VR, AR und MR – Beyond reality

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MR: Präzises Platzieren von virtuellen Objekten
MR: Präzises Platzieren von virtuellen Objekten

Nur noch ein geschickter Griff mit der linken Hand an den letzten Felsvorsprung – ein Festhalten und Hochdrücken und es ist geschafft: Die Felswand ist erklommen, und das ohne ein Absicherungsseil benutzt zu haben! Was recht spektakulär klingt, können Nutzer eines Virtual Reality Systems und des entsprechenden Videospiels bereits seit 2016 entspannt und gefahrenfrei auf dem heimischen Sofa erleben. Doch Virtual Reality (VR) ist längst mehr als nur eine neue Idee der Videospielindustrie. In regelmäßigen Abständen werden neue Anwendungsmöglichkeiten von VR und verwandten Technologien vorgestellt oder prototypisch realisiert und neue Fortschritte oder Leistungsverbesserungen entsprechender Systeme oder Geräte erzielt. Nicht weniger oft wird jedoch über die Schwierigkeiten der Hersteller dieser Systeme und Geräte berichtet, einen funktionierenden Markt aufzubauen, das heißt gleichzeitig innovativ und wirtschaftlich zu agieren und die Anzahl der (potentiellen) Kunden zu erhöhen. Demgegenüber stehen aktuelle Statistiken und Prognosen, nach denen ein ernstzunehmender milliardenschwerer Markt rund um Virtual Reality, Augmented Reality und Mixed Reality im Kontext der Industrie 4.0 entsteht. Genug Gründe also, einen Überblick über diese Technologien zu geben und auch einen Einblick hinter die Kulissen zu werfen.

VR: Vom Videospiel über das Traumauto zur Traumwohnung

Bei Virtual Reality (VR) werden digitale Welten in sogenannten Head-Mounted-Displays (HMDs) oder VR-Brillen dargestellt. Das Erforschen dieser Welten wird dabei durch entsprechende Sensorik unterstützt, die unter anderem die Kopfbewegungen des Benutzers erfassen, um den virtuellen Blickwinkel auf die digitale Welt entsprechend anzupassen. So ermöglicht VR beispielsweise nicht nur das virtuelle und gefahrlose Klettern an Felswänden; auch die eigene virtuelle Wohnung lässt sich mit neuen Möbeln einrichten oder das neue Traumauto vorab den eigenen Wünschen entsprechend konfigurieren und im realen Maßstab betrachten. Im Vordergrund steht dabei der Grad der Immersion, also inwieweit der Benutzer die virtuelle Umgebung als real empfindet und die Wahrnehmung der realen Welt (der äußeren Einflüsse) in den Hintergrund tritt. Je höher dabei die Genauigkeit der Sensorik und je geringer die Latenzzeit zwischen Kopfbewegung und Anpassung des virtuellen Blickwinkels, desto höher das Gefühl der Immersion. Andere Faktoren wie die Auflösung oder die Anzahl der darstellbaren Bilder pro Sekunde („Frames Per Second“, FPS) der integrierten Displays in den VR-Brillen erhöhen ebenfalls die Immersion.

Reale Welt trifft auf virtuelle: Augmented Reality

Im Gegensatz zu VR wird bei Augmented Reality (AR) lediglich die reale Welt durch neue virtuelle Inhalte erweitert. Zu den AR-fähigen Geräten zählen alle Geräte, die mittels einer Kamera die reale Umgebung filmen und auf einem Display darstellen können, oder aber auch spezielle Brillen mit transparenten Displays. Auch für AR gibt es eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten in unterschiedlichen Bereichen: Seien es Navigationssysteme mit Head-Up-Displays im Auto, die die Sicht der Fahrer in Fahrtrichtung mit wegweisenden Markierungen überlagern, Sportübertragungen im Fernsehen, die mit zusätzlichen Informationen wie der Entfernung zwischen Freistoßposition und Tor angereichert werden oder Videospiele für Smartphones, bei denen digitale Spielfiguren an Positionen der realen Welt virtuell platziert sind und eingesammelt werden müssen.

Virtuelle Objekte „interagieren“ mit der realen Umgebung über Schattenwurf und Verdeckung
Virtuelle Objekte „interagieren“ mit der realen Umgebung über Schattenwurf und Verdeckung

Mixed Reality: Scheinbare Verschmelzung realer und virtueller Welt

Für Mixed Reality (MR) hingegen existiert keine eindeutige Definition. Eine bekannte Definition beschreibt eine Weiterentwicklung von AR und sieht nicht nur das Überlagern der Realität mit virtuellen Objekten vor, sondern auch die Interaktion zwischen realen und virtuellen Objekten. Hierfür kann beispielsweise die Beleuchtungssituation der realen Welt analysiert und auf die virtuellen Objekte übertragen werden, um diese durch Reflektionen und Schattenwurf visuell besser in die reale Umgebung zu integrieren.

Grundlegende Features sind jedoch das präzise Platzieren von virtuellen Objekten auf oder an realen Gegenständen oder Oberflächen und die Verdeckung von virtuellen Objekten durch reale Objekte. Ein bekannter Anwendungsfall für MR ist beispielsweise das virtuelle Planen eines Treppenlifts, bei dem zunächst die Wohnungsgegebenheiten direkt beim Kunden mit Hilfe eines entsprechenden HMDs ausgemessen werden können. Diese Messdaten dienen als Grundlage für eine virtuelle Visualisierung und Planung des Treppenlifts, sodass auch die Wünsche der Kunden direkt am Tablet auf Umsetzbarkeit überprüft und gegebenenfalls berücksichtigt werden können. Da dieser Prozess komplett digitalisiert ist, verkürzt sich der Bestell- und Fertigungsprozess um ein Vielfaches.

Für die Realisierung eines MR-Anwendungsfall wird daher deutlich, dass nicht nur wie bei VR hauptsächlich die präzise Bestimmung von Betrachtungsposition und -winkel sehr wichtig ist, sondern auch eine präzise digitale Repräsentation/Rekonstruktion der realen Umgebung. Genau diese beiden Aufgaben können spezielle Algorithmen übernehmen, die unter dem Oberbegriff Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) zusammengefasst werden. SLAM-Verfahren haben ihren Ursprung in der Robotik im Kontext maschinellen Sehens („Computer Vision“) und ermöglichen durch die Erstellung von Umgebungsrekonstruktionen und durch die Lokalisierung in diesen rekonstruierten Umgebungskarten auf Basis von Sensordaten beispielsweise das autonome Bewegen und Navigieren von Autos, Robotern oder Drohnen. Teilaspekte von SLAM-Verfahren finden auch in anderen Bereichen wie zum Beispiel der Fotogrammmetrie Verwendung, mittels derer beispielsweise reale Gegenstände digital rekonstruiert und durch 3D-Drucktechnik in Miniaturform erstellt werden können.

Stay tuned: In unserem nächsten Beitrag gehen wir in die Tiefe und stellen das SLAM-Verfahren anhand eines konkreten Beispiels vor.

 

Autor:
Benjamin Weißer
Consultant

Bildrechte: © Occipital Bridget

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