Abbildung 1: Mit Peter Weinerts Software und einer billigen Rot-Grün-Brille kann sich jeder Medizinstudent ein virtuelles Präparat auf den PC holen. (Bild: © B. Hentschel, RWTH Aachen)

Gut ausgestattete Virtual-Reality-Labors verhelfen Forschern zu ungewohnten Einsichten. Doch selbst am heimischen PC lässt sich Wissenschaftliches abbilden. In beiden Fällen zeigt freie Software, was sie kann.

Abbildung 1: Mit Peter Weinerts Software und einer billigen Rot-Grün-Brille kann sich jeder Medizinstudent ein virtuelles Präparat auf den PC holen. (Bild: © B. Hentschel, RWTH Aachen)

Der Besuch in einem Virtual-Reality-Labor ist ein tolles Erlebnis: Hier werden Objekte der Forschung anschaulich, vom Architekturmodell bis zum menschlichen Organ.

Einblicke am heimischen PC

Für alle, die sich teure Display-Technik und Rechner-Boliden nicht leisten können, gibt es zudem Alternativen: Der Mediziner Peter Weinert bringt das lehrreiche Medium Virtual Reality (VR) auch auf einen schwachbrüstigen Studenten-PC (Abbildung 1). Weinert ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der VR-Abteilung des Leibniz-Rechenzentrums (LRZ) in Garching bei München [1]. Diese Einrichtung der Bayerischen Akademie der Wissenschaften versorgt die Münchner Hochschulen mit einschlägigen IT-Dienstleistungen.

Weinert hilft Kunstpädagogen und Neurochirurgen dabei, ihre Untersuchungsgegenstände auf interaktive 3D-Computermodelle abzubilden. Im Rahmen seiner Dissertation [2] entwickelte der programmierende Arzt einen kompakten Viewer in C++ sowie das 3D-Modell eines embryonalen Gehirns.

“Die Embryologie ist ein Gebiet, auf dem die Studierenden kaum praktische Erfahrungen machen können”, sagt der frischgebackene Doktor der Medizin und erklärt fasziniert, wie sich das menschliche Zentralnervensystem aus einem schlichten Zellschlauch zu den Strukturen von Gehirn und Rückenmark entwickelt. Sein Modell zeigt die bereits komplexen Faltungen des Gehirns eines rund 18 Millimeter großen Embryos in der achten Schwangerschaftswoche.

Die Daten stammen aus einem mikroskopischen Präparat der anatomischen Anstalt der Universität München. Weinert war es wichtig, ein vorhandenes Präparat zu verwenden und einem großen Publikum zu präsentieren, “statt dass es verstaubt”. Er hat sich auch ethische Gedanken über die Herkunft des Organs gemacht. Es befindet sich seit den 60er Jahren im Besitz der Anstalt und stammt aus der Autopsie einer zu Tode gekommenen Schwangeren.

Der damalige Doktorand digitalisierte die bestehenden 574 Schnitte durch das Präparat und setzte die Schichtbilder mit dem kommerziellen Programm Amiradev zu einer 3D-Repräsentation zusammen. Im nächsten Schritt markierte er das Nervensystem und ließ es zu einem virtuellen Modell aus 24924 Dreiecken umrechnen. Das Modell lässt sich eindrucksvoll auf der Holobench des Münchner VR-Labors vorführen (Abbildung 2). Die maßgefertigte Anlage im Wert eines Einfamilienhauses nutzt zwei CRT-Beamer und eine LCD-Shutterbrille, um jedem Auge geringfügig andere Bildinformationen zu liefern, die das menschliche Gehirn zu einem räumlichen Gebilde zusammenfügt.

Abbildung 2: Die Holobench liefert 3D-Bilder, die sich mit dem Zeigegerät interaktiv zoomen und drehen lassen.

Abbildung 3: Die Darstellung in der Cave bietet Medizinern ein eindrucksvolles Bild der komplexen Strömungsverhaltnisse in der menschlichen Nase.

Ein elektromagnetisches Feld dient zum Tracking, der Positionsbestimmung von Brille und Zeigegerät. So kann der Benutzer um das virtuelle Modell herumgehen, um es von mehreren Seiten zu betrachten, oder es mit dem Zeigegerät drehen. Ein PC-Cluster errechnet die nötigen Stereo-Bilder. Das geschieht unter Windows, da derzeit kein geeigneter Treiber für die Controller-Boards des Tracking-Systems zur Verfügung steht.

Für den Heimgebrauch speichert Weinert die 3D-Daten in der binären Variante des Formats Standard Triangulation Language (STL), das sich leicht mit C++-Programmen verarbeiten lässt und in der CAD-Welt weit verbreitet ist.

3D mit GCC

Die Medizinstudenten benutzen Windows-Rechner, also wurde das Betriebssystem auch die Zielplattform für Peter Weinerts Viewer, obwohl das C++-Programm im Grunde plattformunabhängig ist. Es setzt auf die Shader-Sprache OpenGL und bedient sich des OpenGL Utility Toolkit (Glut, [3]), das jeweils auf die betriebsystemspezifischen Bibliotheken (GLX für X11, WGL für Windows) aufsetzt. Außerdem benutzt es die LGPL-lizenzierte Callback-Bibliothek Libsig C++ [4]. Mit GCC übersetzte der Programmautor den Code in ein Windows-Executable [5] von rund 900 KByte Größe, das im RAM der Grafikkarte Platz findet. Einzelne Versuche, Linux-Versionen aus den Quellen zu bauen, sind laut Weinert schon geglückt. In der Redaktion des Linux-Magazins lief das Windows-Programm aber auch problemlos unter Wine.

Das Modell lässt sich im Viewer mit der Maus oder mit Tastaturbefehlen drehen. Das Programm zoomt, legt Schnitte durch das hohle Gebilde an oder zeigt es transparent. Daneben beherrscht es einen stereoskopischen Ausgabemodus für Spezialhardware – und einen für den Hausgebrauch: [Strg] + [A] aktiviert den anaglyphen Modus, der die Bilder fürs rechte und linke Auge in verschiedenen Farben anzeigt. Ein normaler Monitor und eine billige Rot-Grün-Brille reichen so für Stereoskopie.

Ob er den Quelltext als freie Software freigibt? Das hat Dr. Peter Weinert noch nicht entschieden Die Hauptsache ist für ihn derzeit, Studierenden das VR-Präparat samt Viewer kostenlos zugänglich machen zu können.

Forschung und Open Source

Ein Bekenntnis zu Open Source gibt dagegen Torsten Kuhlen ab, derzeit Koordinator des Virtual Reality Center Aachen (VRCA). Dabei handelt es sich um ein Netzwerk von über 40 Firmen und Instituten, unter anderem der RWTH Aachen. “Wir mögen Open Source sehr gerne, weil wir Forscher sind”, sagt er und präzisiert, “Forschung bedeutet: keine lizenzrechtlichen Probleme und volle Flexibilität.” Die vielfältigen Anforderungen der Projektpartner aus Disziplinen von Maschinenbau bis Psychologie erfordern meist die Entwicklung von Individualsoftware. Dabei kommen häufig Open-Source-Komponenten zum Einsatz.

Dazu gehören das Visualization Toolkit (VTK, [7]), eine C++-Klassenbibliothek zum Visualisieren wissenschaftlicher Datensätze und der Rendering-Kern OpenSG [8]. Zur Integration solcher Bestandteile hat das VRCA selbst das C++-Toolkit “VR for Scientific and Technical Applications” [9] entwickelt, das die Forscher schon Vista nannten, bevor Microsoft den Namen entdeckte.

Reise ins Innere der Nase

Ein bemerkenswertes Projekt, das diese Tools anwendet, nennt sich Rhino-Modell [10]. Es bildet das Innere der menschlichen Nase nach. An diesem Organ, erzählt Kuhlen, werde viel operiert, um die Atmung zu verbessern, “die Öffnung wird vergrößert, doch die Patienten kriegen nicht besser Luft”.

Die Strömungsverhältnisse in der Nase sind offenbar komplizierter als gedacht. Daher arbeiten im Rhino-Modell Radiologen, Aerodynamiker und VR-Spezialisten zusammen. In der so genannten Cave, einer 3D-Projektionsumgebung mit fünf Wänden können die medizinischen Praktiker dann in das gewaltig vergrößerte Nasenmodell eintauchen, um sich intuitiv ein Bild zu verschaffen.

Für die Erzeugung der Stereobilder für die fünf Leinwände der Cave sind zehn Rechner zuständig. “Für die Interaktivität ist perfekteste Synchronisation erforderlich – das geht nur unter Linux”, sagt Torsten Kuhlen.

Bei aller Liebe zu Linux und freier Software macht Dr. Kuhlen dennoch eine praktische Einschränkung: Das VRCA scheut den Aufwand, den ein echtes freies Softwareprojekt mit sich bringt. “Open Source bedeutet immer auch Arbeit, weil man das koordinieren muss. Forscher haben zudem keine Zeit, Support zu leisten”, sagt er. Vista werde derzeit daher nur an Projektpartner abgegeben. In Zukunft soll es jedoch eine abgespeckte Version zum Download geben, bei der weniger Supportanfragen zu erwarten seien.