Amsterdamse 'CAVE': met het hoofd tussen de sterren

Body: 
Virtueel wandelen over de Grote Markt in Brussel,door een museumontwerp of door een eiwit. De 3D-projectieruimte inhet Amsterdamse rekencentrum SARA is meer dan een pretpark voorwetenschappers.

Het lijkt wel een sprookje: een kindertekening die zomaar totleven is gekomen en waar je door heen kunt wandelen. Of lievergezegd glijden, als een schim door een droomlandschap. Dat kanallemaal dankzij een supercomputer en vier videoprojectors in hetAmsterdamse SARA (Stichting Academisch Rekencentrum Amsterdam).Daarmee zijn ruimtelijke beelden op te roepen die de toeschouweraan alle kanten omringen. Met een soort computermuis in de hand ishet geheel te besturen en te bewegen.

De kindertekening dient slechts ter demonstratie van demogelijkheden. Medewerker Jaap Hollenberg laat zien dat je echtbloemen kunt plukken uit een getekend perkje, vlinders opjagen enals hij tegen een bijennest slaat, wordt je als toeschouwer belaagddoor een zwerm virtuele bijen die dankzij bijbehorend stereogeluidook nog eens kunnen zoemen, maar gelukkig niet steken.

"Een geavanceerd computerscherm kan dit soort beelden inprincipe ook wel weergeven", zegt Hollenberg. "Maar je hebt danslechts een klein oppervlak. Hier sta je er midden in en er isplaats voor meer personen zodat overleg mogelijk is." De CAVE (CaveAutomated Virtual Environment), zoals de opstelling genoemd wordt,is onder meer in trek bij biochemici die eiwitstructurenbestuderen, medici kunnen er mee naar driedimensionalelichaamsscans kijken en architecten en uitvoerders naar hunbouwplannen.

Het geheel ziet er uit als een klein toneeldecor van drie bijdrie meter. De zijwanden en achterwand fungeren als projectieschermwaarop het beeld van achteren door videoprojectors geprojecteerdwordt. Een vierde videobeeld komt van boven en belicht de vloer.Beelden komen dus van alle kanten op je af, maar dat alleen is nogniet voldoende om je ook het ruimtelijke gevoel te geven dat je eenbloem echt kunt plukken.

Om dat te bereiken moet het ene oog het beeld - net als in hetecht - uit een iets andere richting waarnemen dan het andere. Desupercomputer van de CAVE rekent die twee gezichtshoeken uit enprojecteert ze beide. Het is echter van cruciaal belang datlinkeroog en rechteroog alleen die beelden zien die voor elk apartbestemd zijn.

De beelden voor links en rechts worden daarom razendsnelafgewisseld, met een frequentie van honderdtwintig beelden perseconde. En de personen in de CAVE moeten lichtgewichtpolaroidbrillen dragen; deglazen daarvan worden afwisselend zwart,telkens wanneer het beeld voor het andere oog aan de beurt is. Datgebeurt door middel van vloeibare kristallen in het glas die dooreen infraroodzender boven in de CAVE heel kort ondoorzichtiggemaakt kunnen worden.

Toch blijf je, ondanks de geavanceerde 3D-technologie, alstoeschouwer een afstandelijk gevoel houden. Het landschap glijdtvoorbij als in een film. Om de illusie nóg volmaakter te makenbeschikt de CAVE dus over een derde ingrediënt. Hollenberglaat ter demonstratie de Grote Markt in Brussel zien. We bewegenons over het verlaten plein naar een raam in een van degebouwen.

Vierdimensionaal

Hollenberg steekt zijn hoofd door het raam en vervolgens is hetgebouw ook aan de binnenkant te zien. Hij bestuurt het beeld dusniet alleen met de joystick in zijn hand maar ook door zijn hoofdin de CAVE te verplaatsen. Er zit namelijk een elektromagnetischspoeltje in zijn bril dat zijn precieze positie doorgeeft aan decomputer. Die past het beeld onmiddellijk aan de beweging aan,zodat de illusie ontstaat dat je werkelijk door een raam of om dehoek kunt kijken.

En zo is het ook mogelijk om je hoofd in de draderige kluwen vanhet vergroot eiwitmolecuul te steken dat Hollenberg even latertevoorschijn tovert. Het gaat om een eiwit dat als enzym in eenwasmiddel fungeert. Levensgroot hangt het midden in de CAVE. Hetactieve onderdeel is rood gekleurd en zit ergens binnenin.

Biotechnologen wilden weten of het daar goed beschermd zat tegenandere bestanddelen van het wasmiddel zoals zeepmoleculen, verteltHollenberg. Twee meter boven de grond laat hij een worstachtigzeepmolecuul verschijnen dat zich als een kronkelige worm inallerlei bochten wringt om het eiwit binnen te dringen, maar het isduidelijk te zien dat hij ver weg blijft van het actieve centrum."Deze simulatie hadden ze natuurlijk ook al op een gewone computergedaan", zegt hij. "Maar wat ze hier levensgroot voor zich zagen,was veel overtuigender."

Veel biochemici zijn geïnteresseerd in de driedimensionalebeelden die de CAVE kan maken van hun onderzoeksobjecten: eiwittenen DNA-moleculen. UvA-professor dr. Klaas Hellingwerf van hetLaboratorium voor Microbiologie/E.C. Slaterinstituut werkt insamenwerking met prof.dr R. Kaptein van de Utrechtse faculteitScheikunde aan een lichtgevoelig eiwit dat in sommigebacteriën voorkomt. Het vormt daarin een schakel van een soortnavigatiesysteem. Lichtdeeltjes veroorzaken kleinestructuurveranderingen in het eiwit.

"We willen ophelderen welke groepen precies van plaatsveranderen en hoe", zegt Hellingwerf. In de CAVE zijn dieveranderingsprocessenuitstekend te zien, maar voor de dagelijksepraktijk van het onderzoek hoopt Hellingwerf dat het werken meteenvoudigere en makkelijker beschikbare 3D-schermen ook volstaat.Op dit moment vergelijkt zijn groep in het SARA beide methoden.

Hellingwerf: "Ons eerste doel is om een ruimtelijke voorstellingte krijgen van eiwitten en dat kan in principe ook op een PC. Maarer is ook het aspect van rekenkracht. Als je ruimtelijk iets aan jesysteem wilt veranderen is een PC meestal veel te traag om hetnieuwe beeld uit te rekenen."

Hollenberg maakt duidelijk hoe krachtig de supercomputer van deCAVE is: "De CAVE moet tijdens een beweging minimaal tien nieuwebeelden per seconde berekenen, anders gaat het beeld voor dewaarnemer schokken. Een goede PC zou voor een gedetailleerd beeldeen hele dag moeten rekenen." Kortom de CAVE is velehonderdduizenden malen sneller.

Biochemicus prof.dr Roel van Driel, eveneens werkzaam bij hetSlater Instituut, legt net de laatste hand aan een wetenschappelijkartikel over driedimensionale visualisatie zoals die in de CAVE."Voor zover ik het kan overzien wordt dit de eerste publikatiehierover in mijn vakgebied." Van Driel werkt veel metdriedimensionale microscopische opnamen van celkernen met daarinchromosoommateriaal. "Eigenlijk zijn ze vierdimensionaal omdat zeook nog bewegen. Het is toch heel lastig om dat vanaf een platscherm nog tussen de oren te krijgen", zegt hij.

Melkweg

Van Driel is geïnteresseerd in de positie van kleinerekernonderdelen ten opzichte van de chromosomen. "Het was tot nu toeheel moeilijk om te zien of zo'n kleiner deeltje boven eenchromosoom zweefde, er vlak tegen aan lag of er juist midden inzat. In de CAVE is dat geen probleem." Ook hij ziet trouwens voorde toekomst het meeste heil in simpelere systemen omdat zegoedkoper zijn en in het eigen laboratorium geplaatst kunnenworden.

In de CAVE komen ook regelmatig mensen naar ontwerpen voorgebouwen kijken: architecten, projectontwikkelaars of anderebetrokkenen. "We hebben hier burgemeesters en wethouders gehad diehun nieuwe gemeentehuis wilden zien, maar ook marktkooplui die eengepland kunstwerk voor de Albert Cuypmarkt kwamen keuren", zegtHollenberg.

Digitale bouwtekeningen zijn direct door de CAVE te gebruiken.Vaak is het echter belangrijk dat de sfeer in het gebouw levensechtis. Hollenberg: "Dan programmeren we wat bloemen op tafel en boekenin de boekenkast. In musea moeten we ook de belichting helemaal inorde maken." Dit soort klussen kosten een SARA-medewerker gemiddeldeenweek werktijd.

Tot slot laat Hollenberg een korte simulatie uit de sterrenkundezien. De Melkweg en de Andromedanevel botsen daarin op elkaar, eengebeurtenis die ons mogelijk over enkele miljarden jaren te wachtenstaat. Honderdduizend sterren, één miljoen rekengegevens,dwarrelen om de toeschouwer heen. De platte sterrenstelsels scherenloodrecht op elkaar af, vliegen door elkaar heen, keren terug enbotsen zo enkele malen opnieuw totdat ze eindigen in een nieuwegigantische sterrenhoop. Hollenberg: "Wij als leken vinden dit vijfminuten leuk om te zien, maar een astronoom is hier niet meer wegte krijgen."

Frans van Mieghem