BMW baut digitalen Fabrikzwilling und Nvidia Research erweckt Knight Riders „KITT“ zum Leben Nvidia bringt mit Omniverse eine Design-Collaboration- und Simulationsplattform an den Start

Redakteur: Ulrike Ostler

„Nvidia Omniverse Enterprise“ ermöglicht es 3D-Produktionsteams, die häufig groß und geografisch verteilt sind sowie ein großes Skill-Spektrum abdecken, bei komplexen Projekten zusammenzuarbeiten. Die Plattform, erübrigt, sowohl persönliche Besprechungen als auch einen umfangreichen Datenaustausch. Designer, Künstler und Prüfer können gleichzeitig in einer virtuellen Welt von überall und auf jedem Gerät arbeiten.

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Mithilfe von KI lassen sich digitale Fabriken, wie die von BMW, aber auch fiktive Autos wie der erste AI-Sprtwagen im Fernsehen „K.I.T.T“ erstellen.
Mithilfe von KI lassen sich digitale Fabriken, wie die von BMW, aber auch fiktive Autos wie der erste AI-Sprtwagen im Fernsehen „K.I.T.T“ erstellen.
(Bild: Nvidia)

Omniverse Enterprise nutzt den „Nvidia Omniverse Nucleus Server“, der eine von den Clients gemeinsam genutzte Datenbank verwaltet, und zugehörige Konnektoren, Plugins für bekannte Design-Anwendungen. Außerdem gehören zwei Endbenutzeranwendungen dazu: „Omniverse Create“ und „Omniverse View“.

Das Modul Create beschleunigt die Komposition von Szenen und ermöglicht es Anwendern, in Echtzeit interaktiv Szenen zusammenzustellen, zu beleuchten, zu simulieren und zu rendern. View hingegen erlaubt ein gemeinsames Erstellen und bearbeiten von Designs sowie die gemeinsam nutzbare Visualisierung von Architektur- und Ingenieurprojekten mit fotorealistischem Rendering.

Schließlich gehört zur Plattform die Software „RTX Virtual Workstation“ (vWS) des Herstellers. Sie gibt Teammitgliedern die Freiheit, ihre grafikintensiven 3D-Anwendungen von überall aus auszuführen.

Die ersten Anwender

Die Plattform ist für den professionellen Einsatz auf RTX Laptops und Desktops sowie auf „Nvidia-Certified Systems“ auf der „Nvidia EGX Plattform getestet und optimiert. Dies ermöglicht nach herstellerangaben den Einsatz des Tools in Unternehmen jeder Größenordnung, von kleinen Arbeitsgruppen mit lokalen Desktops und Laptops bis hin zu global verteilten Teams, die mit verschiedenen Geräten auf das Rechenzentrum zugreifen.

Omniverse Enterprise wurde bereits von einigen der weltweit anspruchsvollsten Designteams bei Unternehmen wie der BMW Group, Foster + Partners und WPP getestet. Insgesamt sind es mehr als 400 Unternehmen, die die Plattform in den vergangenen zwei Jahren evaluiert haben. Vor drei Monaten wurde eine offene Betaversion für Privatanwender gestartet, die bereits von fast 17.000 Anwendern heruntergeladen wurde.

Die BMW Group ist der erste Automobilhersteller, der mit „Nvidia Omniverse“ einen durchgängig digitalen Zwilling von einer kompletten Fabrik entwirft.
Die BMW Group ist der erste Automobilhersteller, der mit „Nvidia Omniverse“ einen durchgängig digitalen Zwilling von einer kompletten Fabrik entwirft.
(Bild: Nvidia)

Die BMW Group ist der erste Automobilhersteller, der mit Omniverse einen durchgängigen digitalen Zwilling einer ganzen Fabrik entworfen hat. Tausende von Planern, Produktingenieuren, Facility Managern und Lean-Experten innerhalb des globalen Netzwerks können in einer einzigen virtuellen Umgebung zusammenarbeiten, um die extrem komplexe Fertigungssysteme zu entwerfen, zu planen, zu konstruieren, zu simulieren und zu optimieren, bevor eine Fabrik tatsächlich gebaut oder ein neues Produkt integriert wird.

Milan Nedeljkovic, Mitglied des Vorstands der BMW AG, zuständig für die Produktion, erläutert: „Nvidia Omniverse und -AI geben uns die Möglichkeit, alle 31 Fabriken in unserem Produktionsnetzwerk zu simulieren. Alle Elemente des kompletten Fabrikmodells - einschließlich der Mitarbeiter, der Roboter, der Gebäude und der Montageteile - können virtuell erzeugt werde. Sie helfen, eine breite Palette von KI-fähigen Anwendungen wie die virtuelle Fabrikplanung, autonome Roboter, vorausschauende Wartung und Big Data Analytics zu unterstützen.“ Auch was das letztlich bringen soll, erläutert Nedeljkovic: „Diese neuen Innovationen werden die Planungszeiten verkürzen, die Flexibilität und Präzision verbessern und am Ende zu 30 Prozent effizienteren Planungsprozessen führen. Omniverse ist ein Game-Changer, der den Standard für Kollaborationsplattformen für unsere Branche setzt.“

Eine neue Ära

Jensen Huang, Gründer und CEO von Nvidia, führt aus, welchen Stellenwert er dieser Technik zumisst: „Alle paar Jahrzehnte konvergieren Technologien, um eine völlig neue Sache zu ermöglichen - Omniverse ist eine solche Erfindung. Wir können mit Omniverse gemeinsame virtuelle 3D-Welten erstellen und simulieren, die den Gesetzen der Physik gehorchen. Die unmittelbaren Anwendungsmöglichkeiten von Omniverse sind unglaublich, von der Vernetzung von Design-Teams für die Remote-Zusammenarbeit bis hin zur Simulation digitaler Zwillinge von Fabriken und Robotern. Das Science-Fiction-Metaverse ist nahe.“

Der Anwender WPP, die weltweit größte Organisation für Marketingdienstleistungen, nutzt die Plattform, um die Art und Weise, wie Werbe-Inhalte erstellt werden, neu zu erfinden, indem herkömmliche Produktionsmethoden vor Ort durch eine vollständig virtuelle Erstellung ersetzt werden. Beschleunigt hat das die Pandemie: Als Corona-Schutzmaßnahmen eingeführt wurden, sah sich das WPP-Team mit Einschränkungen für den Vorortdreh von Werbespots für Kunden konfrontiert. Sie entwarfen einen fotorealistischen virtuellen Wald und verändern ihn ohne fotografieren zu müssen.

Vom platten Reifen zum rasenden K.I.T.T

Ein besonderes Highlight der CTC21-Ankündigungen ist aber die Anwendung „GANverse3D“, die im Team des Nvidia AI Research Lab in Toronto entstanden ist. Die Deep-Learning-Engine verwandelt Standard-2D-Bilderin 3D-Objektmodelle. Ikonische Autos, wie das erste Auto mit Künstlicher Intelligenz „K.I.T.T“ (Knight Industries Two Thousand) aus der US-Science-Fiction-Fernsehserie „Knight Rider“ (1982 bis 1986 produziert), das dem Helden Michael Knight – gespielt von David Hasselhoff – oftmals das Leben rettet, lässt sich mithilfe der Anwendung selbst erneut zum Leben erwecken.

GANverse3D kann Architekten, Kreativen, Spiele-Entwicklern und Designern dabei helfen, neue Objekte zu ihren Mockups hinzuzufügen, ohne dass sie über Fachwissen in 3D-Modellierung verfügen oder ein großes Budget für Renderings ausgeben müssen. So kann ein einzelnes Foto, im Falle des Action-Helden ein 1982 entstandenes, das die Universal Television Enterprises, Inc. zur Verfügung gestellt hat, als 3-D-Modell in einer virtuellen Szene herumfahren – ausgestattet mit funktionsfähigen, realistischen Scheinwerfern, Rücklichtern und Blinkern.

Aus einem alten Foto entsetht mit der KI-Anwendung „GANverse3D“ ein 'funktionsfähiges' 3-D-Modell.
Aus einem alten Foto entsetht mit der KI-Anwendung „GANverse3D“ ein 'funktionsfähiges' 3-D-Modell.
(Bild: Nvidia/ Knight Rider ©1982 Universal Television Enterprises, Inc. Courtesy of Universal Studios Licensing LLC.)

Um einen Datensatz für das Training zu generieren, nutzten die Forscher ein generatives adversariales Netzwerk (GAN), um Bilder zu synthetisieren, die dasselbe Objekt aus verschiedenen Blickwinkeln zeigen - wie ein Fotograf, der um ein geparktes Fahrzeug herumgeht und es aus verschiedenen Winkeln fotografiert. Diese Multi-View-Bilder werden in ein Rendering-Framework für inverse Grafik eingefügt, ein Prozess der Ableitung von 3D-Gittermodellen aus 2D-Bildern.

Doch sobald GANverse3D mit Bildern verschiedener Ansichten trainiert ist, benötigt die Anwendung nur ein einziges 2D-Bild, um ein 3D-Gittermodell zu berechnen. Dieses Modell kann dann mit einem neuronalen 3D-Renderer verwendet werden, der Entwicklern die Möglichkeit gibt, Objekte anzupassen und Hintergründe auszutauschen.

Wenn also das Modell in die Omniverse-Plattform importiert und auf Rechner Nvidia RTX-GPUs ausgeführt wird, kann GANverse3D jedes 2D-Bild in 3D nachbilden - wie eben den Verbrechen bekämpfenden Sportwagen K.I.T.T aus den 80ern.

Bisherige Modelle für inverse Grafiken haben sich auf 3D-Formen als Trainingsdaten verlassen. Für die Anwendung haben die Forscher*innen ein GAN-Modell in einen sehr effizienten Datengenerator verwandelt. Das Team fand heraus, dass das Öffnen der ersten vier Schichten des neuronalen Netzwerks und das Einfrieren der restlichen zwölf Schichten dazu führte, dass das GAN Bilder desselben Objekts aus verschiedenen Blickwinkeln renderte.

Indem die ersten vier Schichten eingefroren und die anderen zwölf variabel gehalten werden, erzeugt das neuronale Netzwerk verschiedene Bilder vom gleichen Standpunkt aus. Durch die manuelle Zuweisung von standardisierten Ansichtspunkten, konnten die Forscher einen Multi-Ansichts-Datensatz aus einzelnen 2D-Bildern erzeugen. Das endgültige Modell, das auf 55.000 vom GAN generierten Fahrzeugbildern trainiert wurde, übertraf die Leistung eines inversen Grafiknetzwerks, das auf dem „Pascal3D“-Datensatz trainiert wurde.

Das Erstellen von 3-D-Modellen wird erschwinglicher und einfacher

Den Effekt beschreibt etwa Wenzheng Chen, und Hauptautor des Projekts: „Da wir auf realen Bildern trainiert haben, statt auf der typischen Pipeline, die auf synthetischen Daten beruht, lässt sich das KI-Modell besser in realen Anwendungen umsetzen.“

Mit der Einschränkung, dass genaue Berechnungen und Größenverhältnisse fehlen, können Gaming-Entwickler, Architekten und Designer die Anwendung nutzen, um neue Ideen zu testen und Prototypen zu visualisieren, bevor sie ihre endgültigen Produkte entwickeln. Denn nicht jeder Entwickler hat die Zeit und die Ressourcen, 3D-Modelle von jedem Objekt zu erstellen. Zudem können die Kosten für die Erfassung der Anzahl von Mehrfachansichten, die zum Rendern eines Autohauses oder einer Straße unerschwinglich sein.

Laut Ex-Polizist Michael Knight fühlt sich die Molekularversiegelung, die K.I.T.T nahezu unzerstörbar macht, an wie Baby-Haut. Mit GANverse3D ließ sich ein 3D-Texturnetz sowie verschiedene Teile des Fahrzeugs wie Räder und Scheinwerfer vorhersagen. Anschließend wurde die berechnete Textur mit dem Omniverse Kit und den „Nvidia PhysX“-Tools in hochwertige Materialien umgewandelt, die dem sprechenden Auto ein realistischeres Aussehen verleihen. Um die Illusion noch echter wirken zu lassen, haben die Forscher das intelligente Auto in einer dynamischen Fahrsequenz neben anderen Autos platziert.

Die Nvvidia Omniverse Enterprise-Software ist auf Abonnementbasis erhältlich und umfasst die Enterprise-Support-Services des Herstellers. Die Hersteller Asus, Boxx Technologies, Cisco, Dell Technologies, HP, Lenovo und Supermicro unterstützen die Softwarenutzung.

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