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VPE (Subject) / Vorlesung7 (Lesson)

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• Wahrnehmung Reihenfolge visuell, akustisch, geruchsinn, Tastsinn, Geschmack
• Virtuelle Realität Voraussetzung angenährte 3D-CAD Modell, DMU Modelle
• Virtuelle Realität (VR) Virtuelle Realität (engl. Virtual Reality) beschreibt eine Computer-generierte, realitätsnahe virtuelle Umgebung, die als Benutzerschnittstelle dient. 
• Was sind die Merkmale der Virtuelle Realität? - Immersion : Einbeziehung des Benutzers in die virtuelle Umgebung (Eintauchen)  - Interaktion : Möglichkeit des Benutzers mit der virtuellen Umgebung in Echtzeit zu interagieren  - Imagination : Illusion des Vorhandensein manipulierbarer Objekte (z.B. 3D-Visualisierung,  Akustik-Simulation)
• Ziel der virtuellen Realität Der Benutzer soll den Eindruck haben, dass diese virtuelle Realität der tatsächlichen Realität entspricht. Hierfür müssen die Sinne des Menschen mit technischen Hilfsmitteln getäuscht werden. Angesprochen wird der visuelle, der akustische und der Tastsinn
• Bausteine der VR-Technologie Eingabegeräte, Ausgabegeräte, Rechner/Server Rechner(VR- Software):VR-Datenmodell <=>Benutzerschnittstelle <=> Eingabeprozesse, Interaktionsprozesse, Renderprozess, Ausgabeprozess
• Aufgaben der VR-Software Der Ein-/ Ausgabeprozess kontrolliert den Informationsaustausch zwischen den Eingabe-/Ausgabegeräten und der VR-Hardware  Der Interaktionsprozess stellt die Verbindung zwischen den Objekten der dargestellten virtuellen Szene (z.B. Position eines Objektes) und den Ein-/Ausgabegeräten her.  Ausgangspunkt für den Interaktionsprozess des Anwenders mit dem VR-System ist die Benutzerschnittstelle. Sie veranlasst, dass die gewünschte Szene geladen und der eigentliche Berechnungsprozess gestartet bzw. beendet wird.  Der Renderprozess generiert die Daten für die Sinneswahrnehmung des Benutzers. Er führt verschiedene Geometriereduktions- und Vereinfachungsoperationen durch (Bsp.: Level of Detail: abhängig von der Entfernung zum Betrachter haben die Objekte unterschiedliche Auflösungen. 
• Der Interaktionsprozess Der Interaktionsprozess basiert auf dem Action Event Prinzip: ein bestimmtes Ereignis bewirkt, dass eine oder mehrere Aktionen von einem oder mehreren virtuellen Objekten durchgeführt werden.  Ereignisse können sein:  • physikalische Eingaben wie Gesten, Sprachkommandos, das Betätigen virtueller Schalter und Knöpfe  • geometrische Events wie Kollisionen zwischen Objekten oder Entfernen / Hinzufügen von Objekten   Resultierende mögliche Aktionen:  • Beeinflussung der Visualisierungsattribute der Objekte  • Positionierung von Objekten  • Skalierung von Objekten 
• Der Renderprozess Der Renderprozess generiert Daten für die Sinneswahrnehmung des Benutzers. Die Eingabedaten zur Berechnung seiner Ausgabe erhält der Renderprozess vom Interaktionsprozess oder direkt aus der internen Objektdatenbank, die die gesamte virtuelle Szene verwaltet.   Der Renderprozess führt verschiedene Geometriereduktions- und Vereinfachungsoperationen durch:   - Level of Detail (LOD):abhängig von der Entfernung zum Betrachter haben die Objekte unterschiedliche Auflösung   - Clipping: die im Bildausschnitt sichtbare Geometrie wird von der restlichen getrennt, berechnet und danach dargestellt   - Culling: Löschen der verdeckten Objekte aus der Liste der darzustellenden Elemente.   Für eine realistische Darstellung werden noch ausgeführt:   - Beleuchtungs-und Schattenalgorithmen für die Darstellung von kontinuierlichen Farbverläufen, von Reflexionen und von punktförmigen  Lichtquellen,   - Aufbringen von Texturen
• VR-Hardware: Rechner Eine wahrheitsgetreue Darstellung einer dynamischen Umgebung in VR, mit zahlreichen beweglichen und interagierenden komplexen Objekten, setzt Rechner voraus, die in Echtzeit sehr große Datenmengen verarbeiten, grafisch darstellen und speichern können 
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• Visuelle VR-Ausgabe-Hardware Personengebundene VR-Ausgabe-Hardware - Head Mounted Displays  - Polarisationsbrille  - Shutterbrille  3D-Displays und -Projektoren  - 3D-Bildschirme  - 3D-Projektoren  VR-Projektionswände/ -räume  -VR-Holobench  - VR-Powerwall  - VR-Caves  - VR-Cubes  - VR-Dome (360°) 
• Räumliches Sehen in VR-Ausgabegeräten (1) Räumliches Sehen wird in VR-Ausgabegeräten mittels Stereoskopie simuliert.  Prinzip: Menschen betrachten ihre Umwelt durch zwei Augen gleichzeitig aus zwei Blickwinkeln.  Die Illusion des dreidimensionalen Sehens kommt durch die Wahrnehmung von zwei leicht verschobenen Bildern zustande, die im Gehirn zusammengestellt werden.  In VR-Ausgabegeräten wird für das rechte und das linke Auge jeweils ein Bild (Stereogramm) erzeugt. Die beiden Bilder sind räumlich leicht verschoben. 
• Räumliches Sehen in VR-Ausgabegeräten (2) Durch entsprechendes Verarbeiten und Anpassen der Bilder an die Objekteigenschaften und Licht-/Schattenverhältnisse erhält man realistische Darstellungen. Außer der Illusion der Dreidimensionalität ergibt sich zusätzlich das Problem des Blickwinkels: starre Stereogramme sind nur für bestimmte Augenpositionen korrekt, die Objekte bewegen sich mit der Augenposition mit; Lösung dafür ist die Echtzeitanpassung des Stereogramms an die Augenposition des Betrachters. 
• Head Mounted Displays (HMD) Head Mounted Displays gelten die ersten „echten“ VR-Ausgabegeräte.Sie bestehen aus einem Trackingsystem, welches Kopf- und Augenbewegungen verfolgt, Minidisplays und optional Kopfhörern Vorteile: • Vollständige Sichtfeldabdeckung   gute Immersion  • Kaum spezielle Anforderungen an die  Umgebung  • Relativ niedrige Auflösung  • Erschwertes Teamwork  • Häufige Erzeugung von Schwindeleffekten 
• Polarisationsbildschirme/-brillen Zwei Bilder werden mit unterschiedlichen Welleneigenschaften (Polarisation) projiziert. Jede Seite der Brille lässt nur eines der polarisierten Bilder durch und filtert das jeweils andere heraus. Vorteil  • Günstige, passive Brillen Nachteile Bei Bildschirmen mit einfacher Projektion (d.h. nur ein Projektor) nur halbierte Bildschirmauflösung  • Der Benutzer kann den Kopf nicht drehen, da die Polarisationsfilter der Brille dann nicht mehr richtig filtern 
• Shutter-Brillen Die Bilder werden hintereinander in voller Auflösung jeweils für das rechte und linke Auge dargestellt. Dabei sendet der TV oder die VR-Anlage ein Signal an die 3D-Brille, um die Gläser im Wechsel zu schließen und zu öffnen V. Satte Farben, scharfe  Konstraste, volle Auflösung  N. Teure, aktive Brillen 
• Stereoskopischer Bildschirm Zwei Bilder werden gleichzeitig von zwei im festen Winkel zu einander stehenden Monitoren auf einen sog. halbdurchlässigen Spiegel gesendet und vereint. Polarisationsbrillen filtern die Bilder, sodass der Anwender mit dem rechten Auge nur das Bild des oberen Monitors und mit dem linken Auge nur das Bild des unteren Monitors in jeweils voller Auflösung sieht.  V. • Volle Auflösung, da die Bilder von zwei Monitoren ausgestrahlt werden.  N. Verhältnismäßig teuer ,Verhältnismäßig hoher Platzbedarf
• Autostereoskopischer Bildschirm Ein autostereoskopischer Bildschirm kann für einen Menschen dreidimensional erscheinende Bilder anzeigen. Der Betrachter benötigt dabei keine Hilfsmittel wie Brillen. Hierfür werden zwei leicht verschobene Bilder auf dem Bildschirm dargestellt. Spezielle veränderliche Linsen oder Prismen lenken die die Lichtstrahlen eines bestimmten Bildes zu jeweils einem Auge des Benutzers. Die Blickrichtung des Anwenders wird über Mini-Kameras, die die Augen und Kopfposition verfolgen, getrackt. Das Bild wird in real-time an die Blickrichtung angepasst.
• Autostereoskopischer Bildschirm Ein autostereoskopischer Bildschirm kann für einen Menschen dreidimensional erscheinende Bilder anzeigen. Der Betrachter benötigt dabei keine Hilfsmittel wie Brillen. Hierfür werden zwei leicht verschobene Bilder auf dem Bildschirm dargestellt. Spezielle veränderliche Linsen oder Prismen lenken die die Lichtstrahlen eines bestimmten Bildes zu jeweils einem Auge des Benutzers. Die Blickrichtung des Anwenders wird über Mini-Kameras, die die Augen und Kopfposition verfolgen, getrackt. Das Bild wird in real-time an die Blickrichtung angepasst. V. • Keine Brille notwendig  N. Stark begrenzte Anzahl der Anwender 
• VR-Holobench Tischsystem, welches aus zwei im Winkel von 90°-110° angeordneten Projektionsflächen besteht.  V. • Relativ großes Sichtfeld  • Hoher Detaillierungsgrad, sehr immersiv  N. Linearpolarisation nicht möglich, da man unter verschiedenen Richtungen auf den Tisch sehen muss 
• VR-Powerwall Die Powerwall ist ein mehrkanaliges Projektionssystem, d.h. sie besteht aus mehreren Projektionswandsegmenten, die jeweils von einem (Shutterprojektion) oder zwei (Doppelprojektion) Projektor(en) beleuchtet werden V. Der Größe der Powerwall sind theoretisch keine Grenzen gesetzt. N. Zwischen den Projektionswandsegmenten sind Überlappungen zwischen den Projektorbereichen prinzipbedingt nicht vermeidbar.  kleine Dunkelbereiche
• VR-Projektionsräume (CAVE/CUBE) Der CAVE ist ein würfelförmiger Raum, bei dem drei bis sechs Seiten als Projektionsflächen dienen, wobei stets der Boden eine der angestrahlten Flächen ist. Sechsseitige CAVEs werden auch als CUBEs bezeichnet. V. Vollständige Sichtfeldabdeckung  sehr hoher Immersionsgrad  • Präsentationen für bis zu sieben Personen gleichzeitig.  N. • Hohe Kosten  • Erhöhter Platzbedarf, keine Mobilität  • an Ecken und Kanten ist die Projektion leicht gestört  • Projektion nur für einen Nutzer korrekt berechnet
• VR-Projektionsräume (360°-VR-Dome) Ein 360°-VR-Dome ist ein zylinderähnlicher Raum, dessen Wand als Projektionsfläche dient. Der Boden wird nicht angestrahlt V. • Geeignet für die realistische Darstellung großer Objekte im Maßstab 1:1 N. • Sehr hohe Kosten  • Sehr hoher Platzbedarf, keine Mobilität 
• Treadmills erlauben das realitätsnahe Gehen in virtuellen Räumen. V. • Vermitteln den Eindruck der perfekten Immersion  N. • Sehr kostenintensiv
• Data Gloves erlauben die dierekte Interaktion mit den Objekten der VR-Szenen Objekte können in der virtuellen Szene in Bezug auf andere Objekte oder den Hintergrund bewegt und redimensioniert werden, sowie getrennt und neu gruppiert werden  V. Intuitives Agieren im Raum  • Fördern Immersion N. Müssen für jede Person neu  kalibriert werden 
• Haptik und Typen Unter Haptik (griechisch: die Lehre vom Tastsinn) versteht man die Möglichkeit, den taktilen Sinn des Nutzers anzusprechen. Über Kraftrückkopplung wird das Manipulieren und Bewegen von Objekten verbessert. Die meisten haptischen Geräte beschränken sich auf die Hand oder den Arm, da hier die meisten Tastrezeptoren des Körpers vorhanden sind.  Es gibt zwei Arten von haptischen Geräten:  - Touch Feedback: taktile Wahrnehmung beim Berühren eines Virtuellen Objektes  - Force Feedback: variable Kraftrückkopplung, welche abhängig von bestimmten Größen ist (bspw.: Gewicht des virtuellen Objektes, Reibungskraft, …) Touch- und Force-Feedback sind zwei einander ergänzende Technologien. Die Kombination beider lässt den Benutzer sowohl die Härte, als auch die Oberflächenstruktur und Geometrie von virtuellen Objekten ertasten und erhöht auf diese Weise den Immersionsgrad in der virtuellen Umgebung.
• Augmented Reality (AR): Definition neu Form der Mensch-Technik Interaktion, bei der dem Anwender Information in sein Sichtfeld eingeblendet werden(Datenbrille) Die Einblendung geschieht kontextabhängig, d.h. passend und abgeleitet vom betrachteten Objekt, z.B. einem Bauteil.

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