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FernUni-News - Forschung und Entwicklung

Mittendrin statt nur davor: Neue Qualität des Sehens durch FernUni-Entwicklung

Multi-Projektor-Panoramadisplay kann automatisch kalibriert werden

„Große LCD- und Plasmabildschirme sind heute, morgen werden wir vielleicht in Echtzeit Filme, TV, Spiele, Videokonferenzen, grafische, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen auf Panoramadisplays sehen, die unserem natürlichen Sehen viel mehr entsprechen“, wagt Prof. Dr. Wolfram Schiffmann einen Blick in die nicht all’ zu ferne Zukunft: „In wenigen Jahren wird dies mit normalen Mittelklasse-Rechnern, auf denen eine leistungsfähige Software läuft, preiswert möglich sein.“ Diese Software ist in Schiffmanns Lehrgebiet Rechnerarchitektur an der FernUniversität in Hagen von dem Studenten Peter Eisenlohr für seine Diplomarbeit in der Fakultät für Mathematik und Informatik entscheidend weiterentwickelt worden.

Aus dem Weltraum auf die Erde...
... über den FernUni-Campus...
... durch den Grand Canyon: Der Monitor von Peter Eisenlohr zeigt nur einen Teil des gesamten Panoramabildes.

Ein Prototyp in Schiffmanns Labor zeigt bereits heute die Zukunft. Eine blau-weiß-grüne Kugel im schwarzen Umfeld. Wir rasen auf sie zu, immer größer wird der bunte Ball. Links wird die Krümmung der Erde im All sichtbar. Immer mehr Konturen sind zu erkennen, Flüsse, Seen, das Ruhrgebiet. Unten rechts eine Stadt am Mittelgebirgsrand. Fast senkrecht stürzen wir auf den Campus der FernUniversität in Hagen zu, werden in 1.200 Fuß Höhe abgefangen. Am Horizont erscheinen Berge, davor Straßen, Bäume, Gebäude. Wir fliegen über sie hinweg, schnell wandern sie zum Rand, verschwinden dann einfach. Google Earth mit seinen dreidimensionalen Ansichten macht den rasanten virtuellen Flug ebenso möglich wie majestätisches Gleiten zwischen den mächtigen Felsen des Grand Canyon. Wenig später rasten wir in San Francisco. Mehrere Meter weit spannt sich die Golden Gate Bridge über das Display.

Der Aufbau: Das Panoramabild auf verbundenen ebenen Flächen, die kreisförmig angeordnet sind, wird mit je einem Beamer pro Teildisplay erzeugt. Im Zentrum befindet sich die Webcam.

Meterbreit „gezoomt“

Mittendrin statt nur davor: Damit die Zuschauerinnen und Zuschauer sich so fühlen können, umgibt sie in dem Prototypensystem ein Panoramadisplay. Dafür werden vier ebene Leinwände an stumpfwinkligen Knickstellen miteinander verbunden. Von ebenfalls vier synchronisierten Rechnern gesteuerte Beamer projizieren Bilder und Videos auf die Teilflächen, die einen Halbkreis beschreiben. Auf jedem PC läuft eine Instanz von Google Earth, die einen passenden Ausschnitt aus dem Panoramabild darstellt. Das, was normalerweise winzig klein auf einem Monitor zu sehen ist wird jetzt meterbreit über die gesamte Breite „gezoomt“. Dafür müssen zum einen die Wiedergaben exakt synchronisiert sein, sich zum anderen die Randbereiche der Projektionen in den Knickstellen genau überlappen. Doch genau hier sorgt der Winkel zwischen den Displays für Verzerrungen.

Peter Eisenlohrs neuartiger Lösungsansatz kombiniert Techniken aus den Bereichen der Displaykalibrierung und des Panorama-Stitchings. Die Entwicklung ermöglicht eine Kommunikation der vier Rechner mit dem fünften, der gemeinsamen Steuerkonsole. Die Bilder – z.B. von Google Earth – können nun vollautomatisch aufbereitet werden, so dass Korrekturparameter berechenbar sind. Mit diesen kann jeder Rechner auf „seiner“ Leinwand Veränderungen so durchführen, dass die Übergänge zu den benachbarten Displays nahezu unsichtbar werden.

Oben ein Foto der Linien, die auf die Teildisplays projiziert werden. Deutlich sind die Abweichungen im Übergangsbereich zu sehen. - Der Screenshot in der Mitte zeigt die Anwendung selbst. Unten links im Bereich 'Views' werden die vier Aufnahmen mit den farblich kodierten Displays dargestellt. Unten rechts sieht man einen Teil der für die Ausmessung des Displays projizierten Kalibrierungs-Muster ("structured light patterns"). Im Hauptbereich wird das daraus berechnete Panorama-Modell des Displays gezeigt. - Der Screenshot unten zeigt die berechneten Korrekturgitter, die über die Displays gelegt werden. Mit solchen Korrekturmasken wird dann die gezeigte Deckungsgleichheit an den Nahtstellen erreicht. - Hinweis: zum Vergrößern das Bild anklicken

Häuser, Berge, Brücken störungsfrei von Fläche zu Fläche verschieben

Zur Kalibrierung wird ein Muster aus kreisförmigen Markern projiziert, die in den Knickstellen natürlich „verbogen“ werden. Dieses Kalibrierungsmuster – aufgenommen von einer Webcam im Halbkreismittelpunkt – wird von Eisenlohrs Programm analysiert. Es verändert das ursprüngliche Bild so, dass die Verzerrungsfehler ausgeglichen und gekrümmte Linien auf dem gesamten Display wieder zu Geraden werden. Automatisch. Von Hand müssen nur noch die Übergänge der vier Muster übereinander gelegt werden. Da das Panorama einen Halbkreis beschreibt, die Webcam jedoch nur einen Winkel von 45 Grad aufnimmt, muss die Kalibrierung mehrfach vorgenommen werden. Nun können dreidimensionale Häuser, Berge oder Brücken ohne störende Knickstellen über die Displayteile „geschoben“ werden.

Optischer Eindruck und Messungen beweisen die hohe Genauigkeit der automatischen Kalibrierung mit einer einfachen Webcam. Unterstützt wird die Entwicklungsarbeit von einer australischen Firma, die Software für eine dynamische Geometrieverzerrung (warping) vertreibt, mit der die projizierten Bilder so vorverzerrt werden, dass die Verzerrungen durch das gekrümmte Display wieder ausgeglichen werden: „Da diese Software noch mühsam von Hand konfiguriert werden muss, ist die Firma an der Automatisierung der Projektor-Kalibrierung brennend interessiert“, so Wolfram Schiffmann.

Neben der hohen Qualität lag das zweite Augenmerk auf den Kosten. „Es gibt heute praktisch keinen bezahlbaren Rechner, der vier Projektoren ansteuern und gleichzeitig die rechenaufwändige Geometriekorrektur sowie die Überblendung an den Rändern durchführen kann. Der Einsatz von vier vernetzten Rechnern gibt uns die vierfache Grafikleistung. Für diese Parallelverarbeitung reicht Discounter-Hardware“, erläutert Prof. Schiffmann, „was wir hier mit Google Earth machen, ist auch für jede andere Open-GL-fähige Applikation möglich“.

So ist auf dem PC auch eine hochwertige Flugsimulation installiert, die er kurz vorführt: Mit einer kleinen Propellermaschine starten wir virtuell in Dortmund zu einem Flug über das östliche Ruhrgebiet, wechseln zwischendurch in einen Düsenjet, jagen über Städte, Berge, Autobahnen und die Ruhr hinweg, lassen sie links und rechts zum Displayrand wandern und aus den Augenwinkeln verschwinden.

Von der Science (Fiction) in die Realität

„Die Preise für 4- oder 8-Core-Rechner, die mehrere Grafikkarten steuern können, werden fallen“, sagt Prof. Schiffmann voraus, „Multimedia wird immer leistungsfähiger, Panoramadisplays vielleicht ausklappbar und transportabel – und bald können wir im Wohnzimmer eine Realität simulieren, die wir uns heute kaum vorstellen.“ Der Wissenschaftler sieht aber auch ganz andere Anwendungsmöglichkeiten, etwa die Visualisierung von Computertomografie-Daten: „In einem zylindrischen Display können wir uns mit einem 3-D-Shuttle dann auf eine virtuelle Reise durch den menschlichen Körper begeben.“

Sein Student Peter Eisenlohr begann im Jahre 2001 parallel zu seiner Tätigkeit als Software-Entwickler an der FernUniversität mit seinem Informatik-Diplomstudium. Vor zwei Jahren wechselte er aus familiären Gründen von der Teilzeit- in die Vollzeitform, um möglichst schnell fertig zu werden. Prof. Schiffmann würde sich sehr freuen, wenn er Peter Eisenlohr länger in Hagen halten könnte.

Gerd Dapprich | 27.05.2009
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