Sehen, was noch gar nicht existiert

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• In der Planungsphase von Gebäuden dienen Virtual Reality und Augmented Reality aufgrund hoher Kosten derzeit eher der Kontrolle, um die Planungssicherheit zu erhöhen.
• In der Entwurfs- und Konstruktionsphase können sie Entscheidungen beschleunigen. Alternativen lassen sich schneller entwickeln und auf verlässlicherer Basis bewerten. Konstruktionen können optimiert, die Ausführung, Montage und Wartung im Vorfeld auf mögliche Probleme überprüft ­werden.
• Die Augmented Reality ermöglicht durch die Einblendung zusätzlicher digitaler Informationen in der Haustechnik beispielsweise die Vorab-Visua­lisierung der Leitungsführung in einem Rohbau, den Vergleich von Plan- und Ist-Zustand auf der Baustelle oder die Visualisierung von TGA-Produkten in einem realen Umfeld.

Nicht zuletzt die Vorteile des Building Information Modeling (BIM), der Projektplanung am zentralen, gewerkübergreifenden Gebäude-Datenmodell (BIM – Wege aus der Sackgasse, TGA 08-2012, Webcode 369732), sorgen dafür, dass in den Büros zunehmend dreidimensional am PC geplant wird. Neben Mengen, Kosten und Plänen können aus dem 3D-Gebäudemodell auch Bilder und Filmsequenzen generiert oder dreidimensionale Modelle „gedruckt“ werden.

3D-Geometriedaten lassen sich aber auch für die interaktive Projektpräsentation innerhalb virtueller Räume oder der realen Um­gebung nutzen. Das vermittelt die Planung ­anschaulich, hilft Missverständnisse zu ver­meiden und Entscheidungsprozesse zu verkürzen. Durch den frühzeitigen Einsatz virtueller Modelle lässt sich die Abstimmung, Bewertung und Konkretisierung der Planungsergebnisse mit allen Beteiligten beschleunigen. Entwurfsalternativen lassen sich schneller entwickeln und auf verlässlicherer Basis bewerten, Konstruktionen können optimiert, die Ausführung, Montage und Wartung im ­Vorfeld auf mögliche Probleme untersucht ­werden Abb. 1. Nicht zuletzt hinterlassen virtuelle Präsentationen bei Bauherren, Auftraggebern oder Investoren einen bleibenden Eindruck, was für das planende Unternehmen Image ­fördernd sein kann.

Alles virtuell: VE, VR und AR

Basis der „Virtual Engineering“ (VE) genannten Arbeitsweise, bei der digitale 3D-Modelle und virtuelle Umgebungen bei der Entwicklung von Produkten eingesetzt werden, ist ein konsistentes Datenmodell, das innerhalb virtueller Realitäten (Virtual Reality, VR) visualisiert wird. Darunter versteht man eine computergenerierte, in erster Linie visuell wahrnehmbare künstliche Umgebung, in die der Benutzer eintauchen und mit ihr interagieren kann.

Sogenannte immersive Visualisierungsverfahren machen es möglich, dass eine virtuelle Umwelt als scheinbare Realität wahrgenommen wird. Dabei wird entsprechend der vom Betrachter eingenommenen Blickrichtung das Gesehene vom System in Echtzeit kontinuierlich in der passenden Perspektive berechnet und angezeigt. Eine zusätzliche Möglichkeit zur Interaktion mit der künstlichen Umgebung erzeugt beim Betrachter den Eindruck, mitten im Geschehen zu stehen und Teil einer virtuellen Welt zu sein. Ein „Tracking-System“ registriert, wohin der Betrachter schaut und wohin er sich mit welcher Geschwindigkeit bewegt. Es erfasst auch Bewegungen eines Steuerungsgeräts (3D-Maus, Flying Joystick etc.), welches dem Benutzer die interaktive Bewegung im virtuellen Raum ermöglicht.

Alle vom Tracking-System erfassten Daten werden von der Bildberechnungssoftware berücksichtigt und die dazu passenden stereoskopischen Bilder in Echtzeit berechnet. Deshalb kann der Betrachter beliebig umherwandern, ohne dass der dreidimensionale Wahrnehmungseindruck verlorengeht. Dieser Effekt stellt sich allerdings nur mithilfe einer 3D-Brille und entsprechenden Projektionsverfahren ein Abb. 2. Datenprojektoren (Beamer) werfen die Bilder auf eine mehrere Meter große Projektionswand oder innerhalb eines durch mehrere Wände (drei bis sechs Seitenwände, teilweise auch mit Boden und Decke) gebildeten Raumes. Dieser Raum zur Projektion einer dreidimensionalen Illusionswelt wird als „CAVE“ (Cave Automatic Virtual Environment; Höhle mit automatisierter, virtueller Umwelt) bezeichnet Abb. 3.

Nachteil dieser Technik sind die als störende Kanten und Ecken wahrgenommenen Übergänge zwischen den flachen Projektionswänden. Außerdem setzt die Rückprojektion relativ viel Arbeitsraum hinter den Wänden voraus. Das führte zur Entwicklung zylindrischer Projektionssysteme, die eine sehr realistisch wirkende, kantenfreie 180°- bis 360°-Projektion ermöglichen. Die dabei eingesetzte Frontprojektion zeichnet sich sowohl durch bessere Bildqualität (Kontrast, Sättigung) als auch durch eine bessere Raumausnutzung aus. Ferner können auch größere Besuchergruppen gemeinsam virtuelle Welten erleben Abb. 4. Selten eingesetzt werden Datenhelme (Head-Mounted Display), die zwar eine perfekte VR-Illusion ermöglichen, den „VR-Cybernauten“ jedoch von der realen Außenwelt isolieren.

Ein weiteres Simulationsverfahren, die Augmented Reality („erweiterte Realität“, AR), erobert immer mehr Anwendungsbereiche und unterstützt zunehmend auch die Bauplanung. Bei der AR wird die Realitätswahrnehmung durch die Einblendung zusätzlicher, computergenerierter Informationen erweitert, um dadurch Reales effizienter erfassen, respektive mit Geplantem oder nicht mehr Existentem überlagern zu können. Das können in ein ­Realbild, ein Foto oder Video eingeblendete, am Rechner kontextbezogen generierte Grafik- oder Textinformationen, geplante Bauvorhaben oder längst zerstörte oder abgerissene Bau­werke sein.

Eingesetzt wird AR in der Haustechnik beispielsweise für die Darstellung der Leitungsführung in einem Rohbau, der Überprüfung von Plan- und Ist-Zustand auf der Baustelle oder im B2C-Bereich für die Visualisierung von Produkten in einem realen Umfeld Abb. 5. Beflügelt wird diese Technik aktuell durch den anhaltenden Erfolg von Smartphones und Tablet-PCs (Surfen, mailen und Gebäude steuern, TGA 11-2012, Webcode 382687) Abb. 7 Abb. 8. Diese tragbaren Computer sind, mit den entsprechenden Sensoren und Empfängern ausgestattet und mobil mit dem Internet verbunden, geradezu ideale mobile AR-Endgeräte. Die nächste Gerätegeneration wartet aber schon in den Startlöchern: Halbtransparente Brillen-Displays – welche die Wahrnehmung der Umwelt und zugleich die Einblendung virtueller Bilder ermöglichen – haben den Vorteil, dass man beide Hände frei hat.

Möglichkeiten und Grenzen

Parallel zu den VR-Technologien hat sich in ­diesen Bereichen insbesondere im Flugzeug-, Automobil-, Fabrik- und Anlagenbau das Berufsbild des „Virtual Reality Ingenieurs“ etabliert. In diesen Branchen entscheidet die ­Entwurfs- und Planungsphase aufgrund der ­Serienproduktion über sehr große Investitionssummen. Neben Fragen zur Geometrie, Funktion und Ergonomie können auch tech­nische und ästhetische Aspekte überprüft ­werden.

Auch wenn man Ingenieuren ein besonders gutes räumliches Vorstellungsvermögen nachsagt – die gebaute Realität hat schon so manchen, auch erfahrenen Planer überrascht. VR kann unbefriedigende Raum-, Bauteil- oder Gebäudeabmessungen ebenso aufdecken, wie eine funktional ungeschickte Form oder im Hinblick auf die Wartung und Instandhaltung problematische Bereiche. Alle Objekte sind zum Greifen nah und können – bei entsprechender Programmierung – auch in ihrer Funktion überprüft werden (z.B. das Öffnen und Schließen, Heben und Senken von Bauteilen etc.). Montage-, Produktions- und Wartungsschritte, Funktionsabfolgen, Licht- oder Platzverhältnisse können ebenso unmittelbar am VR-Modell ausprobiert und optimiert werden. Die Wahrnehmung virtueller Objekte ist so realistisch und intensiv, dass beispielsweise Stolperfallen, Platzprobleme oder zu geringe Kopfhöhen körperlich „spürbar“ werden.

Werden alle Planungsebenen (Architektur, Tragwerk, Haustechnik) gemeinsam betrachtet, lassen sich Bauteilkollisionen aufdecken. Die Problempunkte werden markiert, als Standbild „fotografiert“, mit einem Text- oder Sprachkommentar versehen und allen Planungsbeteiligten weitergeleitet. Wird fachübergreifend im Team gemeinsam am virtuellen Modell gefeilt, kommt man schneller zur optimalen Lösung. Das kann Planungsprozesse beschleunigen und die gewerkübergreifende Zusammenarbeit vereinfachen.

Allerdings vereiteln Schnittstellenprobleme und damit einhergehende Informationsverluste noch einen durchgängigen Datenfluss: VR-Systeme verarbeiten keine BIM-, sondern lediglich „nackte“ 3D-Geometriedaten. Änderungen/Ergänzungen am VR-Modell können umgekehrt nicht direkt von der Planungssoftware übernommen werden. Ebenso lassen sich Farben, Lichtsituationen oder komplexe Lichtreflexionen nicht hundertprozentig realitätsgetreu wiedergeben. Stimmen ferner Aktivitäten und Sinneseindrücke in der Simulation nicht überein – etwa wenn die projizierten Bilder der Kopfbewegung des Betrachters hinterherlaufen – kann dies beim Betrachter Schwindel und Übelkeit hervorrufen. Schlechte Bildqualitäten, niedrige Bildwiederholfrequenzen (unter 60 Bilder/Sekunde) etc. können das Auge ermüden und Kopfschmerzen verursachen.

Grenzen bei aktuellen AR-Lösungen setzen derzeit beispielsweise die Genauigkeit der GPS-Positionsbestimmung oder niedrige Datenübertragungsraten von Mobilfunknetzen. Ein weiteres Problem ist die fehlende Tiefeninformation des von der Smartphone-/Tablet-Kamera aufgenommenen Realbildes. Das führt zu Fehldarstellungen – etwa wenn vor dem virtuellen Objekt liegende Bildelemente fälschlicherweise verdeckt werden. Deshalb eignet sich Augmented Reality vor allem für die Einblendung textlicher und grafischer Zusatzinformationen oder für die 3D-Objektpräsentation vor einem freien Hintergrund Abb. 9.

VR als Dienstleistung

Angesichts hoher Investitionskosten von mehreren 100000 Euro wird kaum ein Ingenieurbüro in einen eigenen VR-Showroom investieren. Als Dienstleistung kann VR dagegen interessant sein. So kann man ein VR-Präsentationsstudio schon ab rund 1000 Euro ganztägig mieten, inklusive 1 bis 2 Stunden Präsentation und Techniksupport. Insbesondere bei Aufträgen mit großem Budget und anspruchsvollen Auftraggebern oder bei Projekten von großem öffentlichem Interesse kann der VR-Einsatz sinnvoll sein.

Die Kosten für eine VR-Präsentation hängen im Wesentlichen von der Objektgröße und -komplexität, von eventuell gewünschten Interaktionen, der Qualität der Importdaten und – damit zusammenhängend – dem Programmier-/Aufbereitungsaufwand sowie der Präsentationsdauer ab. Ein Großteil der Kosten fällt auf die Aufbereitung der 3D-Szene (40 bis 60 %) ab, ein weiterer für die Programmierung (ca. 20 %) und die eigentliche Präsentation (ca. 20 %). VR-Präsentationen im Baubereich bewegen sich üblicherweise in einem Kostenrahmen zwischen 1000 (Ein-/Mehrfamilienhaus etc.) bis 10000 Euro (größeres Gewerbeobjekt etc.).

Da die VR-Software im Normalfall nicht für die 3D-Modellierung eingesetzt wird, ist die Import-Schnittstelle besonders wichtig. Importiert werden können Standard- oder programmspezifische 3D-Datenformate (3D DXF, DWG, VRML, Catia, Solidworks, Unigraphics, 3D-ACAD, Allplan, ArchiCAD, 3D Studio, Cinema 4D, Maya und andere). Allerdings kann es bei komplexen Geometrien zu Darstellungsfehlern kommen. Teilweise ist auch eine komplette Neumodellierung sinnvoller als eine Datenaufbereitung, die bei umfangreichen Objekten mehrere Tage in Anspruch nehmen kann.

Fazit: Planung findet im Kopf statt!

Virtuelle Techniken dienen nicht nur der Präsentation gegenüber dem Bauherren/Kunden – sie können Planer auch in der Entwurfs-, Planungs- und Konstruktionsphase unterstützen. Die eigentliche Planungsarbeit findet in der Regel aber vorher statt: im Kopf, auf dem Skizzenpapier oder am dreidimensionalen CAD-Modell. VR dient dann meist nur noch der Überprüfung, Kontrolle und Optimierung plane­rischer Ergebnisse. Ein echtes, interaktives Arbeiten am VR-Modell ist eher die Ausnahme – auch wegen des technischen, zeitlichen und ­finanziellen Aufwands. Dennoch werden VR- und AR-Lösungen immer ­interessanter – nicht nur wegen des aktuellen 3D-Booms. Virtuelle Präsentationen steigern die Planungssicherheit und schaffen einen technologischen Vorsprung gegenüber Mitbewerbern.

Marian Behaneck, Dr. Sergej Alexandrow

Literatur / Quellen (Auswahl)

[1] Beuchert, P.: Augmented Reality in der Architektur. Karlsruhe: Diplomarbeit am KIT, Fakultät für Architektur, 2010

[2] Kaltenbach, F.: Virtuelle Realität – Macht das Sinn für die Architektur?. München: Institut für internationale Architektur-Dokumentation, veröffentlicht in Detail 12-2007

[3] Whyte, J.: Virtual Reality and the Built Environment. Oxford: Architectural Press, 2002

Weitere Infos / Anbieter (Auswahl)

https://www.3dims.de/ 3D-Visualisierungstechnik

http://www.act-uk.co.uk VR-Zentrum für Bausimulation

http://www.artefacto.fr AR-Anwendungen

http://www.bauherrenkino.de Virtuelle Bemusterung

http://www.formitas.de AR-Anwendungen im Bauwesen

http://www.iao.fraunhofer.de Fraunhofer IAO (VR-Forschung)

http://www.icido.de VR-Technik und Dienstleistungen

http://www.iff.fraunhofer.de Fraunhofer IFF (VR-Forschung)

http://www.imagination.at 3D-Visualisierungstechnik

http://www.imsys-vr.com VR-Hard- und Software

http://www.incloud.de AR-Webanwendungen

http://www.inreal-tech.com VR-Simulationsterminal

https://www.layar.com/ AR-Produkte und Lösungen

http://www.metaio.com AR-Produkte und Lösungen

https://www.more3d.com/ 3D-Visualisierungstechnik

http://www.vdc-fellbach.de Virtual Engineering-Netzwerk

http://www.vdtc.de VR-Forschung und Anwendung

http://www.virtual-reality-magazin.de VR-Magazin

http://www.vr-solutions.de VR-Technik und Dienstleistungen

http://www.vr-center.at Terminal V (VR-Dienstleistung)

http://www.vrca.rwth-aachen.de Virtual Reality Center Aachen

https://www.vrvis.at/ Zentrum für VR und Visualisierung

https://www.wikipedia.de/ Basisinfos „Virtuelle Realität“ etc.

http://www.youtube.de Basisinfos „Virtuelle Realität“ etc.

Dank immer besserer Hardware kann man, mit gewissen Einschränkungen hinsichtlich des Immersionsgrades, auch am Büro-Arbeitsplatz in virtuelle Realitäten eintauchen. Nahezu jedes gute 3D-CAD-Programm bietet heute die Möglichkeit, ein Gebäudemodell interaktiv virtuell zu „begehen“. Im Gegensatz zu VR-Systemen werden die zum virtuellen Spaziergang passenden Bilder jedoch nicht in Echtzeit, sondern im Voraus berechnet, was Interaktionsmöglichkeiten einschränkt. Werden 3D-Bilder nicht per Beamer auf raumfüllende Projektionsflächen geworfen, sondern am großformatigen, 3D-fähigen PC-Flachbildschirm angezeigt, spricht man von „Desktop-VR“ Abb. 6. Damit erreicht man einen mittleren Immersionsgrad bei deutlich geringeren Kosten (ab 10000 Euro). Grundsätzlich basieren 3D-Monitore oder -Projektoren darauf, dass zwei Bilder – eines für das rechte und das linke Auge – leicht versetzt übereinander projiziert werden. Bei der aktiven Projektionstechnik wird am Monitor abwechselnd ein Bild für das linke und das rechte Auge angezeigt. Aufgrund der hohen Frequenz des Bildwechsels verschmelzen die beiden Bilder zu einem und der Betrachter hat das Gefühl, räumlich zu sehen. Nachteilig ist die durch den schnellen Bildwechsel bedingte Ermüdung der Augen. Bei der Passiv-Technik kommen zwei Datenprojektoren zum Einsatz, die zeitgleich ein linkes und rechtes, leicht versetztes Bild projizieren. Vorteil: keine Augenermüdung, Nachteil: Bildhelligkeitsverlust durch notwendige Polarisationsfilter. Bei beiden Techniken stellt sich die räumliche Tiefenwirkung nur mithilfe einer technisch mehr oder weniger aufwendigen 3D-Brille ein. Sie sorgt dafür, dass jeweils das richtige Auge zum richtigen Zeitpunkt das richtige Bild wahrnimmt und sich so ein räumlicher Effekt einstellen kann. Nachteil der meisten 3D-Präsentationstechniken: der Betrachter muss möglichst mittig zur Projektionsfläche stehen und seine Position beibehalten, damit der 3D-Effekt nicht verloren geht.