Virtual und Augmented Reality (VR/AR)
Grundlagen und Methoden von Extended Realities (XR)
- 2026
- Buch
- Herausgegeben von
- Ralf Dörner
- Wolfgang Broll
- Paul Grimm
- Bernhard Jung
- Verlag
- Springer Berlin Heidelberg
Über dieses Buch
Dieses Buch vermittelt Ihnen einen Eindruck von der Virtuellen und Augmentierten Realität
Die aktualisierte und erweiterte Drittauflage dieses umfassenden Lehrbuchs bietet Studierenden, Lehrenden, Forschenden, Anwendern und Interessierten einen wissenschaftlich fundierten und dabei auch gleichzeitig praxisnahen Einstieg in die Grundlagen und Methoden der Virtuellen und Augmentierten Realität (VR/AR) als auch Extended Realities (XR) ganz allgemein mit Ausprägungen wie dem Metaverse oder Diminished Reality (DR). Die Leser erhalten 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 VR/AR bzw. XR 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.
Potenzielle Anwender in Forschung und Industrie erhalten einen wertvollen und hinreichend tiefen Einblick in die faszinierenden Welten von VR/AR, XR, als auch das Metaverse 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/AR Virtuelle Welten VR/AR-Geräte für die Ein- und Ausgabe Tracking und Ausgabeverfahren Interaktionen in virtuellen Welten Echtzeitaspekte von VR/AR-Systemen Augmented, Diminished and Mediated Reality Kollaborative XR-Umgebungen XR-Authoring und Nutzertests Fallbeispiele für VR/AR Mathematische Grundlagen von VR/AR
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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1. Einführung in Virtual und Augmented Reality
Ralf Dörner, Wolfgang Broll, Bernhard Jung, Paul Grimm, Rolf Kruse, Martin GöbelDieses Kapitel bietet eine umfassende Einführung in die Grundlagen von Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR). Es beginnt mit einer Erklärung, was VR und AR sind und wie sie funktionieren, indem es die Unterschiede zwischen den beiden Technologien hervorhebt. Der Text diskutiert die perfekte virtuelle Realität und die Herausforderungen, sie zu erreichen, sowie die Rolle von Augmented Reality bei der Erweiterung der Realität. Es wird auch die Motivation hinter der Entwicklung von VR und AR untersucht, einschließlich ihrer Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Bildung, Unterhaltung und Industrie. Der historische Überblick zeigt die Entwicklung von VR und AR von den frühen Experimenten bis zu den heutigen Anwendungen. Das Kapitel behandelt auch die technischen Aspekte von VR-Systemen, einschließlich der Eingabe- und Ausgabegeräte sowie der Weltsimulation. Es wird die Bedeutung der Immersion und Präsenz in VR-Erfahrungen diskutiert und wie diese durch verschiedene Technologien erreicht werden können. Der Text schließt mit einer Diskussion über die Zukunft von VR und AR und deren Potenzial, unsere Wahrnehmung und Interaktion mit der Welt zu verändern. Dieses Kapitel ist besonders wertvoll für Professionals, die ein tiefes Verständnis für die Technologien hinter VR und AR suchen und deren praktische Anwendungen in verschiedenen Bereichen verstehen möchten.KI-Generiert
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ZusammenfassungWas ist Virtual Reality (VR)? Was versteht man unter Augmented 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. -
2. Wahrnehmungsaspekte von VR
Ralf Dörner, Frank Steinicke, Daniel Zielasko, Janina Fels, Torsten W. KuhlenDer Fachbeitrag beschäftigt sich mit der menschlichen Informationsverarbeitung und deren Bedeutung für die Gestaltung virtueller Realitäten. Es werden die wichtigsten Sinne, die bei der Wahrnehmung von VR-Systemen eine Rolle spielen, sowie die verschiedenen Tiefenhinweise und deren Auswirkungen auf die Raumwahrnehmung detailliert beschrieben. Der Text beleuchtet auch die Herausforderungen und Lösungsansätze bei der Darstellung virtueller Welten, wie z.B. die Vermeidung von Diplopie und die Optimierung der Tiefenwahrnehmung. Zudem werden die Phänomene und Probleme, die bei der Nutzung von VR-Systemen auftreten können, wie z.B. Cybersickness, sowie mögliche Lösungsstrategien diskutiert. Abschließend wird die Bedeutung der multisensorischen Integration für eine verbesserte Wahrnehmung in virtuellen Umgebungen hervorgehoben.KI-Generiert
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ZusammenfassungEin wesentliches Potenzial 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 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. -
3. Virtuelle Welten
Bernhard Jung, Arnd Vitzthum, Janina Fels, Torsten W. KuhlenVirtuelle Welten sind dynamische 3D-Umgebungen, die auf Nutzereingaben reagieren und aus einer Vielzahl von 3D-Objekten bestehen. Diese Objekte können sowohl sichtbare als auch abstrakte Elemente wie Lichtquellen und virtuelle Kameras umfassen. Die Erstellung virtueller Welten erfordert die Modellierung von 3D-Objekten, die entweder von Hand, durch CAD-Systeme oder mittels Photogrammetrie erzeugt werden können. Die Aufbereitung dieser Objekte für VR/AR-Anwendungen umfasst die Vereinfachung der Geometrie und die Konvertierung in geeignete Dateiformate. Die Integration der 3D-Objekte in VR/AR-Laufzeitumgebungen erfordert die Zusammenführung der Objekte zu vollständigen virtuellen Welten und die Definition von Szenengraphen, die die innere Struktur und das äußere Erscheinungsbild der virtuellen Welt bestimmen. Die Beleuchtung und Hintergründe spielen eine entscheidende Rolle bei der Darstellung virtueller Welten, wobei verschiedene Arten von Lichtquellen und Hintergrundtechniken verwendet werden können. Soundeffekte tragen ebenfalls zur Immersion bei und können durch binaurale Synthese und omnidirektionale Audioaufnahmen realisiert werden. Die Simulation von Schall in Räumen ist besonders wichtig für eine realistische auditive Wahrnehmung. Insgesamt bietet der Fachbeitrag einen umfassenden Überblick über die Schritte bei der Modellierung virtueller Welten und deren Integration in VR/AR-Systeme, einschließlich der verschiedenen Techniken zur Erstellung und Aufbereitung von 3D-Objekten sowie der Bedeutung von Beleuchtung, Hintergründen und Soundeffekten für eine immersive Erfahrung.KI-Generiert
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ZusammenfassungVirtuelle 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 Szenengraphen, 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 in 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. Teilkapitel zu Beleuchtung und Sound beschreiben 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 Charaktere, Partikelsysteme, Landschaften sowie Vegetation wie Bäume und andere Pflanzen betrachtet. -
4. VR/AR-Geräte für die Ein- und Ausgabe
Paul Grimm, Wolfgang Broll, Rigo Herold, Dirk Reiners, Carolina Cruz-NeiraIn diesem Fachbeitrag werden verschiedene VR/AR-Geräte und ihre Technologien vorgestellt. Der Fokus liegt auf der visuellen Ausgabe, wobei VR-Brillen, CAVEs und mobile Geräte als typische Vertreter von XR-Geräten betrachtet werden. Es wird erläutert, wie diese Geräte die notwendigen Informationen aus der realen Welt aufnehmen und die Sinne der Nutzer ansprechen. Zudem werden die verschiedenen Arten von Eingaben und Interaktionsmöglichkeiten mit XR-Geräten diskutiert. Der Beitrag beleuchtet auch die Usability und Obtrusiveness von VR/AR-Systemen sowie die Bedeutung der Latenz für eine flüssige und immersive Nutzung. Abschließend wird die geometrische Kalibrierung und Helligkeits- und Farbuniformität von gekachelten Displays behandelt. Dieser Fachbeitrag bietet einen detaillierten Überblick über die verschiedenen VR/AR-Geräte und ihre Technologien, sowie praktische Anwendungen und Beispiele, die den Lesern helfen, die theoretischen Konzepte besser zu verstehen.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel werden Geräte für die Eingabe und die Ausgabe bei Anwendungen der Virtual Reality (VR, deutsch virtuelle Realität) und der Augmented Reality (AR, deutsch erweiterte Realität oder augmentierte Realität) vorgestellt und diskutiert. Unter Virtual Reality wird die Mensch-Maschine-Schnittstelle verstanden, die einen Nutzer derart in eine virtuelle Welt versetzt, dass er darin interagieren kann, ohne etwas von der Realität wahrzunehmen (s. auch Kap. 1), bei Augmented Reality wird die Welt derart mit virtuellen Inhalten angereichert bzw. augmentiert, dass diese als Teil der realen Welt angesehen werden. Im Sinne des Oberbegriffs Extended Reality (XR) können die Geräte auch als XR-Geräte bezeichnet werden. Das Ziel bei der Nutzung von XR-Geräten ist es, dem Nutzer ein Erleben bzw. Eintauchen in die virtuelle Welt bzw. das Wahrnehmen der augmentierten Welt zu ermöglichen. Ein VR- bzw. AR-System muss hierfür auf Nutzeraktionen reagieren und eine entsprechende Darstellung erzeugen, die wiederum die Sinne der Nutzer anspricht. Doch wie sehen bewährte VR- und AR-Systeme aus, die ein Eintauchen in virtuelle oder erweiterte Welten unterstützen? Wie unterstützen XR-Geräte die Umgebungserfassung und wie werden die Nutzeraktionen erkannt? Wie können virtuelle Inhalte in etwas sinnlich Erfahrbares umgewandelt und ausgegeben werden? Welche Möglichkeiten und Alternativen gibt es, einzelne Sinne anzusprechen? XR-Geräte dienen dazu, Aktionen zu erkennen und Nutzern über eine entsprechende Reizerzeugung die virtuelle Welt darzustellen bzw. die reale Welt zu erweitern. In diesem Kapitel werden Brillen bzw. Head-Mounted Displays sowie stationäre Systeme vorgestellt, die großflächige Displays bzw. Projektionssysteme nutzen. Neben einem Überblick über die Funktionsweise der einzelnen Geräte werden jeweils grundlegende technische Aspekte betrachtet. -
5. Tracking und Ausgabeverfahren
Paul Grimm, Wolfgang Broll, Rigo Herold, Johannes Hummel, Janina Fels, Torsten W. KuhlenIn diesem Kapitel werden die grundlegenden Prinzipien und Verfahren des Trackings in der XR-Technologie (virtuelle und erweiterte Realität) detailliert erläutert. Es wird zwischen Inside-out- und Outside-in-Tracking unterschieden, wobei Inside-out-Tracking Sensoren an den verfolgten Objekten verwendet, während Outside-in-Tracking Sensoren in der Umgebung einsetzt. Die kontinuierliche Verfolgung von Objekten erfordert die Bestimmung von sechs Freiheitsgraden, die die Position und Orientierung eines starren Körpers beschreiben. Verschiedene Tracking-Verfahren wie kamerabasiertes Tracking, Laser-Tracking, Inertial-Tracking und magnetfeldbasiertes Tracking werden vorgestellt. Besonders hervorgehoben wird das kamerabasierte Tracking, das eine hohe Genauigkeit und Flexibilität bietet. Auch die Herausforderungen und Lösungen bei der Kalibrierung und Synchronisation der Tracking-Systeme werden diskutiert. Das Kapitel schließt mit einer Betrachtung der zukünftigen Entwicklungen und Anwendungen von Tracking-Technologien in der XR-Technologie.KI-Generiert
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ZusammenfassungIm letzten Kapitel wurden Geräte zur Nutzung von Extended Reality (XR) inklusive ihrer Anwendungsbereiche vorgestellt. Nun werden Technologien und Verfahren erläutert, die in diesen Geräten zum Einsatz kommen. 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? Eine kontinuierliche Bestimmung der Lage und Position eines Objekts wird allgemein als Tracking bezeichnet. In diesem Kapitel werden Trackingverfahren in ihrer Anwendung und in ihrem Aufbau erklärt. Hierzu werden zuerst die Grundlagen dieser Verfahren erläutert, damit Begriffe wie Freiheitsgrade, Genauigkeit, Wiederholrate, Drift oder Kalibrierung verständlich sind. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Verfahren eingeführt, wobei kamerabasierte einen Schwerpunkt bilden werden, da diese aufgrund ihrer Nützlichkeit weit verbreitet sind. Im zweiten Teil des Kapitels wird auf Verfahren eingegangen, die zur Darstellung virtueller Welten genutzt werden. Diese Umwandlung des Modells der virtuellen Welt in sensorische Reize für den Nutzer wird als Rendering bezeichnet. Beginnend mit der Einführung der Rendering-Pipeline für 3D-Computergrafik werden Besonderheiten beim Rendering für unterschiedliche Geräte wie Head-Mounted Displays (HMDs) und stationäre Systeme erläutert. Einen Schwerpunkt bilden technische Verfahren, um die visuelle Ausgabe in Stereo zu ermöglichen. -
6. Interaktionen in virtuellen Welten
Ralf Dörner, Christian Geiger, Leif Oppermann, Volker Paelke, Steffi Beckhaus, Daniel ZielaskoIn diesem Kapitel werden die Grundlagen der Mensch-Computer-Interaktion (MCI) in virtuellen Welten behandelt. Es wird erklärt, wie Nutzer mit virtuellen Umgebungen interagieren können und welche Techniken zur Selektion und Manipulation von Objekten eingesetzt werden. Ein zentraler Aspekt ist die Usability, die am treffendsten mit „Gebrauchstauglichkeit“ übersetzt wird und nach ISO 9241 definiert wurde. Der Text beschreibt verschiedene Selektionstechniken wie Ray-Casting, Flashlight-Technik, Go-Go-Technik, HOMER-Technik, Bildebenen-Technik und World-in-Miniature-Technik. Zudem werden Manipulationstechniken wie Arcball-Technik, virtuelle Hand und Zeigegesten vorgestellt. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Navigation in virtuellen Welten, wobei verschiedene Bewegungskontrolltechniken wie Walking, Steuerungstechniken und Teleportation diskutiert werden. Das Kapitel schließt mit einer Übersicht über Entwurfskriterien für Navigationstechniken und Interaktion für Kooperation. Professionals erhalten einen detaillierten Überblick über die verschiedenen Techniken und Methoden der Interaktion in virtuellen Welten und lernen, wie sie diese effektiv einsetzen können, um immersive und nutzerfreundliche Erfahrungen zu schaffen.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn Kap. 1 wurden 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). Schließlich können VR und AR auch die Interaktion mit anderen Personen im Sinne einer Kooperation unterstützen, wofür die Benutzungsschnittstelle auch entsprechend umzusetzen ist. Diese Grundaufgaben der Selektion, Manipulation, Navigation, Kooperation 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 Schwerpunkt 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. Interaktionen mit VR/AR-Systemen haben immer Auswirkungen auf den Nutzer. Die damit verbundenen ethischen und rechtlichen Aspekte werden im letzten Unterkapitel beleuchtet. -
7. Echtzeitaspekte von VR/AR-Systemen
Mathias Buhr, Thies Pfeiffer, Dirk Reiners, Carolina Cruz-Neira, Bernhard JungIn diesem Fachbeitrag werden die Echtzeitaspekte von VR/AR-Systemen und die Bedeutung von Latenz für die Nutzererfahrung untersucht. Der Text erklärt, wie Latenz die Interaktivität und Immersion in virtuellen Umgebungen beeinflusst und welche technischen Herausforderungen dabei entstehen. Es werden verschiedene Arten von Latenzen, wie Tracking-Latenz, Simulationslatenz und Darstellungslatenz, sowie deren Auswirkungen auf die Nutzererfahrung detailliert beschrieben. Der Beitrag diskutiert auch die Anforderungen an Latenz in verschiedenen VR/AR-Anwendungen und stellt verschiedene Ansätze zur Latenzbestimmung und -optimierung vor. Zudem werden Techniken zur Strukturbildung und Kollisionserkennung in VR/AR-Systemen behandelt, die für die Echtzeitfähigkeit dieser Systeme entscheidend sind. Der Text bietet einen umfassenden Überblick über die technischen Aspekte von Latenz in VR/AR-Systemen und zeigt auf, wie diese Herausforderungen bewältigt werden können, um eine optimale Nutzererfahrung zu gewährleisten.KI-Generiert
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ZusammenfassungDer Begriff Echtzeit beschreibt die Fähigkeit eines Computersystems (oder hier VR/AR-Systems), Ergebnisse zuverlässig innerhalb einer festgelegten – in der Regel möglichst kurzen – Zeitspanne zu liefern. Echtzeitfähigkeit ist eine der härtesten Anforderungen an VR/AR-Systeme: Nutzer erwarten, dass ein VR/AR-System die Auswirkungen von Interaktionen ohne wahrnehmbare Verzögerungen erlebbar macht. Gegenstand dieses Kapitels sind ausgewählte Themen, welche die Echtzeitfähigkeit von VR/AR-Systemen betreffen. Im ersten Unterkapitel wird in einer Gesamtsicht auf VR/AR-Systeme dargestellt, welche Arten von Verzögerungen (Latenzen) zwischen Nutzereingaben und der Systemreaktion auftreten. Es wird auch darauf eingegangen, wie Latenzen der Teilkomponenten von VR/AR-Systemen abgeschätzt bzw. gemessen werden können. Das zweite Unterkapitel 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 Unterkapitel beschäftigt sich mit Echtzeitaspekten beim Rendering von virtuellen Welten. -
8. Augmented, Diminished and Mediated Reality
Wolfgang BrollAugmented Reality (AR) ist eine Technologie, die die reale Welt durch digitale Inhalte erweitert. Dieser Fachbeitrag gibt einen umfassenden Überblick über die verschiedenen Aspekte von AR, einschließlich der Technologie, Anwendungen und Herausforderungen. Der Text beginnt mit einer Einführung in AR und erklärt die Unterschiede zu Virtual Reality (VR). Es werden die verschiedenen Arten von AR, wie Video Pass-Through, Optical See-Through und Spatial AR, sowie deren spezifische Eigenschaften und Anwendungsbereiche detailliert beschrieben. Der Beitrag behandelt auch die AR-Pipeline, die aus den Schritten Umgebungserfassung, Tracking, Registrierung, Rendering und Ausgabe besteht. Besonders hervorgehoben werden die Herausforderungen und Lösungsansätze bei der geometrischen und photometrischen Registrierung, die für eine nahtlose Integration virtueller Inhalte in die reale Welt entscheidend sind. Der Text geht auch auf die verschiedenen Ausgabegeräte für AR ein, wie AR-Brillen, XR-Brillen, Handheld-Geräte und Projektor-Kamera-Systeme, und vergleicht deren Eigenschaften und Einsatzgebiete. Zudem werden spezielle Darstellungstechniken wie Head-up Displays und Verdeckungen zwischen realen und virtuellen Objekten sowie Interaktionstechniken durch Navigation und Handgesten behandelt. Der Beitrag schließt mit einem Fazit, das die Potenziale und zukünftigen Entwicklungen von AR zusammenfasst. Dieser Fachbeitrag bietet einen detaillierten und praxisorientierten Einblick in die Welt der Augmented Reality und ist eine wertvolle Ressource für Professionals, die sich mit dieser Technologie auseinandersetzen möchten.KI-Generiert
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ZusammenfassungDieses Kapitel behandelt die spezifischen Aspekte von Augmented Reality (AR), Diminished Reality (DR) und Mediated Reality. Nach einem Überblick über die AR-Pipeline und einer Vorstellung der verschiedenen Varianten von AR werden in den nachfolgenden Abschnitten die einzelnen Aspekte von AR-Systemen näher erläutert, soweit sie nicht bereits Bestandteil vorangegangener Kapitel waren. Dazu gehören insbesondere die geometrische und fotometrische Registrierung, da diese für ein AR-Erlebnis von zentraler Bedeutung sind. Weiterhin werden spezielle AR-Techniken und Interaktionsformen vorgestellt, bevor eine Übersicht über die wichtigsten AR-Anwendungsbereiche gegeben wird. Anschließend wird auf Diminished Reality (DR), das Gegenteil von AR, eingegangen, also auf die Entfernung realer Inhalte. Auch hierzu werden grundlegende Techniken sowie Anwendungsbereiche aufgezeigt. Schließlich wird Mediated Reality, welches es uns erlaubt, die Realität in jedweder Form zu verändern, näher betrachtet. Dies eröffnet eine Vielzahl weitergehender Anwendungsbereiche. Es zeigt sich aber auch, dass der Übergang zwischen AR, DR und Mediated Reality häufig fließend ist. -
9. Kollaborative XR-Umgebungen
Wolfgang Broll, Florian Weidner, Rolf Kruse, Carolin WienrichKollaborative XR-Umgebungen (XR steht für erweiterte und virtuelle Realität) verändern die Art und Weise, wie Nutzer interagieren, lernen und zusammenarbeiten, indem sie mehrere Teilnehmer in einer gemeinsamen immersiven Umgebung zusammenführen. Diese Umgebungen gehen über herkömmliche Kommunikationsmittel wie Videoanrufe oder einfache Online-Räume hinaus, da jeder Nutzer Präsenz, räumliches Bewusstsein und interaktives Feedback erfährt, was teilweise realen Gruppenbegegnungen sehr nahekommt. Der Text beleuchtet die Bedeutung und Anwendungen kollaborativer XR-Umgebungen, insbesondere in den Bereichen Bildung, Gesundheitswesen und professionelle Zusammenarbeit. Es wird erklärt, wie diese Technologien die dynamischen Qualitäten der Kommunikation von Angesicht zu Angesicht nachbilden und gleichzeitig Entfernungen überbrücken. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Präsenz in kollaborativen Umgebungen, die für effektive Teamarbeit und Interaktionen unerlässlich ist. Die soziale Präsenz, die über das bloße „Miteinander“ hinausgeht, wird ebenfalls detailliert beschrieben, ebenso wie die Rolle virtueller Charaktere und deren Erstellung. Der Text geht auch auf die Herausforderungen und Lösungen bei der Animation virtueller Charaktere ein, einschließlich Tracking, inverser Kinematik, Gesichtsanimation, Lippensynchronisation und Eye Tracking. Abschließend wird die Bedeutung des Verhaltensrealismus und die Methoden zu dessen Erreichung und Messung diskutiert. Der Fachbeitrag bietet einen umfassenden Überblick über die Technologien und Anwendungen kollaborativer XR-Umgebungen und zeigt auf, wie diese die Art und Weise, wie Menschen in einer vernetzten Ära arbeiten, lernen und miteinander umgehen, neu definieren.KI-Generiert
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ZusammenfassungDieses Kapitel bietet einen umfassenden Überblick über kollaborative Extended Reality(XR)-Umgebungen, d. h. Umgebungen, in denen mehrere Nutzer nicht nur ein gemeinsames Ziel verfolgen, sondern miteinander kommunizieren und gemeinsam mit Objekten interagieren. Zu Beginn werden die Kernkonzepte definiert und die psychologischen Konstrukte der Kopräsenz und der sozialen Präsenz untersucht, die für die Wahrnehmung von Realismus und zwischenmenschlichen Beziehungen in gemeinsam genutzten XR-Räumen entscheidend sind. Im Mittelpunkt dieser Diskussion steht die Darstellung und Animation virtueller Charaktere, insbesondere von Avataren und Agenten, unter Berücksichtigung von visuellem Realismus, Embodiment und Verhaltenstreue. Spezifische Aspekte wie der Proteus-Effekt und das Uncanny Valley werden erläutert und fortgeschrittene Aspekte wie der Einfluss von räumlichem Audio werden veranschaulicht. Das Kapitel betrachtet ferner architektonische Modelle für vernetzte XR-Systeme, wie Client-Server- und Peer-to-Peer-Modelle, und erörtert deren zentrale Herausforderungen wie Latenz, Konsistenz, Persistenz und Zugriffskontrolle. Weiterhin werden Aspekte wie Schutz der Privatsphäre, Authentifizierung und Inklusion in gemeinsam genutzten Umgebungen betrachtet. Abschließend werden wichtige Anwendungsbereiche wie Bildung, Zusammenarbeit und Entertainment besprochen und ein kritischer Ausblick auf künftige Entwicklungen gegeben, darunter die realitätsübergreifende Integration sowie die Rolle von KI und Robotik im entstehenden Metaverse. -
10. XR-Authoring und Nutzertests
Wolfgang Broll, Tobias Schwandt, Florian Weidner, Ralf Dörner, Florian Richter, Bernhard Jung, David Gilbert, Marcel Krüger, Elhassan MakledXR-Authoring und Nutzertests sind entscheidend für die Entwicklung immersiver Erlebnisse, die über die herkömmliche Softwareentwicklung hinausgehen. Dieser Fachbeitrag beleuchtet die besonderen Herausforderungen, die mit der Erstellung von XR-Anwendungen verbunden sind, und bietet praktische Einblicke in die Nutzung verschiedener Engines und Toolkits. Der Text beginnt mit einer Einführung in die grundlegenden Anforderungen an XR-Authoring, einschließlich Echtzeit-Rendering, Motion Tracking und der Heterogenität von Headsets und Eingabegeräten. Anschließend werden die wichtigsten Engines und Toolkits wie Unity, Unreal Engine und Godot vorgestellt, die die Erstellung von XR-Anwendungen erheblich vereinfachen. Der Beitrag geht auch auf die Bedeutung von Nutzertests ein, insbesondere im Kontext von XR, wo physische Interaktionen und spezifische Effekte wie Cybersickness eine Rolle spielen. Praktische Fallstudien veranschaulichen die Anwendung dieser Konzepte in realen Projekten, von der Erstellung einer Apple Vision Pro-Szene in Unity bis hin zur Entwicklung einer wissenschaftlichen Flipbook-Animation in der Unreal Engine. Der Fachbeitrag schließt mit einer Diskussion über die Zukunft von XR-Authoring und Nutzertests und betont die Bedeutung kontinuierlicher Innovation und Anpassung an neue Technologien. Dieser umfassende Überblick bietet wertvolle Einblicke für Professionals, die in der XR-Entwicklung tätig sind oder sich für diese Technologien interessieren.KI-Generiert
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ZusammenfassungDieses Kapitel untersucht die Komplexität von XR-Authoring und die Herausforderungen, die es über die Standard-Softwareentwicklung hinaus stellt. Es umreißt das Spektrum der Engines, Toolkits und Frameworks, die VR und AR unterstützen, und hebt ihre jeweiligen Workflows und Fähigkeiten hervor. Praktische Fallstudien demonstrieren reale Authoring-Prozesse, von der Asset-Erstellung bis zur Integration von Interaktionen und räumlichen 3D-Schnittstellen. Die Diskussion verlagert sich dann auf die Bedeutung konsequenter Nutzertests, einschließlich geeigneter quantitativer und qualitativer Methoden zur Erfassung und Analyse von Daten in immersiven Umgebungen. Durch die Verbindung von technischen Perspektiven mit strukturierten Evaluierungsstrategien bietet dieses Kapitel eine Roadmap für die effiziente Planung, Erstellung und Validierung von XR-Anwendungen. Die Beispiele des Kapitels werden, soweit möglich, online zur Verfügung gestellt. -
11. Fallbeispiele für VR/AR
Ralf Dörner, Alexander Tesch, Jim Rüggeberg, Andreas Fuchs, Paul Grimm, Julian Hillig, Thies Pfeiffer, Jonas Blattgerste, Annette Bernloehr, Kristina Vogel, Nicola H. Bauer, Alec Pestov, Ulrike Spierling, Christian Geiger, Axel Hildebrand, Tobias Tropper, Wilhelm Wilke, Christian Winkler, Elhassan Makled, Ephraim Schott, Wolfgang Broll, Florian Weidner, Bernd Fröhlich, Gunther Göbel, Marco Steinhauser, Tobias Schwandt, Gunjan Kumari, Georg Stolz, Stephan Werner, Yücel Uzun, Leif OppermannDas Kapitel präsentiert eine ausgewählte Sammlung von Fallbeispielen für VR/AR-Anwendungen in verschiedenen Branchen und Kontexten. Es beginnt mit einer Einführung in die Technologien und deren Potenzial, gefolgt von konkreten Anwendungsbeispielen aus der Automobilindustrie, der Bildung und der Medizin. Ein Schwerpunkt liegt auf der Darstellung, wie VR und AR Technologien in der Praxis eingesetzt werden, um Prozesse zu optimieren, Kosten zu senken und neue Erlebniswelten zu schaffen. Die Fallbeispiele zeigen, wie unterschiedliche Technologien zusammenwirken und wie Interaktionstechniken für die technischen Gegebenheiten sinnvoll ausgewählt und angepasst werden können. Abschließend wird die wirtschaftliche Tragfähigkeit und die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten von VR/AR-Technologien diskutiert.KI-Generiert
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ZusammenfassungDieses Kapitel enthält eine Sammlung von ausgewählten erfolgreichen Fallbeispielen für VR/AR aus Forschung und Praxis. -
12. Mathematische Grundlagen von VR/AR
Ralf DörnerIn diesem Fachbeitrag werden die mathematischen Grundlagen von VR/AR anhand von Vektorräumen und deren Eigenschaften erläutert. Der Text beginnt mit der Definition von Vektorräumen und deren Operationen, wie Vektoraddition und Skalarmultiplikation. Es wird gezeigt, wie diese Konzepte in der virtuellen Realität genutzt werden, um den realen Raum zu modellieren und Berechnungen durchzuführen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Geometrie und Vektorräumen, wobei gerichtete Strecken als geometrische Vektoren eingeführt und deren Addition und Skalarmultiplikation erklärt werden. Der affine Raum und der euklidische Raum werden als Erweiterungen des mathematischen Modells vorgestellt, die es ermöglichen, mit Punkten und Abständen zu rechnen. Der Beitrag geht auch auf Matrizen und affine Abbildungen ein, die in der VR zur Berechnung von Transformationen wie Drehungen, Verschiebungen und Spiegelungen verwendet werden. Abschließend wird die Bestimmung von Transformationsmatrizen behandelt, wobei sowohl Standardfälle als auch die direkte Aufstellung von Matrizen für komplexere Transformationen erläutert werden. Dieser Fachbeitrag bietet einen umfassenden Überblick über die mathematischen Grundlagen von VR/AR und deren praktische Anwendung, was ihn besonders wertvoll für Professionals macht, die diese Technologien verstehen und anwenden möchten.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn der virtuellen Realität beschäftigen wir uns mit dem realen Raum, der uns umgibt. Dabei ist es hilfreich, diesen Raum mit Methoden der Mathematik zu modellieren, z. B. um exakte, formale, mathematisch beweisbare Aussagen treffen zu können oder Berechnungen durchzuführen. In der VR nutzt man für diese Modellierung den Vektorraum, ein Konstrukt der linearen Algebra, einem Teilgebiet der Mathematik. -
Backmatter
- Titel
- Virtual und Augmented Reality (VR/AR)
- Herausgegeben von
-
Ralf Dörner
Wolfgang Broll
Paul Grimm
Bernhard Jung
- Copyright-Jahr
- 2026
- Verlag
- Springer Berlin Heidelberg
- Electronic ISBN
- 978-3-662-72309-8
- Print ISBN
- 978-3-662-72308-1
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-662-72309-8
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