CAD + SIMULATION Licht
CAD + SIMULATION Licht und Schatten werden digital Wie Audi seine Produkte im virtuellen Raum optimiert Von mehreren Rechnern wird die Simulation verschiedener Perspektiven auf das Cockpit gesteuert 3D-Visualisierung ist heute Standard in der Automotive-Welt. In Echtzeit generierte Bilder sehen auf den ersten Blick absolut real aus – obwohl von den abgebildeten Fahrzeugen noch nicht einmal Prototypen existieren. Die einfache Simulation am Monitor hat sich zu Virtual-Reality-Räumen entwickelt. Wir haben uns bei Audi umgesehen und nachgefragt, in welchen Bereichen sich die Visualisierung noch weiter ausbauen lässt und welche Prozesse auch heute noch schwierig sind. Der Autor: Tobias Meyer ist freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion „Heute ist die virtuelle Darstellung von Konzepten, Detaillösungen und Fahrzeugen in der Automobilentwicklung etabliert und wird täglich angewendet. Virtuelle Echtzeitmodelle, Darstellung und Bewertung von Projektständen, die Visualisierung von kundenspezifischen Utensilien und virtuellen VR-Checks ist Standard. Aber digitale Daten können noch viel mehr. Die neuen Methoden helfen uns, völlig neue Wege in der Entwicklung von Produkten und in der standortübergreifenden Zusammenarbeit zu gehen“, so Daniel Hauser, Projektleiter für Virtual Reality Visualisierung in der Interieurentwicklung bei Audi. Um in den Audi DesignCheck – eine der geheimsten Abteilungen der Ingolstädter – zu gelangen, muss unser Reporter sein Handy beim Pförtner lassen und mit Herrn Hauser mehrere Sicherheitsschleusen passieren. Denn prinzipiell lassen sich dort sämtliche Fahrzeuge visualisieren, die noch tief in der Entwicklung stecken, daher der hohe Sicherheitsaufwand. Der weiße Raum scheint im Stand-by eher unspektakulär, erst wenn das Licht gedimmt und die sechs Meter breite Monitorwand zum Leben erweckt ist, kann erahnt werden, was hier inzwischen möglich ist. Hardware für Hochleistung Wie weit man hier dem Home- Entertainment voraus ist, spiegelt sich allein in der Tatsache wider, dass Audi hier bereits seit 2006 mit 4K-Auflösung arbeitet. Bis zu fünf High-End- Rechner sind dabei für die 3D-Renderings in Echtzeit zuständig: „Wir bekommen neue Grafikkarten noch vor allen anderen, direkt von den Herstellern. Zwölf Gigabyte Grafikkartenspeicher sind hier schon länger Standard“, sagt Hauser. Sind die Daten aufbereitet, wird daraus eine virtuelle Echtzeitszene visualisiert, was noch einmal vier Rechner benötigt, jeder zuständig für ein Viertel des Beamer-Bildes. Die Übergänge zwischen den Vierteln sind während unserer zweistündigen VR-Session nur ein Mal kurz zu erkennen. Der hochmoderne Beamer benötigt eine eigene Klimatisierung, er ist in etwa 10-fach so lichtstark wie ein aktueller Top-Beamer der Heimkino-Klasse. Dazu kommt eine spezielle Glaswand, auf die das Bild von hinten projiziert wird. Der Vorteil der Rückprojektionstechnik: Sie ist unabhängig von Personen im Lichtkegel und besser geeignet für sich ändernde Lichtstimmung im Raum. Würde der Beamer wie gewohnt vor der Leinwand stehen, würde die Deckenbeleuchtung das Bild beeinträchtigen. Einsparpotenzial durch virtuelle Welten Steht das neue Modell im virtuellen New York bei Nacht oder in der Mittagssonne von Dubai? Kommt die Sonne von vorne oder von der Seite? Die verschiedenen Deckenleuchten und Spots im Raum können adaptiv darauf eingestellt werden. Der Raum wurde zudem mit spe- 46 AutomobilKonstruktion 3/2015
ziellen 360°-Kameras vermessen, wodurch die Reflexionen auf dem virtuellen Fahrzeuglack exakt nach der im realen Raum vorherrschenden Lichtsituation eingestellt werden kann. So entsteht ein noch realistischeres Bild. Die Grenzen zwischen realem Prototyp und virtuellem VR-Modell werden dabei (fast) aufgelöst. Das alles mutet auf den ersten Blick an wie unnötige Spielerei. Doch richtig eingesetzt, bergen solche VR-Studios enormes Einsparpotenzial, da Prototypen erst nötig werden, wenn schon vieles entschieden ist. Ab wann wirken hinterleuchtete Bedienelemente nicht mehr praktisch-elegant sondern überladen wie ein Raumschiff-Cockpit? Häufig wirkt auch nicht die Lichtquelle selbst störend, sondern nur deren Reflexion. Auch das zeigt Audis VR auf. In diesem Fall könne man dann auch einfach das reflektierende Teil etwas neigen oder matter gestalten, statt die Lichtquelle zu verbannen. „Der Vorstand kann dann hier im Raum direkt eine Entscheidung treffen. Im Zweifel rendern wir über Nacht einige unterschiedliche Varianten hochauflösend und laden sie auf spezielle iPads“, so Hauser. Weltweite Lichtsituationen reproduzieren Auch wenn bereits die ersten Erlkönige auf den Straßen unterwegs sind, ist die Arbeit in der VR-Abteilung nicht vorbei. Sollte beispielsweise ein Testfahrer in Skandinavien feststellen , dass „irgendwo eine Spiegelung blendet“, setzen sich Hauser und sein Team in den VR-Raum und stellen die Lichtsituation zu der Zeit des Tests virtuell nach. Das funktioniere für jeden Ort der Welt, egal zu welcher Zeit. Ist das Lichtsetting um das entsprechende virtuelle Fahrzeug eingerichtet, beginnt die Suche nach dem Verursacher der Spiegelung, nach Möglichkeit wird gleich auch korrigiert. Zudem wird in der 3D-Visualisierung auch überprüft, ob ein Schalter eventuell vom Lenkrad verdeckt wird oder die Linienführung des Armaturenbretts unsauber wirkt. Dafür werden spezielle Augpunktansichten des Fahrers sowie 48 standardisierte Kamerawinkel simuliert, die es auch erlauben, auf unterschiedliche Trends zu reagieren. In den USA möchten beispielsweise Frauen ihre Premiumfahrzeuge gerne mit flachen Schuhen fahren, am Ziel aber in High Heels aussteigen. Daher gibt es nun ein Staufach unter dem Sitz für das zweite Paar Schuhe. Ob dort genug Platz ist und wie das funktioniert, ertüftelt der CAD-Konstrukteur problemlos auch ohne VR, aber wie gut ist es einsehbar, wenn ich auf dem Fahrersitz sitze? Und was passt sonst noch da rein? Hier kommt der virtuelle Warenkorb zum Einsatz. Er umfasst all das, was der Fahrer gerne mit in sein Auto bringen würde und wofür er sich dort eventuell einen Platz wünschen könnte: Passen die neuesten Tablets und Smartphones in Fächer und Ablagen? Finden Golftasche oder Businessgepäck bequem Platz im Kofferraum? Für diese Schritte waren früher Prototypen und Testläufe nötig, heute stimmen die Designer sämtliche Details – von der Farbe der Sitzbezugnaht bis zum Grad der Mattierung der Radiosteuerung – im Vorfeld ab. So sind neben den klassischen Modell- und Ausstattungsvarianten auch länderspezifische Abweichungen einfach zu prüfen, etwa ob die die chinesische 0,6-Liter-Wasserflasche in Vierkantform mit dem Getränkehalter kompatibel ist. Zudem kann die virtuelle Welt global aufgerufen werden, auch gleichzeitig: So stimmen sich Fahrzeugentwickler in virtuellen Meetings untereinander ab, während alle die gleiche 3D-Visualisierung vor sich haben. Dafür werden lediglich die Bewegungskoordinaten übertragen: Dreht ein Teilnehmer das Modell, sehen das die anderen Teilnehmer auf ihren Anlagen in Echtzeit. Daniel Hauser ist Projektleiter für Virtual Reality Visualisierung in der Interieurentwicklung bei Audi Was noch nicht geht: Menschen Gerne würden die VR-Experten auch Menschen in ihre Simulation einbauen. So könnte nicht nur überprüft werden, ob etwa die Wasserflasche in den Cupholder passt, sondern auch, wie gut sie von dort greifbar ist. Das Problem ist halb technisch, halb psychologisch bedingt: „In Zeichentrickfilmen sind animierte, sprechende Pinguine kein Problem, das Gehirn findet das so abstrakt, dass es sich einfach schnell daran gewöhnt. Je näher man aber der Realität kommt, desto eher fallen kleine Ungenauigkeiten auf und stören dann unterbewusst“, erklärt Hauser. Um eine Person perfekt zu visualisieren, müsste jedes Gelenk sowie die Elastizität der Haut berücksichtigt werden. Ein solches Modell – das wie ein VR-Wagen kaum von einem Foto zu unterscheiden ist – sei aktuell in Echtzeit noch nicht machbar, man arbeite aber daran. Die perfekte Simulation eines Wagens, ergänzt um einen nur annähernd gut visualisierten Menschen würde den Gesamteindruck stark beeinträchtigen. Daher verzichtet man bisher lieber ganz auf Menschen. Der Raum ist groß genug, um viele Meeting-Teilnehmer oder auch einen echten Wagen unterzubringen Bilder: Audi AG Ebenso will Audi langfristig weg von den Beamern, denn die matte Scheibe schluckt etwa 50% des darauf projizierten Lichts, weshalb der Beamer überhaupt erst so stark sein muss. Künftig könnte man sich hier LED-Walls vorstellen, wie man sie von Großevents und Konzerten kennt. Allerdings müssten diese viel präziser ausgearbeitet sein. Die Technik nährt sich hier langsam der nötigen Pixelgröße an: „Wir haben hier derzeit etwa 1,3 Millimeter breite Pixel, aktuell am Markt verfügbare LED-Walls schaffen im besten Fall aber nur etwa 1,6 Millimeter“, so Hauser. Wenn der Pixel-Knackpunkt aber erreicht ist, könnte man mit einer LED- Wall brillantere Farben darstellen, da die schluckende Glasscheibe damit obsolet würde. Zudem wäre der Betrieb wesentlich stromsparender und eine neue Anlage einfacher zu installieren, der Raum hinter der Glaswand samt Klimatisierung würde dann ebenfalls überflüssig. IAA: Halle 3.1, Stand B15 Audi AG Tel.: +49 841 89-762 261 daniel.hauser@audi.de 3/2015 AutomobilKonstruktion 47
