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2013 | Buch

Virtual und Augmented Reality (VR / AR)

Grundlagen und Methoden der Virtuellen und Augmentierten Realität

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

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : eXamen.press

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Über dieses Buch

Das umfassende Lehrbuch bietet Studierenden eine anschauliche Begleit- und Nachschlaglektüre zu Lehrveranstaltungen, die Virtual Reality / Augmented Reality (VR/AR) thematisieren, z.B. im Bereich Informatik, Medien oder Natur- und Ingenieurwissenschaften. Der modulare Aufbau des Buches gestattet es, sowohl die Reihenfolge der Themen den Anforderungen der jeweiligen Unterrichtseinheit anzupassen als auch eine spezifische Auswahl für ein individuelles Selbststudium zu treffen. Die Leser erhalten die Grundlagen, um selbst VR/AR-Systeme zu realisieren oder zu erweitern, UserInterfaces und Anwendungen mit Methoden der VR/AR zu verbessern sowie ein vertieftes Verständnis für die Nutzung von VR/AR zu entwickeln. Neben einem theoretischen Fundament vermittelt das Lehrbuch praxisnahe Inhalte. So erhalten auch potenzielle Anwender in Forschung und Industrie einen wertvollen und hinreichend tiefen Einblick in die faszinierenden Welten von VR/AR sowie ihre Möglichkeiten und Grenzen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
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 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, Bernhard Jung, Paul Grimm, Wolfgang Broll, Martin Göbel
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
3. Virtuelle Welten
Zusammenfassung
Virtuelle Welten, die Inhalte von VR-Systemen, 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
4. VR-Eingabegeräte
Zusammenfassung
Wie erkennt ein VR-System die Aktionen eines Nutzers? Wie kann ein VR-System Objekte in ihrer Bewegung verfolgen? Welche technischen Möglichkeiten und Einschränkungen gibt es dabei? Wie sehen bewährte VR-Systeme aus, die ein Eintauchen in Virtuelle Welten unterstützen? Aufbauend auf den notwendigen Grundlagen, die Begriffe wie Freiheitsgrade, Genauigkeit, Wiederholraten, Latenz und Kalibrierung einführen, werden optische Verfahren betrachtet, die zur kontinuierlichen Verfolgung (engl. Tracking) von Objekten genutzt werden. Darüber hinaus werden weitere oft verwendete Eingabegeräte vorgestellt und diskutiert. Abschließend werden beispielhaft spezielle Verfahren wie Finger- und Augen-Tracking vertieft.
Paul Grimm, Rigo Herold, Johannes Hummel, Wolfgang Broll
5. VR-Ausgabegeräte
Zusammenfassung
Wie kann das Modell einer Virtuellen Umgebung in etwas sinnlich Erfahrbares umgewandelt und ausgegeben werden? Ausgabegeräte dienen dazu, dem Nutzer über eine entsprechende Reizerzeugung die Virtuelle Welt darzustellen. In diesem Kapitel werden VR-Ausgaberäte vorgestellt. Dabei wird beschrieben, welche Anforderungen an die genutzten Technologien existieren und auf welche Weise diese Anforderungen erfüllt werden können. Ausgehend von den Möglichkeiten unterschiedlicher Displaytechnologien werden spezielle Fragestellungen betrachtet wie die stereoskopische Ausgabe oder Aufbau von Displaysystemen, die aus mehreren oder vielen Einzeldisplays bestehen. Abschließend werden akustische und haptische Ausgabegeräte betrachtet.
Paul Grimm, Rigo Herold, Dirk Reiners, Carolina Cruz-Neira
6. Interaktionen in Virtuellen Welten
Zusammenfassung
In Kap. 1 haben wir schon VR als innovative Form der Mensch-Computer-Interaktion kennengelernt. In diesem Kapitel behandeln wir die Gestaltung und Realisierung von Interaktionen und der daraus resultierenden Benutzungsschnittstelle (engl. User Interface ) eines VR-Systems detailliert. Ein Nutzer interagiert mit einem VR-System, 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 VR-System selbst (Systemsteuerung), um auf einer Metaebene Funktionen außerhalb der Virtuellen Umgebung auszuführen (z. B. das Laden einer neuen Virtuellen Welt). Diese Grundaufgaben der Selektion, Manipulation, Navigation und Systemsteuerung 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 wir gehen deshalb auf Grundlagen aus diesem Bereich gleich zu Beginn dieses Kapitels ein. Schließlich betrachten wir in einem Unterkapitel spezielle Entwurfsprozesse, die einen Entwickler bei der Gestaltung und der Realisierung von VR-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 im letzten Unterkapitel thematisiert.
Ralf Dörner, Christian Geiger, Leif Oppermann, Volker Paelke
7. Echtzeitaspekte von VR-Systemen
Zusammenfassung
Der Begriff „Echtzeit“ beschreibt die Fähigkeit eines Computersystems (oder hier VR-Systems) Ergebnisse zeitlich vorhersagbar, und damit in konstanten, definierten und in der Regel möglichst kurzen Zeitabständen 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
8. Augmentierte Realität
Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt den Themenkomplex der Augmentierten Realität (AR). Nach einer Übersicht über die grundlegenden Bestandteile, einer Definition und der Betrachtung der grundlegenden Ausprägungen von AR werden in den anschließenden Unterkapiteln die einzelnen Bestandteile näher erläutert. Dazu gehören insbesondere die unterschiedlichen speziell für AR zum Einsatz kommenden Tracking-Lösungen, die verschiedenen Formen der Registrierung sowie die Ausgabemöglichkeiten über spezielle Displays, Handheld-Geräte und Projektionen. Schließlich werden spezielle AR-Techniken und Formen der Interaktion vorgestellt, bevor abschließend kurz auf die einzelnen Anwendungsbereiche von AR eingegangen wird.
Wolfgang Broll
9. Fallbeispiele für VR/AR
Zusammenfassung
Dieses Kapitel enthält eine Sammlung von ausgewählten erfolgreichen Fallbeispielen für VR/AR aus Forschung und Praxis.
Ralf Dörner, Geert Matthys, Manfred Bogen, Stefan Rilling, Andreas Gerndt, Janki Dodiya, Katharina Hertkorn, Thomas Hulin, Johannes Hummel, Mikel Sagardia, Robin Wolff, Tom Kühnert, Guido Brunnett, Hagen Buchholz, Lisa Blum, Christoffer Menk, Christian Bade, Werner Schreiber, Matthias Greiner, Thomas Alexander, Michael Kleiber, Gerd Bruder, Frank Steinicke
10. 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
Metadaten
Titel
Virtual und Augmented Reality (VR / AR)
herausgegeben von
Ralf Dörner
Wolfgang Broll
Paul Grimm
Bernhard Jung
Copyright-Jahr
2013
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-28903-3
Print ISBN
978-3-642-28902-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-28903-3