Digitale Zwillinge in der Kultur

In einem nächsten Schritt haben die Wissenschaftler schließlich noch die gesamte Bühnenmechanik simuliert. So gibt es in Ludwigsburg Bühnenaufbauten, die sich auf- und abklappen lassen, austauschbare Seitenwände sowie einen Wolkenwagen, der es erlaubt, Schauspieler aus den Wolken herabsteigen und wieder hochfahren zu lassen. Und weil zur Gründungszeit des Theaters keine geeigneten Motoren zur Verfügung standen, mussten komplexe Mechaniken alle auftretenden Kräfte mit Gegengewichten ausgleichen. Dadurch war es auch einer einzelnen Person in einer Art Hamsterrad möglich, die Mechanik anzutreiben. „Das alles haben wir digital nachgebildet, damit es sich auch in unserem digitalen Zwilling entsprechend bewegen lässt“, berichtet Wössner.

Alte Berichte und Simulationen

Da es von dem historischen Theater nur sehr unvollständige Pläne gibt, mussten sich die Wissenschaftler bei der Rekonstruktion der Bühnenmechanik auf Beschreibungen der Theaterstücke beziehen, die dort gespielt wurden. „Um aber Details wie die Durchmesser der Seile zu dimensionieren, haben wir auch mechanische Simulationen durchgeführt“, berichtet Wössner. „Unser digitaler Zwilling schaut also nicht nur echt aus, sondern basiert auch auf physikalischen Gleichungen.“ Das resultierende Modell ist auch die Grundlage für eine Zusammenarbeit mit Literaturwissenschaftlern, die damit mehr über Bühnenstücke erfahren wollen, die sonst nur als Texte zur Verfügung stehen. „Mit dem digitalen Zwilling können wir gemeinsam Szenen virtuell nachstellen und dann diskutieren, wie der Text tatsächlich gemeint war und wie die Zuschauer das Stück wahrgenommen haben“, sagt Wössner.

Parallel zum Schlosstheater Ludwigsburg begleiten Wössner und Hauser auch den Umbau des Staatstheaters Stuttgart mit einem digitalen Zwilling. „In Stuttgart haben wir praktisch den gesamten Innenraum der Staatsoper eingescannt“, sagt MSC-Geschäftsführer Hauser. „Das ist unter anderem interessant für die Bühnenbildner, weil sie ihre Kreationen nicht gleich bauen müssen, sondern sie zunächst am Computer erstellen und ausprobieren können.“ Dabei setzen Experten auf Anwendungen der sogenannten Augmented Reality, die die Realität vor Ort im Theater mit virtuellen Bildern überlagert.

Zu diesem Zweck haben die Techniker der Abteilung für Visualisierung in der Beleuchterkabine, die sich im hinteren Opernbereich über den Zuschauerrängen befindet, einen transparenten Bildschirm aufgebaut. Beim Blick durch dieses Display hinunter auf die Bühne erscheinen die virtuellen Bildinhalte im Sichtfeld des Betrachters. Damit die Perspektive exakt stimmt, erfasst ein optisches Messsystem auf den Millimeter genau die Position der Augen. So kann der Bühnenbildner frei experimentieren und beispielsweise das Bühnenbild verschieben sowie Teile davon nach Belieben einfügen oder wegnehmen.

Solche digitalen Techniken sind nicht nur billiger und verschlanken die Produktionsabläufe. Im Theater ist zudem gerade die Bühnenzeit oft ein limitierender Faktor. Schließlich laufen in der Regel gleich mehrere Produktionen parallel und jede davon will geprobt und für den Abend vorbereitet werden, weshalb die Bühne oft belegt ist. Anstatt sich also in der realen Welt dort zu treffen und neue Stücke zu planen, können Bühnenbauer, Regisseur, Schauspieler und Kostümschneider auch in der virtuellen Welt zusammenkommen, um sich untereinander auszutauschen.

Virtuelle Treffen in der CAVE

Im einfachsten Fall tragen für so ein virtuelles Treffen alle Beteiligten VR-Brillen. Die haben aber neben den üblichen Problemen wie einem limitierten Sichtfeld, perspektivischen Verzerrungen und der daraus resultierenden Übelkeit noch ein viel tiefer reichendes Problem. „VR-Brillen sind Ein-Personen-Anwendungen“, sagt VR-Experte Wössner. „Man ist damit alleine in der virtuellen Welt, obwohl man ja eigentlich gemeinsam mit Kollegen neue Konzepte entwickeln und diskutieren will.“ Abhilfe dafür kann die CAVE des HLRS schaffen: ein Würfel mit einer Kantenlänge von 2,70 Meter, den bis zu zehn Menschen gleichzeitig betreten können, um ein und dieselbe virtuelle Welt zu erleben. Dazu werden an die Decke, den Boden und noch drei weitere Seitenwände je zwei Bilder übereinander projiziert – eines für jedes Auge.

Die Besucher tragen dabei spezielle Brillen, die ihnen ähnlich wie in einem 3D-Kino ein räumliches Bild ihrer virtuellen Umgebung vermitteln. „In der CAVE können sich die Theatermacher zum Beispiel in den virtuellen Zuschauerraum setzen, um zu sehen, von welchen Plätzen aus welche Teile der Bühne sichtbar sind“, erläutert Wössner. „Oder sie bedienen die virtuelle Bühnenmaschinerie und probieren auf diese Weise schon einmal ihren kompletten Bühnenaufbau aus.“

Ein digitaler Zwilling taugt aber nicht bloß zum Testen der Funktionalitäten im Inneren der Stuttgarter Oper. Auch die Einbettung des gesamten Gebäudes in das Stadtbild lässt sich in der virtuellen Welt bereits vor dem gerade geplanten Umbau beurteilen. „Dazu haben wir einen großen digitalen Zwilling von Stuttgart entwickelt, der unter anderem auch die Oper mit einschließt“, stellt Wössner fest. Eine solche digitale Erfassung der Umgebung ist mittlerweile auch in der Filmindustrie ein wichtiges Instrument.

Schließlich ist eine Filmproduktion ein logistisches Großunternehmen, bei dem viele Beteiligte an mitunter sensible Orte gebracht werden müssen. Oft handelt es sich dabei um historische Stätten, wo die Gefahr einer Beschädigung besteht. Oder der Ort muss während der Dreharbeiten vorübergehend für Touristen und Passanten gesperrt werden, was nicht nur Unmut hervorrufen kann, sondern auch zu Mehrkosten führt. „Daher werden reale Hintergründe immer häufiger virtuell nachgebaut“, sagt Wössner.

Täuschend echt imitierte Filmkulisse

Im Grunde kommt dafür die gleiche Technik zum Einsatz wie beim digitalen Erfassen von Innenräumen – bloß, dass zusätzlich zum Laserscanner oft auch spezielle optische Kameras für realistische Farbinformationen sorgen. Sie nehmen Unmengen an normalen, zweidimensionalen Bildern in allen möglichen Raumrichtungen und aus verschiedenen Perspektiven auf. Eine Software errechnet daraus schließlich ein dreidimensionales Modell der Szenerie. „Solche Modelle können sehr komplex sein und auch dynamische Aspekte beinhalten, etwa Fahrzeuge und Leute, die sich bewegen“, erläutert Wössner. „Das Ziel ist, künftig immer mehr solcher digitalen Zwillinge von realen Orten zu haben, die man dann für Filmaufnahmen einfach aus der Konserve holen kann.“

Die virtuelle Umgebung wird dann in der Regel über große LED-Wände in der richtigen Perspektive hinter den Schauspielern eingeblendet. Dann sieht es so aus, als wären die Akteure direkt vor Ort.

Allerdings: Während es beim Film meist genügt, wenn die Bilder ansprechend aussehen, legen die Forscher des HLRS stets auch Wert auf Realitätsnähe. „Wenn wir Wasserströmungen simulieren, zum Beispiel während einer Überflutung, machen wir das immer physikalisch korrekt“, sagt Wössner. „Daneben gibt es auch bei den Visual Effects den Trend, dass die Simulationen immer realistischer werden.“

Wofür auch immer sie eingesetzt werden – visuelle Effekte erfordern hohe Rechenleistungen. Deshalb sind die Mitglieder des MSC aus der Film- und Animationsindustrie nicht nur an der digitalen Expertise des HLRS interessiert, sondern auch an den Höchstleistungsrechnern selbst. „Einen solchen Anschluss eines Solution Centers für die Kultur- und Kreativwirtschaft an ein Höchstleistungsrechenzentrum gibt es in Europa sonst nicht“, sagt Hauser. „Das ist ein Alleinstellungsmerkmal des MSC, das uns die Vernetzung zur Medien- und Filmindustrie erleichtert.“

Dieser Artikel ist Teil einer Sonderpublikation in Kooperation mit dem Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS). Hier finden Sie das vollständige bild der wissenschaft extra zum Download.

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