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2019 | Buch

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Virtual und Augmented Reality (VR/AR)

Grundlagen und Methoden der Virtuellen und Augmentierten Realität

herausgegeben von: Prof. Dr. Ralf Dörner, Prof. Dr. Wolfgang Broll, Prof. Dr. Paul Grimm, Prof. Dr. Bernhard Jung

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Dieses Buch vermittelt Ihnen einen Eindruck von der Virtuellen und Augmentierten Realität

Die aktualisierte und erweiterte Zweitauflage dieses umfassenden Buchs über Technologie der Virtuellen und Augmentierten Realität bietet Studierenden, Lehrenden, Forschenden, Anwendern und Interessierten einen wissenschaftlich fundierten und gleichzeitig praxisnahen Einstieg in die Grundlagen und Methoden von VR/AR. Der Leser erhält das theoretische Fundament, um:

· selbst VR/AR-Systeme zu realisieren oder zu erweitern

· User Interfaces und Anwendungen mit Methoden der VR/AR zu beurteilen und zu verbessern

· ein vertieftes Verständnis für die Nutzung von VR/AR zu entwickeln

Hilfreiche Begleitlektüre für Studierende

Studierenden dient dieses Lehrbuch als eine anschauliche Begleit- und Nachschlaglektüre zu Lehrveranstaltungen, die Virtual Reality / Augmented Reality (VR/AR) thematisieren, wie etwa in Medienwissenschaften und Informatik oder Natur- und Ingenieurwissenschaften. Der modulare Aufbau gestattet es, sowohl die Reihenfolge der Themen den Anforderungen der jeweiligen Unterrichtseinheit anzupassen als auch eine spezifische Auswahl für ein individuelles Selbststudium zu treffen.

Potenzielle Anwender in Forschung und Industrie erhalten mit diesem Buch einen wertvollen Einblick in die faszinierenden Welten von VR/AR sowie ihre Möglichkeiten und Grenzen.

Autoren behandeln vielfältige Inhalte Das Gebiet der Virtual und Augmented Reality ist sehr umfangreich. Neben einer kurzen Einführung behandeln die Autoren unter anderem die folgenden Inhalte:

· Wahrnehmungsaspekte von VR

· Virtuelle Welten und Computer Graphics

· VR/AR-Eingabegeräte und Tracking

· VR/AR-Ausgabegeräte

· Interaktionen in Virtuellen Welten

· Echtzeitaspekte von VR-Systemen

· Augmentierte Realität

· Fallbeispiele für VR/AR

· Authoring von VR/AR-Anwendungen

· Mathematische Grundlagen von VR/AR

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung in Virtual und Augmented Reality

Zusammenfassung

Was ist Virtuelle Realität (VR)? Was versteht man unter Augmentierter Realität (AR)? Wozu dienen VR/AR? Welche Grundkonzepte gibt es? Wie sind VR/AR – Systeme aufgebaut? Wie hat sich VR/AR geschichtlich entwickelt? Diesen Fragen geht das erste Kapitel nach und vermittelt so eine Einführung in das vorliegende Lehrbuch. Das Kapitel ist grundlegend für das gesamte Buch. Auf ihm bauen alle Folgekapitel auf, während alle weiteren Kapitel nicht direkt voneinander abhängen und deswegen in einer Auswahl und Reihenfolge durchgearbeitet werden können, die den individuellen Interessen und Bedürfnissen der Leser Rechnung trägt. Entsprechende Hinweise, wie dieses Buch effizient von verschiedenen Zielgruppen (Studierende, Lehrende, Anwender, Technologieaffine) genutzt werden kann, finden sich am Ende des Kapitels ebenso wie eine Zusammenfassung, Fragen zur Überprüfung des Gelernten, Empfehlungen für weiterführende Literatur sowie die im Kapitel verwendeten Referenzen.

Ralf Dörner, Wolfgang Broll, Bernhard Jung, Paul Grimm, Martin Göbel

Kapitel 2. Wahrnehmungsaspekte von VR

Zusammenfassung

Ein wesentliches Potential von VR als Mensch-Maschine-Schnittstelle liegt in der Möglichkeit, dem Nutzer die Illusion der Anwesenheit in der dargestellten Virtuellen Welt zu suggerieren. Ob und wie gut dies gelingt, ist nicht nur ein technisches Problem, sondern beruht auch auf Prozessen der menschlichen Wahrnehmung zur Interpretation der dargebotenen Sinnesreize. Zum besseren Verständnis der damit verbundenen Fragestellungen werden in diesem Kapitel grundlegende Kenntnisse aus dem Bereich der menschlichen Informationsverarbeitung behandelt. Von besonderem Interesse in einer Virtuellen Umgebung sind die Raumwahrnehmung und die Wahrnehmung von Bewegung, auf die spezifisch eingegangen wird. Basierend auf diesen Grundlagen werden VR-typische Phänomene und Probleme diskutiert, wie z. B. das Sehen von Doppelbildern oder Cybersickness. Dabei kann jeweils das Wissen um menschliche Wahrnehmungsprozesse sowohl zur Erklärung dieser Phänomene wie auch zur Ableitung von Lösungsstrategien genutzt werden. Schließlich wird in diesem Kapitel gezeigt, wie sich verschiedene Limitierungen der menschlichen Wahrnehmung ausnutzen lassen, um die Qualität und die Nutzererfahrung während einer VR-Session zu verbessern.

Ralf Dörner, Frank Steinicke

Kapitel 3. Virtuelle Welten

Zusammenfassung

Virtuelle Welten, die Inhalte von VR-Umgebungen, bestehen aus 3D-Objekten mit dynamischem Verhalten, die in Echtzeit auf Nutzereingaben reagieren. Nach einem einführenden Überblick über den Erstellungsprozess Virtueller Welten stellt dieses Kapitel zunächst eine zentrale Datenstruktur vieler VR/AR-Anwendungen vor, den Szenengraph, der eine hierarchische Beschreibung Virtueller Welten ermöglicht. Danach werden verschiedene Repräsentationsarten von 3D-Objekten dargestellt und deren Bedeutung für interaktive Virtuelle Welten diskutiert. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf Methoden zur Optimierung von 3D-Objekten im Hinblick auf die Echtzeitanforderungen Virtueller Welten. Anschließend werden grundlegende Verfahren zur Erzeugung dynamischen Verhaltens von 3D-Objekten dargestellt, wie Animationen, physikbasierte Simulationen sowie die Unterstützung von Nutzerinteraktionen mit 3D-Objekten. Ein Teilkapitel zu Sound, Beleuchtung und Hintergründen beschreibt Elemente Virtueller Welten, die in gängigen Szenengraphsystemen standardmäßig unterstützt werden. Das abschließende Teilkapitel zu Spezialsystemen geht auf 3D-Objekte ein, deren Modellierung und Darstellung besondere Herausforderungen mit sich bringen. Konkret werden virtuelle Menschen, Partikelsysteme, Landschaften sowie Vegetation wie Bäume und andere Pflanzen betrachtet.

Bernhard Jung, Arnd Vitzthum

Kapitel 4. VR/AR-Eingabegeräte und Tracking

Zusammenfassung

Wie erkennen Systeme der Virtual Reality und der Augmented Reality die Aktionen von Nutzern? Woher weiß ein VR- oder AR-System, wo sich der Nutzer befindet? Wie kann ein System Objekte in ihrer Bewegung verfolgen? Welche technischen Möglichkeiten und Einschränkungen gibt es dabei? Wie sehen bewährte VR- und AR-Systeme aus, die ein Eintauchen in Virtuelle oder erweiterte Welten unterstützen? Aufbauend auf den notwendigen Grundlagen, die Begriffe wie Freiheitsgrade, Genauigkeit, Wiederholraten, Latenz und Kalibrierung erklären, werden Verfahren betrachtet, die zur kontinuierlichen Verfolgung oder Überwachung (engl. Tracking) von Objekten genutzt werden. Es werden oft verwendete Eingabegeräte vorgestellt und diskutiert. Abschließend werden beispielhaft spezielle Verfahren wie Finger- und Eye-Tracking vertieft sowie sonstige Eingabegeräte vorgestellt.

Paul Grimm, Wolfgang Broll, Rigo Herold, Johannes Hummel

Kapitel 5. VR/AR-Ausgabegeräte

Zusammenfassung

Wie können virtuelle Inhalte in etwas sinnlich Erfahrbares umgewandelt und ausgegeben werden? Welche Möglichkeiten und Alternativen gibt es, einzelne Sinne anzusprechen? Ausgabegeräte dienen dazu, Nutzern über eine entsprechende Reizerzeugung die Virtuelle Welt darzustellen bzw. die reale Welt zu erweitern. In diesem Kapitel werden Ausgaberäte für Virtual Reality und Augmented Reality vorgestellt. Ein Schwerpunkt liegt hierbei insbesondere auf visuellen Ausgabegeräten: einerseits Head-Mounted-Displays (HMDs), andererseits großflächige Displays bzw. Projektionssysteme. Neben einem Überblick über die Funktionsweise werden jeweils grundlegende technische Aspekte erörtert. Anschließend werden neben visuellen Ausgabegeräten auch akustische und haptische Ausgabegeräte ebenso wie Bewegungsplattformen behandelt.

Paul Grimm, Wolfgang Broll, Rigo Herold, Dirk Reiners, Carolina Cruz-Neira

Kapitel 6. Interaktionen in Virtuellen Welten

Zusammenfassung

In Kap. 1 haben wurde schon VR und AR als innovative Formen der Mensch-Computer-Interaktion vorgestellt. Dieses Kapitel behandelt die Gestaltung und Realisierung von Interaktionen und der daraus resultierenden Benutzungsschnittstelle (engl. User Interface) eines VR/AR-Systems detailliert. Ein Nutzer interagiert mit einer Virtuellen Welt, um virtuelle Objekte auszuwählen (Selektion) und zu verändern (Manipulation) sowie seine Position und seine Blickrichtung in der Virtuellen Umgebung zu bestimmen (Navigation). Dazu kommt die Interaktion mit dem System selbst (Systemsteuerung), um auf einer Metaebene Funktionen außerhalb der Virtuellen Umgebung auszuführen (z. B. das Laden einer neuen Virtuellen Welt). Diese Grundaufgaben der Systemsteuerung, Selektion, Manipulation und Navigation werden in je einem Unterkapitel behandelt. Dabei werden Lösungen für die Realisierung dieser Interaktionen vorgestellt. Wesentlich dabei ist, dass eine gute Usability (dt. Gebrauchstauglichkeit) erreicht wird. Dies ist ein Kern der Mensch-Computer-Interaktion allgemein und deshalb wird gleich zu Beginn des Kapitels auf Grundlagen aus diesem Bereich eingegangen. Schließlich werden in einem Unterkapitel spezielle Entwurfsprozesse betrachtet, die einen Entwickler bei der Gestaltung und der Realisierung von VR/AR-Interaktionen leiten. Ein wesentlicher Gesichtspunkt dabei ist das wiederholte Validieren der Interaktionen mit Nutzern in Form von Nutzertests. Methoden für die Durchführung und Auswertung von Nutzertests werden daher gesondert in einem Unterkapitel thematisiert. Interaktionen mit VR/AR-Systemen haben immer Auswirkungen auf den Nutzer. Die damit verbundenen ethischen und rechtlichen Aspekte werden im letzten Unterkapitel beleuchtet.

Ralf Dörner, Christian Geiger, Leif Oppermann, Volker Paelke, Steffi Beckhaus

Kapitel 7. Echtzeitaspekte von VR-Systemen

Zusammenfassung

Der Begriff Echtzeit beschreibt die Fähigkeit eines Computersystems (oder hier VR-Systems) Ergebnisse zuverlässig innerhalb einer vorhersagbaren – in der Regel möglichst kurzen – Zeitspanne zu liefern. Echtzeitfähigkeit ist eine der härtesten Anforderungen an VR-Systeme: Nutzer erwarten, dass ein VR-System Auswirkungen von Interaktionen ohne wahrnehmbare Verzögerungen erlebbar macht. Gegenstand dieses Kapitels sind ausgewählte Themen, welche die Echtzeitfähigkeit von VR-Systemen betreffen. Im ersten Teilkapitel wird in einer Gesamtsicht auf VR-Systeme dargestellt, welche Arten von Verzögerungen (Latenzen) zwischen Nutzereingaben und der Systemreaktion auftreten. Es wird auch darauf eingegangen, wie Latenzen der Teilkomponenten von VR-Systemen abgeschätzt bzw. gemessen werden können. Das zweite Teilkapitel stellt gängige Methoden für die effiziente Kollisionserkennung vor, z. B. den Einsatz von Hüllkörpern und die Aufteilung des Kollisionserkennungsprozesses in Phasen unterschiedlicher Genauigkeit. Das dritte Teilkapitel beschäftigt sich mit Echtzeitaspekten beim Rendering von Virtuellen Welten.

Mathias Buhr, Thies Pfeiffer, Dirk Reiners, Carolina Cruz-Neira, Bernhard Jung

Kapitel 8. Augmentierte Realität

Zusammenfassung

Dieses Kapitel behandelt spezifische Themen der Augmentierten Realität (AR). Nach einer Übersicht über die grundlegenden Bestandteile und der Betrachtung der verschiedenen Ausprägungen von AR werden in den anschließenden Unterkapiteln die einzelnen Komponenten näher erläutert, soweit diese nicht bereits Bestandteil vorheriger Kapitel waren. Dazu gehören insbesondere die verschiedenen Ausprägungen der Registrierung, da diese für ein AR-Erlebnis von zentraler Bedeutung sind. Weiterhin werden spezielle AR-Techniken und Formen der Interaktion vorgestellt, bevor kurz auf die einzelnen Anwendungsbereiche von AR eingegangen wird. Im Anschluss wird mit Diminished Reality (DR) das Gegenteil von AR behandelt, nämlich das Entfernen von realen Inhalten. Verallgemeinernd wird abschließend noch auf Mediated Reality eingegangen, welches die Realität in beliebiger Form verändert, was u. a. auch die Kombination von AR und DR mit einschließt.

Wolfgang Broll

Kapitel 9. Fallbeispiele für VR/AR

Zusammenfassung

Dieses Kapitel enthält eine Sammlung von ausgewählten erfolgreichen Fallbeispielen für VR/AR aus Forschung und Praxis.

Ralf Dörner, Torsten W. Kuhlen, Geert Matthys, Manfred Bogen, Stefan Rilling, Andreas Gerndt, Janki Dodiya, Katharina Hertkorn, Thomas Hulin, Johannes Hummel, Mikel Sagardia, Robin Wolff, Andreas-Christoph Bernstein, Sebastian Utzig, Tom Kühnert, Guido Brunnett, Lisa Blum, Christoffer Menk, Christian Bade, Werner Schreiber, Thomas Alexander, Michael Kleiber, Leif Oppermann, Gerd Bruder, Frank Steinicke, Raphael Zender, Christian Geiger

Kapitel 10. Authoring von VR/AR-Anwendungen

Zusammenfassung

Dieses Kapitel befasst sich mit der Erstellung von VR- und AR-Anwendungen. Im Zentrum der Betrachtung steht hierbei die Nutzung von Autorenwerkzeugen in Form von Softwarepaketen oder (Game) Engines. Zunächst soll kurz auf den eigentlichen Autorenprozess eingegangen werden, bevor ausgewählte Autorenwerkzeuge für VR und AR betrachtet werden. Anschließend soll der Autorenprozess sowie die Nutzung der Werkzeuge exemplarisch anhand typischer Fallbeispiele verdeutlicht werden.

Wolfgang Broll, Florian Weidner, Tobias Schwandt, Kai Weber, Ralf Dörner

Kapitel 11. Mathematische Grundlagen von VR/AR

Zusammenfassung

In der Virtuellen Realität greift man häufig auf Methoden der Mathematik zurück, um den dreidimensionalen Raum zu modellieren. Dies erlaubt es exakte Angaben zu machen und Berechnungen durchzuführen, z. B. Abstände zu ermitteln oder die Effekte von Transformationen wie Rotationen oder Verschiebungen exakt zu beschreiben. Dieses Kapitel stellt die wichtigsten mathematischen Methoden speziell aus der Linearen Algebra zusammen, die in VR häufig genutzt werden. Dazu wird der Begriff des Vektorraums definiert und erweitert zu einem affinen Raum bzw. euklidischen Raum. Danach werden einige Grundlagen der analytischen Geometrie vorgestellt, insbesondere die mathematische Beschreibung von Geraden und Ebenen. Schließlich wird auf Wechsel von Koordinatensystemen sowie affine Abbildungen eingegangen und deren Berechnung mit Matrizen in homogenen Koordinaten erläutert.

Ralf Dörner

Backmatter

Titel: Virtual und Augmented Reality (VR/AR)
herausgegeben von: Prof. Dr. Ralf Dörner
Prof. Dr. Wolfgang Broll
Prof. Dr. Paul Grimm
Prof. Dr. Bernhard Jung
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-58861-1
Print ISBN: 978-3-662-58860-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-58861-1

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung in Virtual und Augmented Reality

Kapitel 2. Wahrnehmungsaspekte von VR

Kapitel 3. Virtuelle Welten

Kapitel 4. VR/AR-Eingabegeräte und Tracking

Kapitel 5. VR/AR-Ausgabegeräte

Kapitel 6. Interaktionen in Virtuellen Welten

Kapitel 7. Echtzeitaspekte von VR-Systemen

Kapitel 8. Augmentierte Realität

Kapitel 9. Fallbeispiele für VR/AR

Kapitel 10. Authoring von VR/AR-Anwendungen

Kapitel 11. Mathematische Grundlagen von VR/AR

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