Fachhochschule Rhein-Sieg Wintersemester 1998

Virtuelle Realität
 
Virtual Reality -
Der Weg zu virtuellen Welten
 
Eine Ausarbeitung von Kirstin Krüger

Virtuelle Realität

Wintersemester 1998

 

 

Gliederung 1. Einführung

1.1 Der Ursprung der virtuellen Realitäten

2. Grundlagen

    1. Was ist "Virtual Reality"?
    2. Immersive Virtual Reality
    3. Artificial Reality - Virtual Reality ohne Immersion
    4. Augmented Reality
    5. Cyberspace
  1. Die Komponenten virtueller Welten
    1. Sensoren
      1. Tracker
      2. Eingabegeräte
    2. Ausgabegeräte
      1. Optik
      2. Akustik
      3. Haptik
      4. Olfaktorische Ausgabe
  1. Zukunftsperspektiven
  2. Literaturverzeichnis
Virtuelle Realität

Wintersemester 1998

 

  1. Einführung
    1. Der Ursprung der virtuellen Realitäten
    Virtual Reality – Der Ursprung dieser neuesten Generation der Mensch-Maschine-Schnittstelle ist zurückzuführen auf Phantasiegebilde von Science-Fiction Autoren. So beschreibt z. B. William Gibson in seinem Roman "The Neuromancer" bereits einen künstlich geschaffenen, abstrakten Datenraum, der von einem weltumspannenden Datennetz – der Matrix – generiert und direkt an das menschliche Nervensystem angeschlossen wird.

    Viele Wissenschaftler haben die Visionen von Gibson & Co zum Gegenstand ihrer Forschungen gemacht und so dazu beigetragen, daß Virtual Reality sich zu einer Technologie entwickelt hat, die alle bisherigen Medien und Benutzerschnittstellen in sich aufgenommen hat.

    Schon heute ist Virtual Reality nicht mehr aus unserem Leben wegzudenken und aufgrund der vielseitigen Anwendungsbereiche z.B. in der Industrie, Forschung und Medizin wird Virtual Reality auch in Zukunft weiter im Mittelpunkt des Interesses von Forschern und Wissenschaftlern stehen.

     

     

     

  2. Grundlagen
    1. Was ist "Virtual Reality"?
Bei der Frage nach einer eindeutigen, umfassenden Definition des Begriffes Virtual Reality scheiden sich die Geister. Es existieren inzwischen zahlreiche Definitionen dieses Begriffes, die je nach Interesses des jeweiligen Verfassers den einen oder anderen Aspekt hervorheben.

Eine dennoch knappe jedoch präzise Erläuterung liefert eine Definition von Alexander Hennig aus seinem Buch "Die andere Wirklichkeit":

"Virtual Reality ist eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, die es erlaubt, eine computergenerierte Umwelt in Ansprache mehrerer Sinne als Realität wahrzunehmen."

Gleichbedeutend mit dem Begriff Virtual Reality wird auch oftmals der Ausdruck "Virtual Environments" oder "Realistic Sensation" (in Japan üblich) benutzt.

Unter dem Oberbegriff Virtual Reality vereint man vier verschiedene Bereiche:

 

 

    1. Immersive Virtual Reality
Unter immersiver Virtual Reality versteht man diejenigen Systeme, die in hohem Maße eine psychophysische Eingebundenheit in die virtuelle Umgebung vermitteln. Diese psychophysische Eingebundenheit bezeichnet man als Immersion.

Ein Virtual Reality – System mit hohem Immersionsgrad zeichnet sich dadurch aus, daß dem Benutzer hierbei das Gefühl vermittelt wird, die Szenerie aus eigener Sicht zu erleben, daß der Benutzer also sozusagen "vergißt", daß es sich um eine computergenerierte Umwelt handelt.

 
 

    1. Artificial Reality – Virtual Reality ohne Immersion

Bei dieser Form der Virtual Reality ist der Benutzer nur ein Betrachter einer künstlichen Welt. Er benutzt keine Datenhelme oder ähnliche Geräte, sondern kann nur eine visuelle Repräsentation seines Körpers auf einer großen Leinwand betrachten. Man spricht deshalb auch von "Projected Reality".

Die "Artificial Reality" bedient sich meist einer zweidimensionalen Darstellungsform, wodurch nur ein geringer Grad der Immersion erreicht werden kann.

 

    1. Augmented Reality

      2. Bei dieser Form verschmelzen die virtuelle Umgebung und die reale Umwelt zu einem Bild. Dabei wird die Realität durch Informationen ergänzt und dadurch das Erfassen der realen Gegebenheiten wirkungsvoller gemacht

       

    2. Cyberspace
Dieser Begriff wird oft fälschlicherweise als Synonym für Virtual Reality verwendet.

Es handelt sich hierbei um eine weitere Form der virtuellen Realität, bei der vor allen Dingen der Netzwerkcharakter einer rechnergenerierten Welt betont werden soll.

 

 

 

  1. Die Komponenten virtueller Welten

    2. Jedes Virtual Reality – System baut auf dem Zusammenwirken der verschiedenen Ein- und Ausgabekomponenten auf. Dieses Zusammenwirken muß durch eine geeignete Softwarekonfiguration ermöglicht werden, auf die hier jedoch nicht weiter eingegangen werden soll, da es keine universell einsetzbare Konfiguration für alle Konzeptionen von Virtual Reality – Systemen gibt.

     

    1. Sensoren
Die Aufgabe von Sensoren ist das Erfassen von Bewegungen und Benutzereingaben. Aufgrund dieser Aufgaben können sie in zwei Gruppen unterteilt werden:
  1. Tracker

    2. Tracker dienen allgemein dazu, die Position von Benutzern oder Objekten zu ermitteln. Sie sind eines der wichtigsten Element einer virtuellen Welt, denn erst durch präzises Erfassen der Benutzer oder der Objekte kann ein perspektivisch genaues Bild berechnet werden.

  2. Eingabegeräte
Eingabegeräte dienen allgemein zur Beeinflussung der Position von Benutzern oder Objekten oder zur Abgabe von Befehlen zur Ausführung bestimmter Aktionen. Zu ihren Aufgaben gehört also die Navigation innerhalb virtueller Welten und das Absetzen von Befehlen zur Selektion und zur Manipulation von Objekten, also kurz gesagt zur Dateneingabe.

Um einen Einblick in die Möglichkeiten der verschiedenen Eingabegeräte zu ermöglichen, soll im Folgenden eine kurze Auswahl der heute gängigen Geräte beschrieben werden.

 Der Datenhandschuh ist das heute wohl gängigste Eingabegerät. Mit Hilfe dieses Handschuhs kann die Position der Hand sowie die Krümmung der Finger erfaßt werden. Die Befehlseingabe erfolgt hier über einfache Gesten:

Zur Navigation muß lediglich in die entsprechende Richtung gezeigt werden, zur Auswahl von Objekten muß einfach zugepackt werden und nach getaner Arbeit nur wieder losgelassen werden.

 Der Datenanzug kann als eine logische Weiterentwicklung des Datenhandschuhs betrachtet werden, der die Eigenschaften des Handschuhs auf den ganzen Körper überträgt. Hierbei werden nun Krümmungswinkel der wichtigsten Körpergelenke und die Position bestimmter Körperteile im Raum bestimmt. Biosensoren sind in der Lage, über Hautelektroden Nervenimpulse ( z.B. Muskelbewegungen oder Hirnaktivitäten) zu erfassen. Auf diesem Wege können z. B. Augenbewegungen zur Navigation in virtuellen Welten benutzt werden.

Diese Technologie bietet unter anderem für körperlich Behinderte die Möglichkeit, über virtuelle Welten in den Alltag integriert zu werden.

 Bei den sogenannten Wands (zu Deutsch "Zauberstäbe") handelt es sich im Prinzip um Trackingsysteme, die zusätzlich mit programmierbaren Funktionstasten ausgestattet sind und sich frei im Raum bewegen lassen.

Ein Beispiel hierfür ist der sogenannte "Flying Joystick". Hierbei handelt es sich um Wands mit einem Pistolengriff, die an Vorder- und Rückseite mit Knöpfen ausgestattet sind, welche durch Daumen und Zeigefinger betätigt werden können.

 
    1. Ausgabegeräte
Die Aufgabe der Ausgabegeräte ist es, dem Benutzer die für ein Virtual Reality – System benötigten Daten zur Verfügung zu stellen. Hierzu werden die verschiedenen Sinne des Menschen angesprochen, um einen möglichst hohen Grad der Immersion zu erreichen.

In Abhängigkeit eben dieser menschlicher Sinne lassen sich die Ausgabegeräte in folgende Gruppen unterteilen:

  1. Optik
Die Hauptstütze der Wahrnehmung in virtuellen Welten ist wohl die Optik, also der visuelle Kanal. Der Einsatz anderer Sinneswelten ist jedoch auch nicht zu unterschätzen, doch dazu weiter unten mehr.

Für den Einsatz in virtuellen Umgebungen existieren verschiedene Sichtsysteme:

 HMDs sind kopfgebundene Sichtsysteme, die es erlauben, alle natürlichen visuellen und akustischen Wahrnehmungen durch eine künstlich erzeugte audiovisuelle Welt zu ersetzen. Sie sind mit Trackingsensoren ausgestattet, durch die das auf dem eingebauten Display dargestellte Bild je nach Position des Betrachters verändert bzw. bewegt wird. Einige HMDs besitzen zusätzlich Kopfhörer, die, falls vorhanden, für die Ausgabe der Audio-Daten zuständig sind. Diese Brillen ermöglichen über handelsübliche Monitore eine stereoskopische Bildausgabe. Dazu werden Flüssigkristallshutter, die in die Gläser der Brille eingelassen sind, über einen Infrarotempfänger mit der Bildfrequenz eines Monitors oder Videobeamers synchronisiert, welche dann in wechselnder Folge das Bild für das rechte und das Bild für das linke Auge ausgeben. Durch das Öffnen und Schließen der LCD-Shutter sieht jedes Auge nur das zugehörige Bild, welches dann vom Gehirn zu einem stereoskopischen Eindruck verschmolzen wird. Da die Kosten für HMDs oder alternative Sichtsysteme für Konferenzräume oder größere Vorlesungsräume zu hoch wären, benutzt man für solche Bereiche das relativ einfache Polarisationsverfahren. Dabei werden auf eine Leinwand über zwei Videoprojektoren getrennte Bilder für das linke und das rechte Auge in unterschiedlicher Polarisation projiziert. Wenn man nun diese Projektion betrachten will, reichen einfache Pappbrillen mit polarisierenden Folien.

 
  1. Akustik

    2. Die Akustik ist die zweitwichtigste Wahrnehmungsquelle des Menschen Aus diesem Grunde darf auf diese Sinneswelt natürlich auch im Einsatz von Virtual Reality nicht verzichtet werden.

    Die wohl entscheidende Eigenschaft für den Einsatz von Audio-Daten in Virtual Reality ist, daß auf diesem Wege Erfahrungen vermittelt werden können, die visuell nicht nachgebildet werden können. Der auditive Sinn hilft z. B. bei der Orientierung im Raum, da der Mensch durch die Wahrnehmung von Schallereignissen in der Lage ist, Richtung, Geschwindigkeit und in etwa die Distanz von Schallquellen einzuschätzen.

    Weiterhin können aufgrund von Schallreflexionen Vermutungen über die Größe und Beschaffenheit von Räumen angestellt werden.

    Der Einsatz von Sound kann also in Bereichen der virtuellen Welten helfen, bei denen bei der visuellen Gestaltung Probleme auftreten, z. B. wenn Ereignisse außerhalb des Sichtbereiches dargestellt werden sollen. So kann man also die Akustik als Verstärker der subjektiven Wahrnehmung von visuellen Elementen sehen.

    Dennoch gewann der Einsatz der auditiven Sinneswelt nur relativ langsam an Bedeutung für Virtual Reality.

    Die Gründe hierfür sind in den verschiedensten Bereichen zu finden. So können auditive Elemente z. B. schnell zur Last fallen, falls sie nicht mit Bedacht in virtuelle Welten eingebaut werden. Ein weiterer Punkt ist, daß die Ausgabe von Audio-Daten keinerlei Schwankungen in der Wiedergabegeschwindigkeit verträgt. Eine gleichbleibende Wiedergabegeschwindigkeit ist jedoch nicht einfach zu realisieren, da viele Computersysteme nicht auf die Echtzeitverarbeitung von Sound ausgelegt sind. Weiterhin muß die Audioausgabe von den Schwankungen der Bildfrequenz entkoppelt werden, da ansonsten große Verzerrungen die Folge wären.

    Zur Darstellung auditiver Elemente werden heute der Einfachheit halber vorgefertigte Stereosamples verwendet, die zu einem bestimmten Zeitpunkt abgespielt und eventuell mit Hallgeneratoren nachbearbeitet werden.

    Eine andere Möglichkeit, Schall dreidimensional in eine virtuelle Umgebung einzubauen wäre die Simulation des Direktschalls durch spezielle Audio-Hardware.
     

  2. Haptik
Auch die Sinneswelt der Haptik wird immer mehr in Virtual Reality – Systeme eingebunden. Sie umfaßt Krafteinwirkungen aller Art auf den Körper des Benutzers.

Je nach Art der Krafteinwirkung läßt sich die Haptik in drei Bereiche aufteilen:

 Dieser Bereich umfaßt Empfindungen über Sinneszellen der Haut. Wir besitzen am ganzen Körper Tast- und Temperaturrezeptoren, die es uns ermöglichen, Druck- und Temperaturunterschiede wahrzunehmen. Dieser Tastsinn ist ein wichtiges motorisches Reglementarium, welches es uns z. B. ermöglicht, die Bewegung unserer Finger und die damit verbundenen aufzubringende Kräfte "dosiert", also der Situation entsprechend einzusetzen.

Ein Nachbilden des taktilen Sinneseindrucks ist jedoch zur Zeit noch nicht in zufriedenstellendem Ausmaß möglich, da die benötigten Daten nur in bescheidener Genauigkeit in Echtzeit berechnet werden können.

Daher beschränken sich die gebräuchlichsten Lösungen darauf, den Kontakt mit Oberflächen in irgendeinem Weise spürbar zu machen anstatt ihn zu simulieren.

Viele der gängigen Systeme verwenden Kapillare oder Vibratoren zu diesem Zweck. Kapillare sind kleine Luftpolster an Fingerspitzen und Handballen von Data Gloves, die je nach Bedarf aufgeblasen werden können, um einen Oberflächenkontakt zu vermitteln.

Vibratoren sind auch an den Fingerspitzen eines Data Gloves untergebracht. Anders als die Kapillare reagieren diese Systeme direkt bei Kontakt mit der Oberfläche eines Objektes. Hiermit kann z. B. gut das Gefühl vermittelt werden, über eine rauhe Oberfläche zu streichen.

Durch den Einsatz von Thermoelementen wird es möglich, Hitze und Kälte spürbar zu machen.

Weiterhin finden auch Drahtmatrizen Einsatz in Virtual Reality – Systemen. Hierbei werden stumpfe Drähte durch Elektromagneten gegen die Haut gedrückt, wodurch sich Oberflächeneigenschaften grob nachbilden lassen.

 Reize dieser Form lassen sich nur durch spezielle individuell an den Benutzer angepaßte Exoskelette simulieren. Darum finden solche Apparate nur in wenigen Anwendungsbereichen Einsatz. Solche Simulatoren können sehr hohe Beschleunigungskräfte auf engstem Raum produzieren. Solche Bewegungsplattformen könnten z. B. in Form von "virtuellen Surfbrettern" Absatz finden.

 
  1. Olfaktorische Ausgabe
Die sinnvolle Einbindung des Geruchssinns in Virtual Reality – Systemen ist bisher ein noch wenig erforschtes Gebiet. Dennoch werden vereinzelt schon solche Systeme eingesetzt, um auf diesem Wege gewisse Reaktion des Benutzers zu verstärken.

 

 
  1. Zukunftsperspektiven

    2. Den Aussagen namhafter Wissenschaftler und Autoren zufolge ist Virtual Reality die Technologie der Zukunft.

    Schon heute wird Virtual Reality als "Kommunikationsebene des 21. Jahrhunderts" [Berd Willim] oder als "technologischer Quantensprung in die Informationstechnologie" [Spöri] bezeichnet.

    Für diesen Optimismus gibt es verschiedene Gründe. Ein Grund ist die bereits zu Beginn angesprochene Eigenschaft von Virtual Reality, alle heutigen Medien, Computeranwendungen und Telekommunikationssysteme in sich aufzunehmen und zu neuen Konzepten verbinden zu können.

    Weiterhin eröffnet Virtual Reality neue Märkte für virtuelle Produkte.

    Ebenso bringt Virtual Reality neue Möglichkeiten der Informationsvermittlung. Das maßgebende Schlagwort ist hier Visualisierung.

    Zu alle dem ist Virtual Reality ein schnell umsetzbarer Lösungsansatz für viele ökologische Probleme. So könnten z.B. "durch die Verlagerung von weiten Teilen des Arbeits- und Geschäftslebens in virtuelle Räume pro Arbeitnehmer jährlich Tausende Fahr- und Flugkilometer eingespart werden" [Hennig].

     

     

     

     

     

  2. Literaturverzeichnis
  1. "Die andere Wirklichkeit"; Alexander Hennig; Addison-Wesley, 1997
  2. "Die Wirklichkeit der virtuellen Welten"; Benjamin Wooley; Birhäuser Verlag, 1994