Für bessere Architekturentwürfe: CAVE-CAD verbindet VR und neurologische Diagnostik

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Neue Soft- und Hardware, die an der University of California in San Diego entwickelt wurde, erlaubt es Menschen, ihre Eindrücke von einem Architekturentwurf durch physiologische Rückmeldungen zu kommunizieren – wichtig für Personen, die sich verbal nur schwer verständlich machen können, weil sie zum Beispiel an der Alzheimer-Krankheit leiden.

Forscher an der USCD-Abteilung des California Institute for Telecommunications und Information Technology (Calit2) haben eine CAD-Software namens CAVE-CAD entwickelt, die durch die Verbindung mit Geräten, die neurologische und physiologische Reaktionen der Betrachter überwachen, Architektur-Design effizienter macht. CAVE-CAD bietet außerdem eine wichtige Funktion, die konventionellen CAD-Systemen fehlt: Die Möglichkeit, die Folgen eines modifizierten Designs sofort zu erfahren.

CAVE-CAD ist ein ideales Werkzeug für den Architekten, einen räumlichen Eindruck im menschlichen Maßstab zu erzeugen. Das ermöglicht es dem potenziellen Anwender oder Kunden in Echtzeit auf Ideen und Konzepte zu reagieren, während er sich mitten im Architekturentwurf befindet,“ sagt Eduardo Macagno, Professor am Calit2.

Das Team hat CAVE-CAD für den Einsatz in der StarCAVE von Calit2 entwickelt, einer immersiven 360-Grad-VR-Umgebung mit 16 Panels. So können die Forscher mit virtuellen Architektur-Renderings in drei Dimensionen, in Echtzeit und in den natürlichen Maßstäben interagieren. Außerdem hat das Team neue Systeme entwickelt, mit denen sich die CAVE-CAD-Erfahrung mit elektrophysiologischen Messungen der kortikalen Hirnfunktionen und des emotionalen Antwortverhaltens auf die virtuellen Umgebungen verbinden lassen. Auf diesem Wege kann die Navigation und Kommunikation in komplexen Raumverhältnissen, wie sie etwa in Schulen und Spitälern anzutreffen sind, verbessert werden. 

Eve Edelstein, Neurowissenschaftlerin am Calit2, die auch in der Architektur bewandert ist, sagt, dass viele Visualisierungsplattformen dem Anwender zwar einen Eindruck von Gebäudeentwürfen in 3D vermittelten, aber dass dieser Eindruck oft durch ein passives „Durchfliegen“ zustande komme. So müssten sich die Architekten erst einmal selbst in die Gebäude hineinversetzen, Änderungen offline vornehmen und dann wieder hoch laden, was sehr zeitraubend sein könne.

  „Was beim Durchfliegen verloren geht, ist das Gefühl für das Eintauchen, für den Raum und die Ich-Perspektive“, sagt Edelstein.

 Mit CAVE-CAD haben Anwender die Möglichkeit, in Gebäudeentwürfen nach ihren eigenen Bedingungen zu navigieren und können soviel Zeit wie sie wollen damit verbringen, bestimmte Charakteristika des Entwurfs zu studieren. Veränderungen des Design lassen sich mit einem Hand-held vornehmen, das Icons und Menüs via Head-Tracking-Ausrüstung in das Blickfeld des Anwenders projiziert. Das Calit2-Team hat eine Betaversion der Software entwickelt, die den Einsatz von Menüs auf ein Minimum reduziert und damit die Bedienung noch intuitiver macht.

 

„Andere Softwarelösungen lassen Sie durch einen festgelegten Raum bewegen. Wir dagegen lassen Sie die Wände zurücksetzen oder die Decke bewegen – in Echtzeit, und die Eindrücke wechseln, ohne dass Sie sich auf ihre Einbildung verlassen müssen,“ erklärt Edelstein. Und fügt hinzu: „Als ich den Film Inception sah, sagte ich mitten im Kino: ‚Das ist meine Welt! Das ist das, was ich mache!’ Diese Szene, als die Darstellerin durch die Stadt läuft, und die Architektur und die Umgebung entfalten sich, verwandeln und verbiegen sich, so wie sie es visualisiert, genau das müssen wir machen.“

 

In CAVE-CAD kommt außerdem die Technik aus einem anderen Calit2-Projekt zum Einsatz, die dafür sorgt, Geräusche präzise in der 3D-Umgebung zu platzieren. Das Verfahren namens SoniCAVE erlaubt den CAVE-CAD-Forschern, die Akustik im vorhandenen Gebäudeentwurf zu simulieren. Edelstein und der Entwickler von SoniCAVE, Peter Otto, Professor am USCD Department of Music, haben CAVE-CAD dazu genutzt, ein reales Spital zu simulieren, wo das Geräusch der Gerätschaften am Krankenbett oft die Gespräche des medizinischen Personals überlagert.

Die Studien von Edelstein besagen, dass der Lärmpegel während des Schichtwechsels bis auf 120 Dezibel anschwillt, vergleichbar einem Düsenflugzeug. Weitere Entwicklungen der Software vom Doktoranden Joachim Gossman könnten zu einer Neugestaltung von Krankenhäusern motivieren. Das Testen einer virtuellen Geräuschkulisse könnte dann etwa zum Einsatz von Materialien führen, die Geräusche absorbieren.

Integration mit neurologischen und physiologischen Messungen

Das CAVE-CAD-System enthält auch innovative Sensortechnik. Sie misst die Reaktionen der Anwender auf die Architekturrenderings, die in die StarCAVE projiziert werden. Ein tragbares EEG-Gerät erfasst die Gehirnaktivität, während die Anwender mit dem Computermodell interagieren und dabei völlige Bewegungsfreiheit genießen.

 

„Das tragbare EEG-Gerät eröffnet einen wesentlich objektiveren Weg, Einsichten in das menschliche Verhalten in Gebäuden zu gewinnen, die wir nutzen und in denen wir wohnen“, sagt Macagno. „Ausgeweitet auf kognitiv eingeschränkte Menschen, mit denen eine direkte verbale Kommunikation oft nicht möglich ist, könnte dieser Ansatz zum ersten Mal ein Werkzeug bereitstellen, mit dem sich die Art und Weise untersuchen und verbessern lässt, wie Alzheimer-Patienten mit institutionellen Strukturen interagieren, auf die sie angewiesen sind.“

 

Eine Maske für die Elektrookulografie erlaubt es erstmals, die Blickrichtung in 3D zu verfolgen. Die Wissenschaftler erhalten mittels 3D-Elektrookulografie (EOG) Informationen darüber, wohin der Anwender schaut. Dahinter verbirgt sich die Messung der elektrischen Aktivität der Netzhaut und der Augenmuskeln. Die Anwender können eine Maske oberhalb, unterhalb, links oder rechts jedes Auges anlegen, um die Blickrichtung zu bestimmen. Indem es die Informationen beider Augen zusammengeführt, entwickelt das Team die Möglichkeiten auch die Blicktiefe zu erfassen und damit die visuelle Aufmerksamkeit der Anwender in drei Dimensionen zu verfolgen.

 

„Obschon Architekten versuchen, vorherzusagen, wohin die Aufmerksamkeit der Betrachter gelenkt wird, wissen wir nicht, wohin das Auge tatsächlich schaut. Aber in der CAVE streben wir danach, exakt aufzuzeichnen, wohin der Anwender im Raum blickt und die ermittelte Gehirnaktivität mit bestimmten Design-Gesichtspunkten zu verbinden, die gerade betrachtet werden“, sagt Edelstein. „Ein Architekt kann Tage damit zubringen, einen Entwurf zu perfektionieren, aber wenn der Betrachter ihn sieht, zeigt sich nicht der geringste Ausschlag in dessen Gehirnwellenaktivität, was bedeutet, dass der Entwurf auf den Betrachter keinen Eindruck hinterlassen hat.“

 

„Architekten entwickeln seit langer Zeit Theorien über Design-Präferenzen. Mit CAVE-CAD, EEG und 3D EOG können wir nun testen, ob die Hypothesen gültig sind“, sagt Edelstein, die ein CAVE-CAD-Rendering der BBC-Show „The Secret of Buildings“ präsentieren wird.

 

Das Forscherteam hat außerdem vor kurzem die Netzwerkfähigkeit der Lösung auf einem Meeting von rund 150 Führungskräften aus dem medizinischen Bereich vorgeführt. Die Besucher konnten beobachten, wie die Anwender in verschiedenen CAVE-Umgebungen durch dasselbe Modell eines virtuellen Spitals navigierten. Die Beobachter waren in der Lage, die Anwender so zu lenken, dass sie mehr Zeit in einem besonderen Patientenzimmer verbrachten, das Design zu ändern, um auf der Intensivstation den Lichteinfall zu modifizieren oder zu versuchen, einen Weg zum Aufenthaltsraum der Krankenpfleger zu finden.  

Die Demonstration wurde simultan von Anwendern fast auf der anderen Seite der Erde, nämlich an der Abdullah Universität of Science and Technology (KAUST) in Saudi Arabien, Partner von Calit2, mitverfolgt. Nicht nur die Netzwerkfähigkeit, so Edelstein, sondern auch die Skalierbarkeit von CAVE-CAD trügen zum kollaborativen Potential bei, und sie malt sich aus, wie eine „Collaborative CAVE“ globalen, verteilt arbeitenden Teams dazu dient, an ein und demselben Entwurf zu arbeiten – oder ein und dieselbe Operation zu beobachten. Den Markt für CAVE-CAD sieht Macagno in jedem Architekturbüro, Krankenhaus oder Schulungseinrichtung.

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