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1. Begriffsklärung, Definitionen
2. Verwendete Technologien
3. Ein Beispiel: das ARToolkit
4. Anwendungsfelder für VR & AR
5. Probleme und Gefahren
6. Quellenangabe und Einladung
1. Begriffsklärung, Definitionen
Virtual Reality (VR) ist ...
... eine rechnergestützte, synthetische
Umgebung, welche echtzeitfähig und
interaktiv ist und dem Betrachter eine Reihe
alternativer Sinneseindrücke mit einem
unterschiedlichem Grad der Immersion
vermittelt („immersive VR“, „fish-tank-VR“).
Das Reality-Virtuality Continuum (nach Paul Milgram)
Augmented Reality / Augmented Virtuality:
Häufig verwendete Synonyme:
„Virtual Environments“ (für VR)
„Enhanced Reality“ (für AR)
„Mixed Reality“ (für AR und AV)
Unterschiedliche Bezugspunkte in VE:
Das Centricity Continuum (nach P. Milgram)
Unterschiedliche Bezugspunkte in VE / MR:
Art der Perspektive (Kamerasicht):
•
Egozentrisch oder Exozentrisch
Arten von Augmented Reality:
•
Head-stabilized (immer gleiche Position im Sichtfeld)
•
Body-stabilized (Beispiel „virtueller Kompass“)
•
World-stabilized (perfekte Überblendung mit Realität)
2. Verwendete Technologien
Anzeigegeräte und Hilfsmittel:
Projektionswände, Virtual Table, CAVEs für 3D-Brillen
3D-Brillen (anaglyphisch, passive Brillen für lineare oder
zirkuläre Polarisation, aktive „Shutter“-Brillen, ...)
Autostereoskopische Projektionsgeräte (ohne Brillen)
HMDs (mit CRT oder LCD, mit video see-through oder
optical see-through)
Retina-Displays (Informationen direkt auf die Netzhaut)
...
Anzeigegeräte und Hilfsmittel (Beispiele):
Verschiedene Bauformen von Head Mounted Displays:
Unterschied zwischen video und optical see-through:
Blick aus einem HMD
(optical see-through)
Blick aus einem HMD
(video see-through)
Projektionswänden für
passive Brillen (Prinzip):
Projektionswänden für
Shutter-Brillen (Prinzip):
Polarisation des Lichtes
(linear / zirkulär)
Beispiele für eine
Shutterbrille
Beispiel für eine
Projektionswand:
(Quellen: Firmen BARCO, FakeSpace, digital Image, weitere)
Prinzipieller Aufbau
einer CAVE-Architektur
(hier eine „DAVE“)
CAVE mit 6 Wänden
(Quellen: Firmen BARCO, FakeSpace, digital Image)
Retina Display
von
MicroVision
Tracking-Systeme (für Positionsbestimmung):
Bestehen aus einem
oder mehreren Sendern,
einem oder mehreren
Empfängern und einer
Verarbeitungsanlage:
Klassifikation anhand der Anzahl der Freiheitsgrade (DOF degrees of freedom), der Aktualisierung (in Hz), der
Genauigkeit (abhängig von der Entfernung und Technologie)
und der Art der verwendeten Technologie (nächste Seite)
Arten von Tracking-Systemen:
Mechanisches Tracking (Fa. FakeSpace)
Magnetisches Tracking (Polhemus, Ascension Technologies)
Optisches Tracking (mittels Markern und Kameras)
Ultraschall (Fa. Science Accessoires)
Trägheitsnavigation (mit Gyroskop und Accelerometer)
GPS und differential corrected GPS (für Außen-Einsatz)
...
Mittel zur Interaktion:
Datenhandschuhe mit Tracking
Spezielle 3D-Mäuse u.ä.
Gestenerkennung
Spracherkennung
weitere ...
„CyberGrasp“ von
Virtual Technologies
„Cubic Mouse“
Haptische Interfaces und Force Feedback:
„Dextrous Handmaster“
(Firma Exos)
Projekt „Feel-through“
(von Hiroo Iwata, Universität Tsukuba, Japan)
3. Ein Beispiel: das ARToolkit
Entstehung und Hintergrund:
Entwickelt am HITL (Human Interface Technology Laboratory,
University of Washington), in Zusammenarbeit mit anderen
Institutionen, im Rahmen des „Shared Space“ Projektes.
Hauptentwickler: Hirokazu Kato (Hiroshima City University),
Mark Billinghurst (HITL, University of Washington).
Das ARToolkit bietet einen modernen Ansatz, der Computer
Vision Techniken und AR Techniken kombiniert, um damit die
Programmierung von AR Applikationen zu ermöglichen.
Vorteile:
Funktioniert mit Standard-Hardware (WebCam und Monitor)
ebenso wie mit spezieller VR Hardware (muss von Microsoft
Vision SDK bzw. Vision 4 Linux unterstützt werden). Verfügbar
für verschiedene Plattformen und Betriebssysteme.
Frei verfügbar als OpenSource, mit Dokumentation und
Beispiel-Programmen, sowie Applikationen zur Kalibrierung
von 3D-Hardware.
Nachteile:
Gebunden an optische Marker, die sichtbar sein müssen.
Prinzipielle Funktionsweise:
(die Programmierung wird ausführlich beschrieben in einem
Manual, das auf den Seiten des HITL zur Verfügung steht.)
Bilder (Einsatz von ARToolkit-Programmen):
und nun noch ein kleiner Film von folgender Internet-Seite:
http://mixedreality.nus.edu.sg/research-LIVE-videos.htm
4. Anwendungsfelder für VR & AR
- Flugsimulatoren, Schiffssimulatoren (z.B. Warnemünde)
- Medizin allgemein ("Röntgen-Blick", für OP / Ausbildung)
- Psychotherapie (VR für "exposure therapy")
- Schmerztherapie (VR für "patient distraction")
- CSCW (VR oder mixed reality umgebung)
- Telexistence / Telepresence (Roboter fernsteuern)
- Visualisierung, Planung (Autobau, Architektur, Bautechnik)
- 3D-Präsentation, Werbung, Sponsoren-Suche
- immersive Computerspiele / Unterhaltungsmedien
- Militär (virtuelles Training, taktische Informationen)
VR in der Schmerztherapie und Psychotherapie:
CSCW (computer supported collaborative work)
Mögliche Vorteile durch AR:
• virtuelle Objekte können diskutiert und ausgetauscht werden
• reale Objekte können im MR Szenario einbezogen werden
• natürliche Kommunikation (mit „cocktail-party“ Effekt)
Spiel „AiR AR hockey“ (kurz: AR² hockey)
ehem. Projekt des Mixed Reality Systems Laboratory (Japan)
5. Probleme und Gefahren
Technische Probleme:
Problem: Es wird eine große Rechenkapazität benötigt.
Früher wurden bevorzugt Silicon Graphics Interface
Workstations eingesetzt (z.B. die berühmte „Onyx“-Serie).
Gegenmittel: für Präsentationen: vorgerenderte Szenen,
Umgebung mit niedriger Komplexität (und Immersion) nutzen
Problem: Die Auflösung von HMDs ist relativ gering, die
Bildwiederholrate ebenfalls, das Sichtfeld ist eingeschränkt
es gibt Latenzzeiten. Gegenmittel: noch keine
Problem: Tracking-Systeme haben Beschränkungen für
Einsatz-Umgebung und Genauigkeit. Gegenmittel: neue
Algorithmen für Kalibrierung, Umgebung berücksichtigen
Physiologische Probleme:
Stereoskopisches Sehen muss einwandfrei funktionieren.
Kinder müssen erst Orientierung in der realen Welt lernen,
Patienten mit Augenkrankheiten sind ausgeschlossen von VE
„Simulator-Sickness“ durch Latenzzeit und Auflösung der
Displays, sowie andere irritierende Einflüsse auf das
menschliche Wahrnehmungssystem
Soziale Probleme und potentielle Gefahren:
Soziale Abgrenzung (Realitätsflucht, Kontaktarmut)
Realitätsverlust (geänderter Umgang mit realen Personen
und Objekten, eventuell Schizophrenie-ähnliche Störungen)
6. Quellenangabe und Einladung
Yuichi Ohta, Hideyuki Tamura: "Mixed Reality - Merging Real
and Virtual Worlds", Ohmsha / Springer, 1999.
Internet:
http://www.scipro.de/studium/vrar/latex2html/vr-ar.html
http://www.stereo3d.com
http://www.hitl.washington.edu
(von dort verlinkte Seiten wurden ebenfalls einbezogen)