Verblüffende Effekte im 3D-Labor
Von Susanne Billig · 05.03.2012
Wie wäre es, wenn Ärzte im Körper ihrer Patienten umher wandern könnten, um die richtige Diagnose zu stellen? Oder wenn sich die Knochen eines Menschen einscannen ließen, um später Prothesen nachbilden zu können? An solchen und vielen anderen Entwicklungen arbeitet das 3D-Labor am Institut für Mathematik der Technischen Universität Berlin.
"Da gibt's auf der einen Seite einen Kopf, der noch als Gipsabdruck vorhanden ist, auf der anderen Seite gibt es einen Holzschmuck, der schon viertausend Jahre alt ist und der in keiner Weise berührt werden darf, weil er sonst sofort zerfallen würde."
Die Wiedergeburt eines uralten Kunstwerks - sie ereignet sich in einem hochmodernen Labor für dreidimensionale Technik. Professor Hartmut Schwandt leitet das Labor. Seine Mitarbeiter sind Mathematiker und Ingenieure, Architekten, Ärzte und Künstler.
"Was wir also versuchen werden, ist, diesen auch einzuscannen - und dann ein Gipsmodell sowohl von dem Kopf als auch dem Kopfschmuck zu erstellen und die beiden zusammenzusetzen."
Untergebracht ist das 3D-Labor am Institut für Mathematik der Technischen Universität Berlin. Hier sind der Fantasie keine Grenzen gesetzt: Forscher helfen jungen Architekten, ihre Pläne in dreidimensionale Modelle zu verwandeln. Sie verarbeiten medizinische CT-Daten und bauen passgenaue Prothesen. Oder sie scannen Kunstobjekte ein, um sie zu kopieren.
"Wir haben hier im Labor einen Streifenlichtscanner. Es gibt einen Projektor, der ein definiertes Streifenlichtmuster auf dieses Scan-Objekt wirft, und zwei Industriekameras, die links und rechts neben dem Projektor angebracht sind, nehmen dies Streifenlicht, welches über das Objekt läuft, auf."
Ben Jastram ist Diplomingenieur und stellvertretender Leiter des 3D-Labors. Er legt eine kleine Skulptur auf eine Platte und schaltet den Scanner ein. Helle und dunkle Streifen gleiten im schnellen Muster über die Oberfläche der Figur. Ein Computer ermittelt aus dem Muster eine Punktwolke und berechnet daraus das 3D-Modell - nach einer komplizierten Rechenanweisung.
"Der Algorithmus greift sich einen Punkt heraus, sucht sich die räumlich nächsten Punkte - die nächsten zwei -, und verbindet diese drei Punkte zu einem Dreieck. Das passiert über diese gesamte Punktwolke, und dann haben wir praktisch eine Geometrie, mit der wir dann weiterarbeiten können."
Endlose Stunden feilen die Forscher an der Mathematik hinter der Software. Jede Rundung, jede Wölbung stellt sie vor neue Herausforderungen. Vor allem Museen weltweit sind an der Technik interessiert.
"Beispiel: Sie haben eine Keilschrift-Tafel-Sammlung von 40.000 Exemplaren, die irgendwo verstaubt, und ein Forscher in China oder Neuseeland möchte eine bestimmte Tafel sich ansehen. So. Und dann ist es natürlich für ihn auch schöner, wenn er sie in der Hand hat und nicht nur am Computer sieht, und dann kann er sich ein originalgetreues Modell an einem Computer erstellen lassen und das hat er dann wirklich in der Hand zur Untersuchung."
Voraussetzung dafür ist allerdings ein 3D-Drucker. So ein wuchtiges Gerät arbeitet mit normalen Tintenstrahl-Druckköpfen - und mit großen Becken voller Gipspulver. Hauchdünn legt die Maschine Schicht auf Schicht. So konnte auch ein Publikumsliebling in Gips verewigt werden:
"Ja, diese beiden Objekte sind - wie unverkennbar - Knut. Und zwar das, was Sie hier sehen, ist der Schädel von Knut. Entstanden ist er aus den CT-Daten, die damals bei der Obduktion von Knut erhoben worden sind."
Doch leider war der echte Kopf des toten Bären schon ein wenig ramponiert.
"Das lag daran, dass er eben schon ein paar Tage lag. Es war alles ein bisschen platt gedrückt. Wir hatten aber dann Fotos und konnten jetzt mit einer 3D-Rekonstruktion auch ein Bild des Kopfes samt einer Fellstruktur erzeugen. Und das ist eben der Vorteil von einer 3D-Technik - da kann man schon ein bisschen zaubern."
Highlight des 3D-Labors ist die sogenannte "Cave" - die Höhle. Man betritt den von Filzwänden umstellten Raum mit einer 3D-Spezialbrille. Sie lässt Infrarotkameras erkennen, wohin man schauen möchte. Dazu gibt's einen "Flight Stick" in die Hand - er sieht aus wie eine Laserpistole.
"Mit dem Gerät können wir die Objekte anfassen, können sie manipulieren. In unserem Fall haben wir hier den Mond dargestellt, und wir können jetzt ihn anfassen, drehen, wir können die Vorderseite, die Rückseite betrachten, wir können den im Raum hin und her bewegen, wir könnten ihn auch skalieren, etwas größer oder kleiner machen, und durch unsere Eigenbewegung um den Himmelskörper herumwandern oder darunter abtauchen."
Die Bedeutung der 3D-Visualisierung liegt vor allem in der Medizin. Ärzte können in das Gehirn von Schlaganfall-Patienten hineinsehen und erkennen, wo die versteckte Blutung liegt. Tiermediziner wandern durch den Körper seltener Wildtiere, denen dafür kein Haar gekrümmt werden muss.
"Das ist nicht zuletzt dann auch für die Gesellschaft interessant, da man hier die Forschungsdaten wieder über die Visualisierung zurückbringen kann und damit möglicherweise das Bewusstsein für Umweltschutz und Tierschutz neu wecken kann, indem man die Leute einfach mit einbezieht in das, was man gemessen, herausgefunden, erforscht hat."
Die Wiedergeburt eines uralten Kunstwerks - sie ereignet sich in einem hochmodernen Labor für dreidimensionale Technik. Professor Hartmut Schwandt leitet das Labor. Seine Mitarbeiter sind Mathematiker und Ingenieure, Architekten, Ärzte und Künstler.
"Was wir also versuchen werden, ist, diesen auch einzuscannen - und dann ein Gipsmodell sowohl von dem Kopf als auch dem Kopfschmuck zu erstellen und die beiden zusammenzusetzen."
Untergebracht ist das 3D-Labor am Institut für Mathematik der Technischen Universität Berlin. Hier sind der Fantasie keine Grenzen gesetzt: Forscher helfen jungen Architekten, ihre Pläne in dreidimensionale Modelle zu verwandeln. Sie verarbeiten medizinische CT-Daten und bauen passgenaue Prothesen. Oder sie scannen Kunstobjekte ein, um sie zu kopieren.
"Wir haben hier im Labor einen Streifenlichtscanner. Es gibt einen Projektor, der ein definiertes Streifenlichtmuster auf dieses Scan-Objekt wirft, und zwei Industriekameras, die links und rechts neben dem Projektor angebracht sind, nehmen dies Streifenlicht, welches über das Objekt läuft, auf."
Ben Jastram ist Diplomingenieur und stellvertretender Leiter des 3D-Labors. Er legt eine kleine Skulptur auf eine Platte und schaltet den Scanner ein. Helle und dunkle Streifen gleiten im schnellen Muster über die Oberfläche der Figur. Ein Computer ermittelt aus dem Muster eine Punktwolke und berechnet daraus das 3D-Modell - nach einer komplizierten Rechenanweisung.
"Der Algorithmus greift sich einen Punkt heraus, sucht sich die räumlich nächsten Punkte - die nächsten zwei -, und verbindet diese drei Punkte zu einem Dreieck. Das passiert über diese gesamte Punktwolke, und dann haben wir praktisch eine Geometrie, mit der wir dann weiterarbeiten können."
Endlose Stunden feilen die Forscher an der Mathematik hinter der Software. Jede Rundung, jede Wölbung stellt sie vor neue Herausforderungen. Vor allem Museen weltweit sind an der Technik interessiert.
"Beispiel: Sie haben eine Keilschrift-Tafel-Sammlung von 40.000 Exemplaren, die irgendwo verstaubt, und ein Forscher in China oder Neuseeland möchte eine bestimmte Tafel sich ansehen. So. Und dann ist es natürlich für ihn auch schöner, wenn er sie in der Hand hat und nicht nur am Computer sieht, und dann kann er sich ein originalgetreues Modell an einem Computer erstellen lassen und das hat er dann wirklich in der Hand zur Untersuchung."
Voraussetzung dafür ist allerdings ein 3D-Drucker. So ein wuchtiges Gerät arbeitet mit normalen Tintenstrahl-Druckköpfen - und mit großen Becken voller Gipspulver. Hauchdünn legt die Maschine Schicht auf Schicht. So konnte auch ein Publikumsliebling in Gips verewigt werden:
"Ja, diese beiden Objekte sind - wie unverkennbar - Knut. Und zwar das, was Sie hier sehen, ist der Schädel von Knut. Entstanden ist er aus den CT-Daten, die damals bei der Obduktion von Knut erhoben worden sind."
Doch leider war der echte Kopf des toten Bären schon ein wenig ramponiert.
"Das lag daran, dass er eben schon ein paar Tage lag. Es war alles ein bisschen platt gedrückt. Wir hatten aber dann Fotos und konnten jetzt mit einer 3D-Rekonstruktion auch ein Bild des Kopfes samt einer Fellstruktur erzeugen. Und das ist eben der Vorteil von einer 3D-Technik - da kann man schon ein bisschen zaubern."
Highlight des 3D-Labors ist die sogenannte "Cave" - die Höhle. Man betritt den von Filzwänden umstellten Raum mit einer 3D-Spezialbrille. Sie lässt Infrarotkameras erkennen, wohin man schauen möchte. Dazu gibt's einen "Flight Stick" in die Hand - er sieht aus wie eine Laserpistole.
"Mit dem Gerät können wir die Objekte anfassen, können sie manipulieren. In unserem Fall haben wir hier den Mond dargestellt, und wir können jetzt ihn anfassen, drehen, wir können die Vorderseite, die Rückseite betrachten, wir können den im Raum hin und her bewegen, wir könnten ihn auch skalieren, etwas größer oder kleiner machen, und durch unsere Eigenbewegung um den Himmelskörper herumwandern oder darunter abtauchen."
Die Bedeutung der 3D-Visualisierung liegt vor allem in der Medizin. Ärzte können in das Gehirn von Schlaganfall-Patienten hineinsehen und erkennen, wo die versteckte Blutung liegt. Tiermediziner wandern durch den Körper seltener Wildtiere, denen dafür kein Haar gekrümmt werden muss.
"Das ist nicht zuletzt dann auch für die Gesellschaft interessant, da man hier die Forschungsdaten wieder über die Visualisierung zurückbringen kann und damit möglicherweise das Bewusstsein für Umweltschutz und Tierschutz neu wecken kann, indem man die Leute einfach mit einbezieht in das, was man gemessen, herausgefunden, erforscht hat."