Visualisierungslabor des SCC liefert gestochen scharfe dreidimensionale Simulationen

Bei diesem Anblick schlagen die Herzen von Film- und Fußballfans garantiert höher: Stolze 6,70 Meter breit und stattliche 2,30 Meter hoch ist der überdimensionale Bildschirm im Visualisierungslabor des Steinbuch Centre for Computing (SCC) auf dem Campus-Nord des KIT. Und trotz der gewaltigen Dimensionen sind die Bilder gestochen scharf, denn bei einer Auflösung von 6224 mal 2160 Bildpunkten ist jeder Pixel kaum größer als ein Quadratmillimeter und nur wer seine Nase fast auf den Bildschirm drückt, kann die leicht kantigen Ränder der einzelnen Bildpunkte erkennen.

Verantwortlich für die gute Bildqualität ist in diesem Fall vor allem die hochwertige Technik hinter der Visualisierungswand. Mit zwei Projektoren werden die einzelnen Bilder nämlich auch in 3D und Aktiv-Stereo über zwei oberflächenbeschichtete Spiegel auf die Rückseite des Bildschirms geworfen. „Ein Projektor hätte für eine Wand in dieser Größe schlichtweg nicht gereicht“, sagen die Laborleiter David Seldner und Rolf Mayer von der SCC-Abteilung Scientific Computing and Simulation (SCS). Außerdem hat die Projektion der Bilder auf die Bildschirmrückseite einen weiteren Vorteil. „Wenn jemand direkt vor der Wand steht, wirft er keinen Schatten“, sagt David Seldner. Und dass sich Wissenschaftler vor der Visualisierungswand aufhalten und die dreidimensionalen Bilder erläutern, ist in diesem Fall auch im Sinne der Erfinder.

Das Visualisierungslabor mit dem markanten Großbildschirm wurde schließlich nicht für Kinoabende oder das Public Viewing bei internationalen Fußballturnieren eingerichtet, sondern zur besseren und verständlicheren Präsentation von komplexen Forschungsergebnissen. „Bilder sagen auch in der Wissenschaft oft mehr als tausend Worte“, sagt David Seldner, und gerade bei Strömungsmodellen oder Klimasimulationen könnten detaillierte Berechnungen durch die dreidimensionale Visualisierung besser dargestellt und diskutiert werden.

Supercomputer sorgt für schnelle Bildberechnungen

Rund 650 000 Euro hat die aufwändige Projektionstechnik des Visualisierungslabors im neuen Institutsgebäude des SCC gekostet. Das gesamte Gebäude wurde als Standort für den Forschungshochleistungsrechner (ForHLR II) von Land und Bund mit insgesamt 26 Millionen Euro gefördert. Der Supercomputer mit einem Hauptspeicher von 95 Terabyte zählt zu den Petaflop-Systemen und schafft eine Billiarde Rechenoperationen pro Sekunde. Um diese Leistung zu erzielen, wurden über 1170 Rechnerprozessoren parallel geschaltet und dadurch ist der ForHLR II etwa 10000 Mal schneller als ein herkömmlicher Heimcomputer. Verglichen mit dem digitalen Superhirn kommen die drei Rechner des Visualisierungslabors mit jeweils 512 Megabyte Hauptspeicher fast schon bescheiden daher. „Für unsere Zwecke ist das aber komplett ausreichend“, betont Rolf Mayer, und für extrem langwierige Berechnungen kann auch der ForHLR II zugeschaltet werden.

Außerdem können im Visualisierungsraum auch andere Quellen wie das eigene Notebook in die Präsentationen mit eingebunden werden. Auf den Rechnern laufen bereits Standardprogramme wie ParaView oder Ensight, das Installieren von weiteren Softwareanwendungen ist bei Bedarf sowohl unter Windows als auch unter Linux problemlos möglich. Und für das Betrachten der 3D-Visualisierungen stehen dann hochwertige Spezialbrillen zur Verfügung.

Computertomografische Bilder zum Anfassen

Etwa drei bis vier Mal pro Woche wird das Visualisierungslabor bereits von Wissenschaftlern und Firmen für die Präsentation von Forschungsergebnissen genutzt. Eine der ersten Projektionen war dabei die Simulation der Nasennebenhöhlen eines Patienten mit Atemwegproblemen. Anhand der computertomografischen Bilder aus der Hals-Nasen-Ohren-Klinik des Städtischen Klinikums Karlsruhe wurde das Naseninnere visualisiert und auf den Bildschirm projiziert. „Dabei konnte man sehr gut erkennen, dass sich die einzelnen Partikel nicht wie eigentlich erwartet durch die Nasenhöhlen bewegen“, so Rolf Mayer. Künftig könnten sich Mediziner auf diese Weise vor einer Operation ein eindrückliches Bild von den gesundheitlichen Problemen ihrer Patienten machen.

Stadtplaner nutzen dreidimensionale Digitalmodelle

Auch für die Visualisierung von städtebaulichen Projekten bietet das Labor dank der großformatigen Darstellungsmöglichkeiten nach Einschätzung von Rolf Mayer die idealen Voraussetzungen. „Gerade im Städtebau und in der Architektur ist die Herstellung von anschaulichen Modellen sehr zeitaufwändig und teuer“, sagt Rolf Mayer. Genutzt wurde das Visualisierungslabor deshalb auch schon von bei einem EU-Meeting zur Entwicklung von energieeffizienten Krankenhäusern. Dabei wurden der Anbau einer Klinik in Arnheim, der Neubau eines Krankenhauses in Paris sowie der ganze Campus eines Großklinikums in Florenz dreidimensional in den Raum projiziert. „Die Teilnehmer waren alle schwer begeistert“, sagt Meeting-Mitorganisator Karl-Heinz Haefele vom KIT-Institut für Angewandte Informatik (IAI), und anhand der beeindruckenden Bilder konnten die einzelnen Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz überaus anschaulich dargestellt werden. Vollkommen neu seien dreidimensionale Darstellungen gerade in der Architekturbranche allerdings nicht und auch das IAI konnte bislang auf einen kleinen Bildschirm mit entsprechender 3D-Technik zurückgreifen. Verglichen mit den Dimensionen des Visualisierungslabors am SCC erschienen die herkömmlichen Systeme allerdings geradezu „mickrig“, so Karl-Heinz Haefele, „und einen Bildschirm in dieser Größe kann sich ein kleines Institut oder ein Architekturbüro auch künftig nicht leisten“.