Hologramme in Bewegung

Ein halbes Meter langes Protein schwebt in der Luft, mehrere Zentimeter vor einem Monitor. Es sieht aus wie ein überdimensionales gekräuseltes Band aus einem Geburtstagspaket. Während drei Molekularbiologen um das Bild herummanövrieren und das komplexe Molekül aus verschiedenen Blickwinkeln untersuchen, beginnt es sich zu falten, sich langsam zu verdrehen und zu einem verhedderten Knoten zu verbinden. Seine Form ist ein Hinweis auf seine Funktion im menschlichen Körper: Manche Proteine ​​lösen chemische Reaktionen aus oder verhalten sich wie eine Art Gerüst für Zellen, andere helfen bei der Zellteilung. Die Entwicklung eines Medikaments, das die Wirkung eines Proteins anregt oder blockiert, beispielsweise die Teilung von Krebszellen verhindert, könnte zu wirksameren Behandlungen führen. Einer der Forscher benutzt einen Stift, um das Protein an mehreren Stellen zu berühren. Während sie dies tut, faltet sich das Protein neu und offenbart eine Stelle, die mit einem Medikament angegriffen werden könnte, um die Funktion des Proteins zu hemmen.

Diese Art der interaktiven Wissenschaft ist auf dem Weg und wird durch eine neue Generation von 3-D-Videodisplays ermöglicht. Die Technologie macht sich die Macht von Hologrammen – oder vernünftigen Faksimiles davon – zunutze, um verblüffend realistische Bilder zu liefern, die aus dem Bildschirm zu erscheinen scheinen. Stellen Sie sich die 3D-Szenen vor, die von dem ehrwürdigen View-Master-Spielzeug produziert wurden, das auf dem Reality-Zifferblatt auf 11 hochgedreht wurde. Für die neuen 3D-Videobilder sind jedoch keine speziellen Anzeigegeräte erforderlich. Benutzer müssen keine Kopfbedeckungen oder Brillen aufsetzen, die ablenken und die Augen ermüden können, wie dies bei aktuellen sogenannten 3D-Displays der Fall ist.

Warum kein 40-MPG-SUV?

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom November 2002



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Nein. Dreidimensionale holografische Videobilder werden von einem Computer erzeugt und nicht in einem statischen Medium fixiert; sie werden in Full-Motion-Farbe angezeigt und mit der Eingabe eines Benutzers im Handumdrehen geändert. Darüber hinaus können Betrachter, die sich durch ein holografisches Videobild bewegen, sehen, wie es sich von allen Seiten bewegt – ein Phänomen, das für den Realismus wichtig ist und das viele herkömmliche brillenbasierte Systeme nicht reproduzieren können.

Der Mainstream von Ärzten, Wissenschaftlern, Forschern und Entwicklern neuer Produkte, die sich bereits auf High-End-Computerdisplays verlassen, um ihre Arbeit zu visualisieren, wird bei dieser neuen Technologie dramatische Unterschiede feststellen. Derzeit wird ihre Arbeit durch die flachen, zweidimensionalen Bilder herkömmlicher Displays eingeschränkt. So geschickt die Bildschirme auch gekleidet sind, sie können nicht alle Nuancen, Feinheiten und Unmittelbarkeit realer Objekte in der 3D-Welt vermitteln. Da die neuen Videohologramme in der Nähe des Bildschirms im Raum schwebende vollständige 3D-Bilder erzeugen, können sie von mehreren Betrachtern aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet werden. Geophysiker, die hochauflösende Bilder von Gesteinsformationen untersuchen, werden in der Lage sein, die Lage versteckter Ölvorkommen mit größerer Genauigkeit vorherzusagen. Industriedesigner können die Karosserie eines Sportwagens mit der Spitze eines Eingabestifts modifizieren und sofort die Auswirkungen der Änderung auf das Gesamtdesign feststellen. Militärkommandanten werden in der Lage sein, das beste Schlachtfeldszenario zu visualisieren. Chirurgen werden besser in der Lage sein, den sichersten Ansatz zur Entfernung eines Hirntumors zu bestimmen, ohne jemals ein Messer zu schwingen. Irgendwann werden wir uns fragen, wie wir früher mit 2D-Bildern zurechtgekommen sind, sagt Stephen Benton, Leiter der Spatial Imaging Group am MIT Media Lab.

Die Gruppe ist eines von zwei bahnbrechenden Forschungsteams, die an der Spitze stehen, um die neue Generation von 3D-Displays zu perfektionieren und zu kommerzialisieren. Benton, ein renommiertes Gründungsmitglied des Labors, ist der Erfinder der holografischen Regenbogenbilder, die auf vielen Kreditkarten und Zeitschriftencovern erscheinen. Das andere Team am Media Research Lab der New York University arbeitet an einer kostengünstigeren Version namens 3-D-Autostereo-Display, die in den nächsten Jahren zu einem kommerziellen Produkt werden könnte. Die NYU-Bemühungen werden von Ken Perlin geleitet, einer Multimedia-Legende, die 1996 einen Technical Achievement Award der Academy of Motion Picture Arts and Sciences für seine Entwicklung einer Ton- und Texturtechnik gewann, die heute in Filmen weit verbreitet ist.

Die beiden Medienlabore führen die Suche an, aber sie sind nicht allein bei ihrer Verfolgung. Im Dezember 2000 gründeten Ford Motor und QinetiQ mit Sitz in London Holographic Imaging, ein Forschungs- und Entwicklungsunternehmen in Royal Oak, MI, um interaktive Imaging-Workstations für Autodesigner zu entwickeln. Und auch mehrere japanische Gruppen haben sich in den Kampf eingemischt, darunter Teams von Sony, NHK Laboratories und der Nihon University. Vor zwölf Jahren dachten alle, das sei völlig unmöglich, sagt Benton. Jetzt gibt es echte Konkurrenz.

Die ersten durch diese Bemühungen hervorgebrachten Systeme werden wahrscheinlich spezialisierte Anwendungen in Bereichen wie der chirurgischen Planung und dem Automobildesign sein. Aber Versionen, die billig genug sind, um als Home-Entertainment-Anwendungen zu dienen, sollten schnell folgen - schließlich würden Millionen von Videospielspielern ihre linken Controlpad-Daumen geben, um in eine vollständige 3-D-Version von Marios Welt zu treten - vielleicht für immer, die die beiden überflüssig macht- dimensionale Ansichten, auf die die meisten Bildschirme beschränkt sind. Kurz gesagt, fasst Ken Perlin von der NYU zusammen: Alle Gründe, sich mit der Kunstfertigkeit der Flachheit abzufinden, werden verschwinden.

Kristallklares holografisches Video

Viele Forschungsteams arbeiten an der Innovation holografischer Videos, aber Bentons Spatial Imaging Group am MIT ist seit langem führend auf diesem Gebiet. Hier beschäftigen sich verschiedene Studierende und Mitarbeiter sozusagen seit 13 Jahren mit der Problematik aus allen Blickwinkeln. In den letzten Jahren waren die Hauptsponsoren der Forschung die US Navy, die davon überzeugt ist, dass ihre Entscheidungsträger in Kriegszeiten von einer 3-D-Darstellung einer Schlachtlandschaft profitieren würden, und Honda, die hofft, dass ihre Autodesigner in der Lage sein werden, produzieren zu können 3D-Bilder von vorgeschlagenen neuen Modellen schnell. Als wir uns zum ersten Mal an Honda wandten, stellten wir erstaunt fest, dass sie bereits an Holografie gedacht hatten, sagt Benton.

Die Bemühungen des MIT haben sich von Anfang an auf echtes holografisches Video konzentriert, das nicht nur das Versprechen von 3D-Videobildern höchster Qualität verspricht, sondern auch die größten technischen Herausforderungen bietet. Im Zentrum stehen die grundlegenden Schritte zur Erstellung eines Standardhologramms: Ein Laserstrahl wird in zwei Teile geteilt. Eine Hälfte ist auf ein Objekt gerichtet – sagen wir, einen Apfel. Das Vorhandensein des Apfels verzerrt das Muster der Lichtwellen im Strahl und moduliert es. Dieser Strahl wird dann dazu gebracht, sich mit seiner anderen Hälfte im lichtempfindlichen Material zu kreuzen. Wenn sich die beiden Strahlen überlappen, interferieren ihre unterschiedlichen Lichtwellenmuster miteinander, wodurch ein Beugungsmuster aus mikroskopischen Linien auf das lichtempfindliche Material geätzt wird. Das Beugungsmuster funktioniert wie eine komplizierte Linse. Wenn ein Laserstrahl es beleuchtet, reflektieren die mikroskopischen Linien das Licht so, dass ein

3-D-Bild des Apfels.

Anstelle von Licht und Spiegeln verwenden Benton und sein Team speziell entwickelte Computeralgorithmen. Die Algorithmen berechnen die Arten von mikroskopischen Linien, die für ein bestimmtes Hologramm erforderlich sind, wandeln sie in Schallwellen um und senden die Wellen dann in einen Stapel von Telluroxid-Kristallen, die die einzigartige Eigenschaft haben, sich vorübergehend zu verzerren, wenn Schallwellen sie passieren. Diese Verzerrung bildet die mikroskopischen Linien des Beugungsmusters, aus denen ein Hologramm besteht. Ein Laserstrahl, der dieses Muster durchquert, überträgt das Bild von den Kristallen auf einen Bildschirm ( siehe das holografische Video Mark II des MIT, unten).


Illustration von Slim Films

Das Mark II Holographic Video Display von MIT erzeugt überraschend ansprechende und lebensechte 3D-Bilder. In einer Demo scheint ein von Honda entworfener roter Sportwagen-Prototyp sofort hell im Miniaturformat etwa einen halben Meter vor dem Betrachter zu schweben, alle anmutigen Linien des Autos sind aus verschiedenen Blickwinkeln perfekt erkennbar. Vielleicht liegt es zum Teil an der Neuheit des Erlebnisses, aber das leichte Flimmern und die schimmernden Bildbalken lenken die Aufmerksamkeit kaum vom intensiven Realismus des Effekts ab.

Die Benton-Gruppe verbessert ständig drei Kernbereiche: Hardware und Software für die Anzeige, Realismus und Bildqualität sowie Interaktivität. Wendy Plesniak, Forscherin und Beraterin im Media Lab, die als Studentin bei der Entwicklung von Rechenalgorithmen für das holografische Videogerät mitgewirkt hat, fügte eine Funktion hinzu, die letztendlich zur Traummaschine eines Industriedesigners führen könnte: eine haptische oder Force-Feedback-Schnittstelle, die es ermöglicht, Gestalten Sie das projizierte Bild mit einem echten Handwerkzeug. Wenn der Benutzer mit einem Stift stößt, stößt und schnitzt, ändert sich das holografische Bild, als wäre es Ton auf einer Töpferscheibe, und der Benutzer spürt Widerstand, als würde er den Ton wirklich bearbeiten.

Plesniak sagt, dass der Grad an Sensation und Kontrolle, der durch die Kombination einer haptischen Schnittstelle mit Holografie erreicht wird, einen vollständigen Weg in das digitale Prototyping ebnen würde. In einer Demonstration verwendet sie den Stift, um ein rotes trommelförmiges Objekt zu schnitzen, als ob es sich auf einer Drehbank drehen würde; in einem anderen wird ein blattartiges Bild beim Anstoßen mit Grübchen versehen. Im Allgemeinen ist das vom System erzeugte Bild brillant, wirkt lebensecht und sieht für die ganze Welt so aus, als würde es direkt vor dem Benutzer im Raum schweben. Bei den meisten 3D-Systemen dauert es eine Weile, bis der 3D-Effekt einsetzt, und man bekommt nie so viel Tiefe, wie es die Mathematik vorschreibt, sagt Benton. Aber Sie haben diese Probleme nicht mit Hologrammen.

Das System hat jedoch noch einen gewissen Weg vor sich, bevor es wahrscheinlich kommerzialisiert wird. Das größte Problem besteht darin, dass für die Erstellung eines Videohologramms enorme Datenmengen verarbeitet werden müssen. Das mag nicht überraschen, da ein Hologramm nicht nur eine einzelne Ansicht eines Bildes bietet, sondern alle Ansichten aus einer beliebigen Anzahl von Blickwinkeln. Dennoch kann das Beugungsmuster von nur einem hochauflösenden Hologramm leicht mehr als ein Terabyte an Daten verbrauchen – genug, um 1.600 CDs zu füllen. Ein mäßig flimmerfreies holografisches Video würde mindestens 20 solcher Hologramme pro Sekunde benötigen. Um 20 Terabyte an Informationen pro Sekunde zu verarbeiten, wäre natürlich außerirdische Technologie erforderlich: Die schnellsten PCs von heute arbeiten mit einem Hunderttausendstel dieser Geschwindigkeit. Daher nimmt der Mark II bei der Bildqualität einige Kompromisse in Kauf, um den Rechenbedarf auf überschaubare 16 Megabyte pro Sekunde zu reduzieren. Das System verwendet eine einzige Farbe, macht nur 10,16 x 12,7 Zentimeter große Bilder und erzeugt eine flackernde Bildaktualisierungsrate von etwa sieben Bildern pro Sekunde. Da dem Bild außerdem die Informationen entzogen sind, die für die Ansicht eines Beobachters von oben oder unten erforderlich sind, ändert sich das Bild nur, wenn sich der Beobachter von einer Seite zur anderen bewegt. Es ist erstaunlich, wie wenige Leute bemerken, dass sich nichts ändert, wenn man darüber oder darunter schaut, sagt Benton.

Ein in Arbeit befindliches Hardware-Remake soll das System der Kommerzialisierung deutlich näher bringen. Zu den Zielen der Überarbeitung gehört der Wechsel zu einer Parallel-Mikroprozessor-Anordnung, die die hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten erreichen kann, die erforderlich sind, um eine größere Bildgröße, eine höhere Auflösung und eine schnellere Bildrate zu erreichen.

Darüber hinaus hofft die Gruppe, den Sprung zu einem ultrahochauflösenden Bildschirm auf Basis mikroelektromechanischer Systeme zu schaffen. Diese Technologie würde Tausende von winzigen Spiegeln und Laserstrahlen verwenden, von denen jeder ein Pixel eines ganzen Beugungsmusters erzeugt. Es wird nicht erwartet, dass solche Displays für mindestens ein paar Jahre existieren, aber Benton merkt an, dass seine Gruppe sowieso nicht vorhat, dass ihre Arbeit in mindestens weiteren vier Jahren kommerzielle Früchte trägt. Holografie sei schwer, sagt er seufzend. Deshalb ist es eines der umfangreichsten Projekte im Media Lab.

Pseudoholographie

Unterdessen setzt Perlins Gruppe im Center for Advanced Technology der NYU, dem anderen frühen Marktführer im Rennen um die Produktion dieser neuen 3D-Welle, eine nichtholografische Technik ein, die dynamische, winkelangepasste Bilder liefern kann, die wie die von holografischen Systemen erzeugten aussehen . Außerdem werden die Bilder nicht durch den Einsatz von komplex modifiziertem Laserlicht gezaubert. Stattdessen werden sie auf einem relativ gewöhnlichen Monitor angezeigt, ein Ansatz, den Perlin als holografische Schnittstelle bezeichnet. Die Gruppe erreicht dies, indem sie sich die Tatsache zunutze macht, dass der größte Teil der enormen und kostspieligen Verarbeitungs- und Anzeigeleistung, die für die Produktion holografischer Videos erforderlich ist, letztendlich verschwendet wird: Ein Hologramm liefert mehr Bilder als die, die dem Betrachter ins Auge fallen; Es liefert auch blendende, winkelangepasste Bilder an den vielen Tausend Orten, an denen es keine Augäpfel gibt, um sie zu schätzen. Jedes dieser unterschiedlichen, nicht wahrgenommenen Bilder muss berechnet, übertragen und angezeigt werden, da es keine praktische Möglichkeit gibt, die holografische Abdeckung auf die spezifischen Blickwinkel eines Beobachters zu beschränken. Es ist, als würde man mit einem Elefantengewehr eine Fliege erschießen, sagt Perlin. Sein System zeigt daher Bilder an, die auf die genaue Position des Betrachters zugeschnitten sind.

Obwohl die NY3D-Technologie der NYU keine Holographie einsetzt, bietet sie einem Betrachter das gleiche Seherlebnis wie ein holographisches System: Der Mechanismus ist stereoskopisch und liefert dem linken und rechten Auge unterschiedliche Bilder, und die Bilder ändern sich mit dem Blickwinkel. Und natürlich wird keine Brille benötigt.

Um hologrammähnliche Bilder von einem einfachen Bildschirm zu entlocken, sind zwei Tricks erforderlich. Das erste ist ein transparentes Flüssigkristalldisplay (LCD), das die Ansicht des auf einem Monitor angezeigten Bildes verändert. Das Display sitzt einen halben Meter vor dem Monitor. Darauf blitzen etwa drei Zentimeter breite schwarze Streifen auf und ab, die vertikale Bildstreifen – sagen wir eine Kugel – auf dem dahinter liegenden Monitor blockieren. Der Effekt ist für den Betrachter nicht offensichtlich, denn die Streifen verschieben sich 180-mal pro Sekunde. Die Geschwindigkeit ist für das Gehirn des Betrachters zu hoch, um die Position jedes Streifens zu registrieren, und gibt dem Monitor gleichzeitig die Möglichkeit, die fehlenden Schwaden für jedes Auge auszufüllen. Das Ergebnis ist, dass jedes Auge durch die Lücken in den Verschlussstreifen ein etwas anderes Bild sieht – was ein stereoskopisches Tiefengefühl erzeugt (NYU3D-System der NYU, diese Seite). All dies funktioniert einwandfrei – solange sich die Augäpfel des Betrachters genau dort befinden, wo das System sie erwartet, und jedes Auge mit den entsprechenden Bildstreifen auf dem Monitor ausgerichtet ist. Um dies zu gewährleisten, bedient sich das System von Perlin einem zweiten Trick, indem es die Augen des Betrachters mit zwei kleinen Kameras, die über dem Monitor montiert sind, aktiv verfolgt. Darüber hinaus sorgt ein Satz infraroter Leuchtdioden (LEDs) neben den Kameras für einen unauffälligen Rotaugeneffekt, der lange Zeit Hobbyfotografen heimgesucht hat. Die Kameras können die hellen Pupillen des Betrachters leicht isolieren, sodass er die Augen verfolgen und die Position der sich verschiebenden Streifen so anpassen kann, dass sie das Bild immer so blockieren, dass der stereoskopische Effekt erhalten bleibt.

Natürlich kommt der Realismus eines Hologramms nicht nur von seinen stereoskopischen Eigenschaften; Holografische Bilder können aus allen Blickwinkeln betrachtet werden, während sich der Kopf des Betrachters um sie herum bewegt. Dank seiner Fähigkeit zur Augenortung kann das NYU-System die Kopfbewegung leicht verfolgen und die Bilder auf dem Monitor nach Bedarf fast sofort ändern. Und tatsächlich bestätigt eine Systemdemo, die einen rotierenden Skelettfuß zeigt, nicht nur, dass sie ein klares, vollständiges 3D-Bild liefert, sondern auch, dass eine Person das Bild aus verschiedenen Blickwinkeln - auch von oben oder unten - beurteilen kann. (Die Gruppe arbeitet auch an einem System, das mehreren Beobachtern gleichzeitig 3D-Ansichten bietet, beispielsweise einem Team von Chirurgen, das über den besten Ansatz für ein schwieriges Verfahren debattiert, oder einer Gruppe von Videospielspielern, die auf einem gemeinsamen Monitor konkurrieren.) Das Ergebnis sei so realistisch, sagt Joel Kollin, Forscher am Center for Advanced Technology, dass eventuelle Käufer des Displays es vielleicht einfach an die Wand hängen möchten, wo es Bilder präsentieren würde – sagen wir, ein Fidschi-Strand oder ein Pariser Boulevard – die sich tatsächlich in Bezug auf den Blickwinkel des Betrachters ändern. Es wäre, als würde man aus dem Fenster schauen, sagt er. Als Student des MIT Media Lab Ende der 1980er Jahre war Kollin maßgeblich für den Bau des ersten holografischen Videosystems dieser Gruppe verantwortlich.

Angesichts des in letzter Zeit zunehmenden Wettbewerbs durch Konzerne von Sony, Ford und anderen Unternehmen könnte ein solches System durchaus erschwinglich genug sein, um in den nächsten Jahren einige elementare Anwendungen zu ermöglichen ( siehe Unternehmen, die in drei Dimensionen arbeiten, unten ). Da dieses System nur die Ansichten berechnen und anzeigen muss, die durch die Position des Betrachters zu einem bestimmten Zeitpunkt signalisiert werden, benötigt es nur die Leistungsfähigkeit eines gewöhnlichen PCs. Der LCD-Bildschirm, die Eye-Tracking-LEDs, ein hochwertiger Monitor und die Software sollten nicht viel zum Gesamtpreis beitragen. Perlin prognostiziert, dass frühe Produktionsversionen für spezialisierte Märkte wie die chirurgische Planung innerhalb von drei Jahren auf den Markt kommen und einen Preis in der Nähe von 5.000 US-Dollar haben werden, während die ersten vollständig holografischen Systeme wahrscheinlich Zehntausende von US-Dollar kosten werden. Noch besser, sagt Perlin: Einige Jahre nach dem Erscheinen der ersten Systeme werden Massenversionen des Schaufensterdisplays wahrscheinlich nur wenige hundert Dollar mehr als ein gewöhnlicher Monitor kosten und damit für den durchschnittlichen Haushalt Realität werden. Perlin, der ein Unternehmen ausgegliedert hat, um die Technologie zu kommerzialisieren, sagt, dass das Unternehmen NY3D bereits mit mehreren großen Unternehmen, darunter Philips und IBM, in Gesprächen ist, die daran interessiert sind, die Rechte zur Herstellung des Displays zu erwerben.

Aber während der pseudoholographische Ansatz von Perlin einen enormen Kostenvorteil und, zumindest vorerst, gewisse Leistungsvorteile gegenüber echten holographischen Systemen hat, hat er auch einige Nachteile. Das System hat gelegentlich Probleme, die leuchtenden Augen des Betrachters zu erfassen, und schnelle Kopfbewegungen können es verwirren, wodurch der Benutzer einen vorübergehenden Verlust des 3D-Effekts erfährt. Darüber hinaus bleibt sein Bild, das einer Reihe von leicht ablenkenden Artefakten ausgesetzt ist, darunter vertikale Balken, Wackeln und Geisterbilder, etwas hinter dem scharfen Realismus eines echten holografischen Bildes zurück. Ein Großteil dieser Lücke wird verringert, wenn das System vom Rohprototyp zu einer kommerziellen Version übergeht, aber selbst Perlin gibt zu, dass ein echtes holografisches System eine Herausforderung für die Bildqualität darstellen würde. Wir werden sicherlich kommerzielle holografische Displays haben, aber es könnte 20 oder 30 Jahre dauern, sagt er.

Die Angst, dass der holografische Weg bis zur Perfektion ein Jahrzehnt oder länger dauern könnte, erklärt, warum sogar das MIT Media Lab seine Grundlagen abdeckt: Es entwickelt ein nichtholografisches System, das ähnlich wie das an der NYU funktioniert. Benton seinerseits räumt ein, dass der wahre Wert echten holografischen Videos zumindest in naher Zukunft darin liegen könnte, einen realistischen Standard für pseudoholografische Systeme zu setzen.

Bis dieser Standard festgelegt ist, werden beide Teams weiter voranschreiten. Perlin seinerseits hat damit begonnen, das zu erforschen, was allgemein als das Nonplusultra in Full-Motion 3-D angesehen wird: ein System, das Hologramme in die Luft projiziert – entlang der Linien von R2-D2s Projektion von Prinzessin Leia in den Anfangsminuten des Originals Krieg der Sterne Film. Perlin glaubt, dass ultrahochfrequente Schallwellen verwendet werden könnten, um Luft dazu zu bringen, Licht genug zu biegen, um solche Hologramme zu bilden. Seine Studenten haben bereits mit Proof-of-Concept-Experimenten begonnen, aber er räumt ein, dass ein funktionierendes System wahrscheinlich Jahrzehnte entfernt ist und lächerlich teuer sein könnte.

Inzwischen besteht Grund zur Hoffnung, dass pseudoholographische 3-D-Systeme so günstig und effektiv werden, dass sie noch in diesem Jahrzehnt in vielen Haushalten landen könnten. Dann haben wir alle den Luxus, uns darüber Gedanken zu machen, ob an ihnen etwas Sehenswertes zu sehen ist. Das große Problem beim Fernsehen ist nicht, dass es flach ist, sagt Benton. Es ist, dass sie abgesagt haben Zwillingsgipfel nach zwei Saisons.

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