektionskanäle – die das Gesamtbild ergeben – wurden zum einen die Lichtleistung verstärkt und zum anderen die Auflösung der Gesamtprojektion erhöht. Im Ergebnis führte das zu einer merklichen Steigerung des Immersionsgrades des Betrachters.

Zusätzlich wurden das komplette Rechnersystem erneuert und alte Projekte auf die neue Technik umgestellt und angepasst. Für das Tracking wird weiterhin ein Trackingsystem der Firma "OptiTrack" verwendet.

Ergebnisse:

Der Umbau wurde erfolgreich abgeschlossen. Alle alten Projekte, die auf der 3D-Entwicklungsumgebung "Vizard von WorldViz" basieren, können weiterhin auf der neuen Hardware betrieben werden.

Seit 2018 ist die primäre 3D-Entwicklungsumgebung im SUTAVE-Labor nicht mehr "Vizard", sondern "Unity". Ziel des Wechsels war der Umstieg auf eine State-of-the-Art- Entwicklungsumgebung. Darüber hinaus sind verschiedene Projekte akquiriert, welche ein HMD (Head-Mounted Display) zur Visualisierung benutzen. In diesem Zusammenhang war ebenfalls ein Ziel der Modernisierung, die ausschließlich auf den HMD laufenden Anwendungen in die CAVE des SUTAVE-Labors zu überführen.

Unity selbst verfügt momentan über keine eigene Möglichkeit, eine Anwendung im Cluster-Verfahren über mehrere Displays (hier Projektoren) auszugeben. Zwar gibt es Dritthersteller, die eine kommerzielle Lösung für das Problem anbieten, aus Kostengründen wurde jedoch darauf verzichtet und eine selbstentwickelte Lösung programmiert, die bedarfsgerecht erweitert werden kann. Damit ist es jetzt ohne große Aufwendungen möglich, eigene HMD-Anwendungen in der Cave darzustellen.

Die Aktualisierung der Hardware im SUTAVE Labor bewirkte eine deutlich sichtbare Verbesserung der Darstellung. Die Projektoren sind horizontal ausgerichtet und die gesamte CAVE hat eine Bildschirmdiagonale von ca. 336 Zoll. Die alte Gesamtprojektion hatten eine Auflösung von ca. 2835 x 1070 Pixel bei drei Projektorenpaaren. Dies ergab eine Pixeldichte von 9 PPI (Pixel pro Zoll). Die neuen Projektoren realisieren eine Gesamtprojektion von ca. 6330 x 2400 Pixel bei fünf Projektoren. Der PPI-Wert ist auf ca. 20,1 gestiegen. Somit hat sich die Größe der sichtbaren Pixel auf mehr als 1/4 reduziert.

Die Helligkeit der Projektionsfläche ist auch gestiegen. Die Leuchtstärke der vorherigen Projektoren betrug ca. 10 cd/m² und die der neuen Projektoren beträgt ca. 30 cd/m². Dies entspricht einer Leuchtkraftsteigerung von ca. 300 %.

Das nun eingesetzte Aktiv-Shutter-Verfahren sorgt für eine noch bessere Kanaltrennung. Bei diesem Verfahren werden spezielle 3D-Brillen eingesetzt, bei denen die Gläser Flüssigkristalle, die zwischen durchlässig und undurchlässig wechseln, enthalten. Durch eine Synchronisierung der Brille mit den Projektoren und der Projektoren untereinander können so sequenziell die Bilder für das rechte und linke Auge projiziert und von der Brille für das jeweilige Auge durchlässig geschaltet werden. Die Projektoren arbeiten mit 120 Hz. Im Ergebnis bleiben somit 60 Hz je Auge, wodurch das Umschalten für Anwender nicht wahrnehmbar ist. Eine gute Kanaltrennung ist wichtig, um den 3D-Effekt bzw. die Tiefenwahrnehmung zu realisieren. Ist diese nicht gegeben, tritt u. a. ein Ghosting-Effekt auf, bei dem das eine Auge Teile vom Bild des anderen Auges sieht.

Zukünftig wird noch eine automatisierte Kalibrierung installiert. Aufgrund thermischer und hygrischer Schwankungen in Verbindung mit der hohen Auflösung hat sich gezeigt, dass der Aufbau nach einigen Betriebsstunden anfälliger für Fehler in der Gesamtprojektion, die insbesondere in den Überlappungsbereichen auftreten, ist. Dies soll durch eine regelmäßige Kalibrierung kompensiert werden.

Stand: