Die verformbare Wand
Ansätze zur Realisierung eines Holodecks
Annika Bokelmann
annika.bokelmann@uni-weimar.de

WS 2010/2011
Einführungsmodul - Interface Design / Prof. Geelhaar

„Auf keine Weise also können sie etwas anderes für das Wahre halten als die Schatten jener künstlichen Dinge“
Das Höhlengleichnis von Sokrates

INHALTSVERZEICHNIS
1 	Vorwort												3
1.1  Thema
1.2  Motivation
1.3  Idee
2	Bisherige Entwicklungen										4
2.1  Einleitung
2.2  Wahrnehmungen
2.2.1 Visuell
2.2.2 Auditiv
2.2.3 Haptisch
2.2.4 Vestibulär
2.3  Techniken
2.3.1 Optisch
2.3.2 Akustisch
2.3.3 Haptisch
2.3.4 Sonstiges
2.4  Ziele
3	Projekt 												5
3.1  Einleitung
3.2  Technik
3.3  Inhalte
3.4  Anwendungen
4	Zusammenfassung										6
5	Anhang												7
1	VORWORT
1.1 Thema

Diese Arbeit ist ein Beitrag zur möglichen Realisierung eines wie in Star Trek¹ dargestellten Holodecks. In diesem Raum wird eine vollständige Abbildung der Wirklichkeit von einem Computer generiert. Diese virtuelle Realität versetzt den Menschen in einen Zustand der völligen Immersion². Scheinbar endlos kann der Raum durchschritten werden, keine besondere Brille ist nötig um die Tiefe des Raumes zu sehen, dreidimensionale Gegenstände können mit den Händen ertastet und verändert werden [6]. Doch ist dies heute möglich? Kann die rasend schnell voran schreitende Technik an das Holodeck heran kommen? Die Antwort lautet ja, wenn auch noch nicht ganz.

1.2 Motivation

Im Kino wird man neuerdings von 3D umgeben [1]. Mit extra dafür präparierten Brillen sehen wir Objekte uns entgegen fliegen und wundern uns, dass sie uns nicht berühren.
Avatar³ nahm uns den Atem und brach die erste Hürde. Es gab schon länger die erforderliche Technik für die 3D Darstellung, doch nicht den ansprechenden Inhalt. Es ist so vieles schon möglich, wovon wir noch nicht mal ahnen können. Wieso also nicht daran glauben?
Science Fiction Filme erzählen uns von einer virtuellen Realität, die nicht mehr von der Wirklichkeit zu unterscheiden ist. Denke man nur an Matrix. Könnte eine Maschine so klug sein, uns eine Realität vorzugaukeln und das ein ganzes Leben lang? Wie mächtig ist unsere Technik wirklich?

1.3 Idee

Die Idee ist es die bisherige Technik weiterzuführen und eine Umgebung zu schaffen, in der wir die Dinge nicht nur im Raum sehen, sondern auch richtig ertasten können. 3D zum anfassen! Ein Traum soll Wirklichkeit werden und noch viel mehr. Was brauchen wir um dies zu vollbringen?
Nehmen wir mal die magnetischen Kugeln, sie können die verschiedensten Dinge nachbilden. Könnte man sie exakt lenken, wären wir nicht mehr weit vom Holodeck entfernt. Sie müssten nur wesentlich kleiner sein und ihre Oberfläche verändern können. Es gäbe nichts, was man nicht darstellen könnte.
Doch meine Idee soll nicht so weit gehen. Sie soll im Bereich des Möglichen bleiben. Meine Erinnerungen führten mich zu einem Gegenstand, der mich vom ersten Augenblick fasziniert hatte: Das Nagelbrett. Ein von abgerundeten Nägeln durchlöchertes Brett, dessen Rahmen eine Glasscheibe trägt. Das Besondere war, dass man die Nägel heraus schieben konnte. Drückte man also die Hand hinein entstand ein vollkommenes Abbild dieser Hand.
Genau das ist doch 3D, dachte ich. Nur das man es nicht fassen konnte wie normale Gegenstände. Nichts desto trotz stellte ich mir eine ganze Wand voll mit diesen Nägeln vor und dann einen ganzen Raum. Es bietet die perfekte Möglichkeit eine Umgebung abzubilden, die der Betrachter auch fühlen könnte. Wenn jeder Nagel wie ein einzelner Pixel im Bild funktionierte, so könnten doch feine Unterschiede in der Oberfläche entstehen. Das Abbild könnte sich sogar über die Wand bewegen und mit Druck veränderbar sein.
Die Idee der verformbaren Wand war geboren. Eine Umgebung, die wir mit all unseren Sinnen wahrnehmen können. Setze man noch Projektoren aus mehreren Richtungen und ein paar Lautsprecher hinzu, wäre die Immersion komplett. Eine Wand, die von einem Computer angesteuert und mit dem vom abzubildenden Modell gegebenen Abstand verformt werden könnte, kommt dem Holodeck schon ein Stückchen näher.

¹ US Amerikanische Science Fiction Fernseh- und Kino Reihe
² Wahrnehmung mit allen Sinnen und somit Eintauchen in die virtuelle Realität
³ ein Science-Fiction-Film des Regisseurs James Cameron 

2	BISHERIGE ENTWICKLUNGEN
2.1 Einleitung

Viele Forscher und Entwickler arbeiten heutzutage daran, die Techniken zu verbessern, mit der die computergenerierte, virtuelle Realität mit allen Sinnen wahrnehmbar wird. Wichtig zu nennen sind hier zwei Entwicklungen: die CAVE¹ und das AUTD². Beides sind große Meilensteine in der Entwicklung. Die CAVE ist ein kleiner Raum, an dessen Wände  das dreidimensionale Bild von außen projiziert wird [12]. Das AUTD macht die virtuell existierenden Objekte durch Ultraschall spürbar [8].
Zusätzlich gibt es viel genutzte Simulationen für Industrie und Gesellschaft. Schifffahrt, Flugzeug, Militär, Autohersteller, Unterhaltung und der Sport sind immer mehr dabei die neuen Techniken einzusetzen. So wird zum Beispiel die praktische Ausbildung von den meisten Bedienern auf die virtuelle Computerumgebung umgestellt und ermöglicht so einen wirklichkeitsgetreuen Umgang mit der Maschinerie. Die Möglichkeiten sind groß, doch bei weitem noch nicht ausgeschöpft.

2.2 Wahrnehmungen

2.2.1 Visuell

Zum größten Teil nimmt der Mensch seine Umwelt mit den Augen wahr. Die Augen empfangen die Lichtreize der Umgebung und leiten sie über den Sehnerv an das Sehzentrum weiter, wo die Informationen verarbeitet und zusammengesetzt werden. Das Gesehene ist somit immer nur subjektiver Natur, da jeder Mensch nach seinen körperlichen Gegebenheiten und seinen Erfahrungen die Welt anders wahrnimmt [11].

2.2.2 Auditiv

Auch das Gehör trägt dazu bei, dass der Mensch sich besser in seiner Umgebung orientieren kann. Das Ohr kann Schallwellen von 20 bis 20.000 Herz wahrnehmen und den genauen Standpunkt der Geräuschquelle herausfinden. So kann ein dreidimensionales akustisches Raumgefühl erzeugt werden [7].

2.2.3 Haptisch

Mit den Händen und über den ganzen Körper ertastet der Mensch das ihn Umgebende. Zum einen fühlt er Druck, Temperatur und Schmerz über die Haut, die so genannte taktile Wahrnehmung, und zum anderen besitzt der Körper die Eigenwahrnehmung über Muskelanspannungen und die allgemeine Haltung, die kinästhetische/propriozeptive Wahrnehmung [3].

2.2.4 Vestibulär

Unser Gleichgewichtssinn wird durch das vestibuläre System gesteuert, das sich im Innenohr befindet. Damit können wir unsere Lage im Raum selbst mit geschlossenen Augen bestimmen [9].

¹ Cave Automatic Virtual Environment
² Airborne Ultrasound Tactile Display

2.3 Techniken

2.3.1 Optisch

In diesem Gebiet wurden bis jetzt die meisten Geräte entwickelt. Sie sprechen die visuelle Wahrnehmung an, die wie gesagt den Großteil der menschlichen Wahrnehmungen einnimmt. Zu den optischen Geräten gehört zum Beispiel das Head – Mounted – Display, das aber auch zum Teil akustische und haptische Interfaces¹ beinhaltet:

Zwei Displays zeigen etwas unterschiedliche Bilder der generierten Welt und ermöglichen so räumliches Sehen. Das Head – Tracking – System ist für die Bestimmung der Kopfbewegung zuständig, welche zu der haptischen Wahrnehmung gehört. Kopfhörer spielen den Ton der virtuellen Welt und unterstützen somit die akustische Wahrnehmung [2].

2.3.2 Akustisch

Einen dreidimensionalen Ton zu erzeugen ist mit mehreren Lautsprechern möglich. Doch meist ist dies nur an einem bestimmten Punkt im Raum wahrnehmbar. Ein Beispiel dafür bietet das Dolby Surround System.

2.3.3 Haptisch

Geräte in dieser Kategorie sind nur bedingt funktionstüchtig oder bieten dem Anwender nur wenig Bewegungsfreiheit. Der Datenhandschuh gehört zu diesen Geräten, doch seit der Nintendo Wii² und anderen Move-Kontrollern³ ist er unbrauchbar geworden.

2.3.4 Sonstiges

Die Sinneswahrnehmung des Menschen hört an dieser Stelle natürlich nicht auf. Geruch, Geschmack und Luftfeuchtigkeit sind noch weitere Bereiche in denen Geräte entwickelt wurden.

2.4 Ziele

Die Einsatzgebiete dieser Techniken sind weitreichend. Die Ziele sind: für die Industrie im Allgemeinen ein kostengünstiger und qualitativ hochwertiger Produktionsverlauf [4], in der Medizin die Gefahrminderung und Verbesserung der Genauigkeit in lebenswichtigen Operationen [5] und zuletzt will der Benutzer privat Zuhause auch unterhalten werden.

¹ engl. Schnittstelle, in der VR-Hardware zur Mensch Maschine Kommunikation
² Spielkonsole, die durch Bewegung lenkbar ist
³ mit Bewegungssensoren versehene Steuerungen

3	PROJEKT
3.1 Einleitung

Wir kennen vielleicht alle den kleinen, handgroßen Rahmen, in dem tausende von Nägeln senkrecht auf der dazwischen liegenden, gelöcherten Fläche angebracht sind. Die Nägel sind in den Löchern zu beiden Seiten beweglich und die dicken, abgerundeten Enden der Nägel verhindern ein Durchrutschen. Drück man nun seine Hand darauf so entsteht eine Art Abdruck. Die nach außen gedrückten Nägel bilden unsere Hand exakt nach und sind bedingt abtastbar.
Das ist die schon beschriebene Grundidee. Und nun geht es an die Möglichkeiten der Umsetzung.

3.2 Technik

Eine ganze Wand von oben bis unten und von links nach rechts ist mit dünnen, langen Stäben versehen. Von der anderen, nicht sichtbaren Seite steuert ein Computer durch ein komplexes System von feinen Ärmchen diese an und drückt sie somit aus der Wand heraus oder zieht sie wieder zurück. Das Material, aus dem diese Stäbe bestehen sollten, darf nicht zu biegsam sein und eventuell das farbige Licht von den Projektoren reflektieren.
Ein solches System für mindestens Tausend wenn nicht Millionen von kleinen Stäben ist wahrscheinlich zu komplex. Es könnte vielleicht Abhilfe schaffen, Bereiche ähnlich wie mit einen übergroßen Finger heraus zu drücken. Zusätzlich muss der Computer Berechnungen anstellen, die um realistisch und fein zu sein enorme Rechenleistung verbrauchen. Doch wird ein kleiner Prototyp auf Größe einer Hand sicherlich machbar sein.

3.3 Inhalte

Auf dieser Fläche lassen sich jede Art von dreidimensionalen Modellen darstellen und das auch in leichter Bewegung. Die Darstellung darf nur keine Lücken in der Höhe aufweisen, denn diese können nicht angezeigt werden. Hier liegt ein Problem dieser Vorstellung. Es wird sich niemals um eine 360 Grad Darstellung handeln, sondern nur 180 Grad umfassen. Im Grunde genommen bedeutet es, dass die Modelle nur zur Hälfte oder abgeschnitten dargestellt werden. Eine Betrachtung von allen Seiten würde wohl die Umlagerung dieses Systems auf den Boden oder an die Decke ermöglichen.

3.4 Anwendungen

Vorstellbar wäre diese Entwicklungsumgebung für die Industrie. Ein Automodell wäre sehr gut darstellbar und auch andere industrielle Produkte in vereinfachter Form. Autoentwickler können hier das Design des neuen Modells vor der Herstellung prüfen [vgl. 10]. 3D-Karten können für Luftfahrt und Militär vom Vorteil sein. Museen und Ausstellung könnten Vergangenes oder in Zukunft geplantes abbilden. Architekten könnten ihre Bauvorhaben damit unterstützend vorstellen. Extra dafür präparierte Filme und Fotos könnten fassbar werden. Natürlich würde auch die Spielindustrie nicht lange auf sich warten lassen.
Die verformbare Wand als Interface¹ zu benutzen ist eventuell sehr ansprechenden für den Benutzer. Denke man nur daran, dass man mit einem Handdruck den Computer Informationen über den Ort im Gesamten und die Tiefe oder stärke des Drucks geben kann. Man könnte ein Modell nach seiner Vorstellung mit den Händen formen ähnlich wie Knetmasse. Eine völlig neue Form der 3D Modellierung wäre möglich. Der Abdruck eines Gesichts kann die Person exakt nachbilden. Das ist natürlich heute auch durch andere Technik machbar, aber es wäre eine mögliche Anwendung im Bereich Film und besonders für den Animationsfilm.

4 	ZUSAMMENFASSUNG
Stellen wir uns einen ganzen Raum umgeben von dieser Technik vor, so kommen wir dem Holodeck schon sehr nahe. Wir könnten diesen Raum nach unseren Vorstellungen einrichten und nutzen. Es wäre eine Technik, die das bisherige übersteigt und es um das haptische erweitert, doch ist es immer noch nicht das gewünschte Endprodukt. Dieses System stößt an seine Grenzen und würde bei der Abbildung einer vollkommenen Kugel zum Beispiel scheitern.
Gebe es ein Material oder Teilchen, das wir steuern und dessen Verformung lenken könnten, oder sie in einer Schwebe halten könnten, die jedem Druck standhält, so stoßen wir an die Grenzen des Möglichen.

Am Ende ist die uns umgebende Wirklichkeit doch die einzigartigste, mit allen Sinnen erfahrbare Welt, die wir besitzen, und kann durch keine Abbildung ersetzt werden.

5	ANHANG
5.1 Literaturverzweichnis

[1] [Digital.World 10] Digital.World. Online-Quelle.
<http://www.digital-world.de/artikel/_News/1256048/kinos_ruesten_fuer_3d_filme_auf/1>, 2010.02.22.

[2] [eMargin 10] 3DVISOR.com. Pdf-Online-Quelle.
<http://www.3dvisor.com/downloads/UserGuide10.7.pdf>, 2010.02.22.

[3] [Ergotherapie Gaby Hoffmann 10] Ergotherapie Gaby Hoffmann. Online-Quelle.
<http://www.ergotherapie-g-hoffmann.de/lex/kinaesthetisches_system.htm>, 2010.02.17.

[4] [heise online 10] heise online. Online-Quelle.
<http://www.heise.de/newsticker/meldung/Volkswagen-setzt-auf-3D-Technik-bei-der-Fahrzeugentwicklung-106877.html>, 2010.02.22.

[5] [Linus S. Geisler 10] Prof. Dr. med. Linus Geisler Private Homepage. Online-Quelle.
<http://www.linus-geisler.de/artikel/9503universitas_vr.html>, 2010.02.17.

[6] [Memory Alpha 10] Memory Alpha Das Star Trek Wiki. Online-Quelle.
<http://memory-alpha.org/de/wiki/Holodeck>, 2010.02.17.

[7] [Psychology48.com 10] Psychology48.com Das Psychologie Lexikon. Online-Quelle.
<http://www.psychology48.com/deu/d/auditive-wahrnehmung/auditive-wahrnehmung.htm>, 2010.02.21.

[8] [Shinodalab 10] Shinodalab The Univ. of Tokyo. Online-Quelle. <http://www.alab.t.u-tokyo.ac.jp/~siggraph/09/TouchableHolography/SIGGRAPH09TouchableHolography.pdf>, 2010.02.17.

[9] [www.studentenlabor.de 10] www.studentenlabor.de. Online-Quelle.
<http://www.studentenlabor.de/seminar1/Gleichgewichtssinn.htm#Textmarke\%204>, 2010.02.17.

[10] [TecCHANNEL 10] TecCHANNEL IT EXPERTS INSIDE. Online-Quelle.
<http://www.tecchannel.de/test_technik/news/1747275/prototypen_flitzen_ueber_die_leinwand/index3.html>, 2010.02.22.

[11] [Universität Heidelberg 10] Universität Heidelberg Psychologisches Institut. Online-Quelle.
<http://www.psychologie.uni-heidelberg.de/ae/allg/lehre/wct/w/w3_visuelles_system/index.htm>, 2010.02.17.

[12] [Wikipedia 10] Wikipedia. Die freie Online-Enzyklopädie. Online-Quelle.
<http://de.wikipedia.org/wiki/Cave_Automatic_Virtual_Environment>, 2010.02.23.