Virtual Prototyping und Simulation (VPS) ist heute fester Bestandteil des Produktentstehungsprozesses. Beim Virtual Prototyping wird ein Rechnermodell von dem in Entwicklung befindlichen Objekt gebildet und anschließend wie ein realer Prototyp analysiert. Auf diese Weise können schon in frühen Phasen der Produktentwicklung Fehler erkannt und unterschiedliche Varianten eines Produkts virtuell erstellt und untersucht werden, ohne dass ein realer Prototyp gebaut werden muss. Das reduziert Zeit und Kosten in der Produktentwicklung und erhöht die Qualität des Produkts.

Im Rahmen des Forschungsschwerpunktes Virtual Prototpying und Simulation entwickeln Fachgruppen des Heinz Nixdorf Instituts und der Universität Paderborn gemeinsam neue VPS-Methoden und Werkzeuge. Zur Unterstützung dieser Forschungsaktivitäten wurde bereits 2009 am Heinz Nixdorf Institut das HD-Visualisierungscenter eingerichtet, das in Bezug auf seine Leistungsfähigkeit und Flexibilität einzigartig ist.

Infrastruktur für die Visualisierung

Das HD-Visualisierungscenter umfasst eine hochauflösende Großprojektion mit insgesamt vier – teils schwenkbaren – Projektionsflächen auf einer Gesamtbreite von über 9 m. Die Bewegungen des Anwenders werden über ein optisches Tracking- System dreidimensional im Raum erfasst, wodurch eine einfache und intuitive Navigation durch den virtuellen Raum möglich wird.

Über eine zentrale Mediensteuerung werden fünf leistungsstarke PCs und 14 Hochleistungsprojektoren angesteuert, welche stereoskopische Bilder mit einer Gesamtauflösung von über 2 x 20 Mio. Bildpunkten projizieren. Im Vergleich dazu bringt es ein HDTV-Fernseher gerade mal auf ein Zehntel der Auflösung. Die hohe Auflösung ermöglicht eine Darstellung auch feinster Details und geht hinsichtlich der Brillanz und Darstellungsqualität weit über den bisherigen Stand der Technik hinaus. Das HD-Visualisierungscenter steht Anwendern aus Forschung und Praxis zur Verfügung.

Start des Cyberclassroom im C³-Lab

Seit Oktober geht das Heinz Nixdorf Institut zusammen mit der Visenso GmbH aus Stuttgart mit der Einrichtung einer dreidimensionalen Lernwelt innovative Wege im Bereich der Schülerbildung: Mit dem Cyber-Classroom, einer virtuellen 3D-Experimentierumgebung, werden komplexe und schwer erklärbare Sachverhalte aus technischen oder naturwissenschaftlichen Bereichen anschaulich und verständlich dreidimensional visualisiert.

Der Cyber-Classroom eignet sich hervorragend dafür, Schülerinnen und Schüler ab dem Grundschulalter stärker für die MINT-Fächer Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik zu begeistern. Aufgrund der 3D-Technik im Cyber- Classroom können Schüler direkt mit dem Lernstoff interagieren und sich intensiv damit auseinandersetzen. Als erstes C³- Lab (Certified Cyber-Classroom-Labor) in NRW wird das Heinz Nixdorf Institut den Cyber-Classroom im neuen Schülerlabor CoolMint der Universität Paderborn und des Heinz Nixdorf MuseumsForums betreuen.

Visualisierung hochkomplexer Entwicklungsprozesse

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 614 „Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus“ entwickelte die Fachgruppe Produktentstehung eine Visualisierung der hochkomplexen Entwicklungsprozesse für den Entwurf selbstoptimierender mechatronischer Systeme. Am Beispiel der Entwicklung des RailCabs wurde der gesamte Entwicklungsprozess, zerlegt in 850 Arbeitsschritte, auf der gesamten Breite der Projektionswände visualisiert. Der Ingenieur navigiert intuitiv durch den komplexen Prozess und kann jederzeit Informationen zu den einzelnen Arbeitsschritten abrufen. Aufgrund der hohen Auflösung und Darstellungsqualität des Projektionssystems geht selbst bei komplexen Entwicklungsprozessen kein Detail verloren.

Visualisierung massiv komplexer Datensätze in 3D

Die Fachgruppe Algorithmen und Komplexität betreibt Grundlagenforschung im Bereich Visualisierung massiv komplexer Datensätze und entwickelt Verfahren und Algorithmen zur Darstellung großer Datenmengen in Echtzeit. Auf der Grundlage dieser Algorithmen wurde im vergangenen Jahr ein interaktives Werkzeug zur stereoskopischen Visualisierung auf der Großprojektion im HD-Visualisierungscenter entwickelt. Die hohe Auflösung und die Größe der Projektion in Kombination mit der stereoskopischen Darstellung unterstützen die Analyse der eingesetzten Verfahren und erleichtern das Verständnis der komplexen geometrischen Zusammenhänge. Das Werkzeug diente als Basis zur Visualisierung des neuen Gebäudes der Zukunftsmeile Fürstenallee, das zur Zeit in unmittelbarer Nachbarschaft zum Heinz Nixdorf Institut errichtet wird.

Virtual Prototyping von innovativen Scheinwerfersystemen

Der von der Fachgruppe Produktentstehung entwickelte Nachtfahrsimulator für das Prototyping innovativer Scheinwerfersysteme ermöglicht eine qualitativ hochwertige Simulation der Ausleuchtung des Straßenraums vor dem Fahrzeug. Während der virtuellen Fahrt werden die Fahrzeugbewegungen auf den Fahrersitz im Simulator übertragen. Dieses haptische Feedback macht die Simulation für den Anwender noch realistischer. Das System bildet die Grundlage für die Erprobung und Analyse von Steuerungsalgorithmen für schwenkbare Scheinwerfer, welche z. B. für dynamisches Kurvenlicht oder eine adaptive Leuchtweitenregelung eingesetzt werden. So können Blendsituationen realitätsnah wiedergegeben werden, um z. B. Scheinwerfer für blendfreies Fahren oder zur kollektiven Ausleuchtung des Straßenraumes einzusetzen.

Für eine optimale Auslegung dieser Steuerungsalgorithmen bildet der Nachtfahrsimulator in Kombination mit der Großprojektion so ein leistungsfähiges Werkzeug, das qualitativ hochwertige und aussagekräftige Resultate für die Forschung liefert.

Zentrum für Fahrsimulation

Die Arbeiten zur Virtual Prototyping Plattform bilden die Basis für die Einrichtung eines Zentrums für Fahrsimulation. Die Virtual Prototyping Plattform wird ergänzt durch einen Fahrsimulator mit integrierter Bewegungsplattform. Der Fahrsimulator ermöglicht die realitätsnahe Analyse von innovativen Fahrzeugkomponenten wie Fahrerassistenz- und Beleuchtungssystemen oder Achs- und Fahrwerkskonzepten. Das Heinz Nixdorf Institut entwickelt Hard- und Softwareschnittstellen, die eine flexible Integration verschiedenster Fahrzeugkomponenten an den Fahrsimulator ermöglichen. Hardware-in-the-Loop Simulation ermöglicht den Test von realen und simulierten Fahrzeugkomponenten. Neben der Produktentwicklung kann das System in Marketing und Vertrieb sowie in der Aus- und Weiterbildung eingesetzt werden. Die vorhandene Virtual Prototyping Plattform wird zur Zeit zu einer interaktiven Fahrsimulation mit integrierter Bewegungsplattform weiterentwickelt. Sie bildet die Basis für das Paderborner Zentrum für Fahrsimulation.

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