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1 Termin 1: Was ist VR? Wintersemester 2007/08 Prof. Bernhard Jung Übersicht über die Vorlesung 2V+2Ü (!) Was ist VR? Kurze Einführung in die Mensch- Maschine Interaktion VR Input Devices VR Output Devices (1) VR Output Devices (2) VR Software, Szenengraphen Manipulation Navigation Kommunikation Virtual Humans Action Capture Augmented Reality 1

2 Organisatorisches Vorlesung Di, 14:00-15:30 Raumverlegung: ab in URZ-3409! Übung Di, 12:30-14:00 URZ-2310 Dipl.-Inf. Heni Beni Amor Literatur Sherman, W. & Craig, A. Understanding Virtual Reality. Morgan Kaufmann D. Bowman, E. Kruiff, J.J. LaViola & I. Poupyrev. 3D User Interfaces. Addison Wesley M. Slater, A. Steed, Y. Chrysanthou. Computer Graphics and Virtual Environments. From Realism to Real-time. Addison Wesley Publishing John A. Vince. Introduction to Virtual Reality. Springer-Verlag

3 Übersicht über Termin VR Beispiele in Freiberg Was ist VR? Definitionen Historie der VR Anwendungsgebiete der VR VR im Tagebau Studentenprojekt, TU BAF, SS06-WS06/07 3

4 Virtual Workers DFG-Projekt am Institut für Informatik Neuartiges Verfahren zur Animation digitaler Menschmodelle Virtuelle Menschen imitieren Aktionen von VR-Benutzern Zielanwendungen in der Evaluation virtueller Prototypen Projekt Virtual Workers: Klassifikation von Griffen cylindrical hook spherical palmar lateral tip 4

5 Was ist? Technologie-zentrierte Sichtweise VR is electronic simulations of environments experienced via head mounted eye goggles and wired clothing enabling the end user to interact in realistic three-dimensional situations (Coates, 1992) Trends: weniger Kabel, preiswerter Virtual Reality - Vision: Die ultimative Mensch-Maschine-Schnittstelle Problem mit gloves n goggles - Sicht der VR: Schnelle Weiterentwicklung der Technologie (z.b. Holodeck?) Im weiteren Sinne: VR als neuartige Mensch-Maschine-Schnittstelle An intuitive interface between man and machine is one which requires little training... and proffers a working style most like that used by the human being to interact with environments and objects in his day-to-day life. In other words, the human interacts with elements of this task by looking, holding, manipulating, speaking, listening, and moving, using as many of his natural skills as are appropriate, or can reasonable be expected to be applied to a task (Stone,93) C.f.: VR als Post-WIMP Interface (vandam,97) 5

6 Was ist VR? Unter dem Begriff der Virtuellen Realität werden Techniken verstanden, die es erlauben, einen Menschen unmittelbar in Computer-generierte Welten zu integrieren. Als die Mensch-Maschine-Schnitttstelle der Zukunft angesehen, sprechen Techniken der Virtuellen Realität mehrere Sinne des Menschen zugleich an, beispielsweise Gesichts-, Hör- und Tastsinn. Anwendungen der Virtuellen Realität sind in Architektur, Design, Modellierung chemischer Moleküle, Simulatortechnik, industrieller Automatisation und Medizintechnik zu finden. [Unter Virtueller Umgebung ist] eine vom Rechner generierte und kontrollierte Umgebung für die Mensch-Maschine-Kommunikation gemeint.... Diese ist allerdings dem intuitiven Verständnis des Menschen wesentlich näher als abstrakte, über Menüs und Windows erstellte Desktop -Schnittstellen. [Astheimer et al., 1994] Was ist VR? Sherman & Craig, wesentliche Elemente der VR: die virtuelle Welt, d.h. Inhalt des Mediums Immersion (körperlich/mental) Sensorisches Feedback Interaktivität Virtual Reality: a medium composed of interactive computer simulations that sense the participant's position and replace or augment the feedback to one or more senses -- giving the feeling of being immersed or being present in the simulation. 6

7 3D-Computergraphik vs 3D-Computergraphik rein visuelle Präsentation zeitunkritische Präsentation statische Szene oder vorberechnete Animation 2D-Interaktion (zur Erstellung der Szene) (Maus, Tastatur) multimediale Präsentation visuell, akustisch, haptisch Echtzeit-Präsentation Echtzeitinteraktion und -simulation 3D-Interaktion (Körperbewegung, Hand-, Kopf- u. Körpergestik) + Spracheingabe VR gekennzeichnet durch 3D-Präsentation und 3D-Interaktion Dimensionen der Virtuellen Realität: Zeltzer s AIP-Würfel autonomous agents (1,0,0) task-level interfaces (1,1,0) (1,0,1) Digital Shakespeare Autonomy (1,1,1) (holy grail of) Virtual Reality Presence Interaction (0,1,0) complex work domains e.g. conventional CAD (0,0,1) immersive interfaces (0,0,1) 7

8 Kategorien der VR Nichtimmersive VR Benutzer kann Blick von rechnergenerierter Präsentation abwenden und auf Realität richten Ausgabegeräte: 3D-Fenster auf Bildschirm, Großbildleinwand, Responsive Workbench, etc. Eingabegeräte: Maus, Space-Mouse, Tracker, Datenhandschuh,... Immersive VR audiovisuelle Wahrnehmung ist ausschließlich rechnergeneriert Ausgabegeräte: Head Mounted Display, Boom, Cave Eingabegeräte: Tracker, Datenhandschuh, Phantoms, Bei HMD: Eingabegeräte müssen fest montiert/gehalten werden; nachträgliches Greifen nicht möglich Stereoskopische Präsentation Binokulare Tiefenwahrnehmung... nutzt Konvergenzwinkel zw. Augenachsen zur Bestimmung des Abstands beim nahen Sehen (ca. 10% der Bevölkerung verfügt über keine binokulare Tiefenwahrnehmung) Stereoskopische Systeme... präsentieren zwei perspektivisch verschobene Ansichten der Szene ( Stereo Pairs, stereoskop. Halbbilder) Zeitparallele Systeme: simultane Präsentation der Halbbilder für linkes und rechtes Auge Farbtrenntechnik: Halbbilder in Rot und Grün dargestellt; Grün-Rot-Brille; Nachteil: keine Farbinformation Verschiedene Polarisation Verwendung von zwei Bildschirmen, z.b. HMD, Boom Zeitmultiplexe Systeme: zeitlich versetzte Präsentation der Halbbilder für li. und re. Auge Shuttersysteme 8

9 Stereoskopische Displays - Beispiele head-set VR ("goggle-bound") HMD (auch als see-through) Boom projection-based VR Workbench CAVE VR-Eingabegeräte: Beispiele 3D Positionsgeber (Tracker) Datenhandschuh Tracked Wand (Joystick) Datenanzug Shape Tape 9

10 Historische Entwicklung der VR 50er Jahre 180-Grad Kinos, 3D-Brille, erste Bewegungssimulatoren (Flugsimulatoren) 1965 Sutherland: The Ultimate Display, 3D-Präsentation unter Berücksichtigung der Körperstellung, prototypisches HMD ca fertiggestellt 70er Jahre 3D-Tracking (US Militär) Ende 70er Jahre VR-Forschung an der Univerisity of North Carolina, Chapel Hill (UNC) Forschungsschwerpunkte: 3D Hardware, Algorithmen für Visualisierung Anwendung: Medizin Mitte 80er Jahre VR-Forschung bei NASA AMES Szenario: Virtuelle Raumstation / Teleoperation 1989 Data Glove ist marktreifes Produkt Anfang 90er Jahre HMD ist marktreif VR-Forschung in Deutschland (GMD; Fraunhofer-Institute in Darmstadt, Stuttgart) 1992 Vorstellung der CAVE (projektionsbasierte VR); Vermarktung ab 1995 Mitte 1990er Jahre: Force-Feedback Geräte, elektromagnetisches Positionstracking seit ca 2000: optisches Tracking, z.t. Video; vermehrt Augmented Reality Anwendungen Architektur Walk-throughs Benutzer bewegt sich durch virtuelle Umgebung auch im Web (VRML, Quicktime VR) Erkundung großer Datenmengen (Scientific Visualization) z.b. interaktive Simulation im NASA Virtual Wind Tunnel - billiger und schneller als echter Windtunnel 10

11 Anwendungen Telerobotik Übertragung von Bewegungen eines Teleoperateurs auf Roboter Virtuelle Schauspieler z.b. Max Headroom z.b. Gollum in Herr der Ringe noch nicht Echtzeitfähig Anwendungen - Virtuelles Prototyping Design, Review, Analyse digitaler Produktmodelle in VR Nutzen i. Vgl. zu physikalischen Prototypen einfachere Modifizierbarkeit, Erprobung alternativer Entwürfe Überprüfung des visuellen Designs, (De-) Montierbarkeit, Ergonomie weniger physikalische Prototypen benötigt Verkürzung des Produktentwicklungszyklus Layout-Planung bei Volkswagen Ergonomieuntersuchung mit Virtual Human 11

12 Anwendungen Collaborative Virtual Environments Anwendungen Interaktive Echtzeitsimulationen für das Training Fahr- und Flugausbildung Raumfahrt Medizin Militär 12

13 Anwendungen Second Life Spiele Social Virtual Environments z.b. Second Life Neue Benutzungsschnittstellen z.b. Sony Eyetoy z.b. Nintendo Wiimote Wiimote zur Steuerung von PacSanta TU BAF Sony EyeToy Intelligente Virtuelle Umgebungen VR - Eine neue Epoche der Mensch-Maschine-Kommunikation (?) nach [Astheimer et al., Informatik Spektrum 16:6, 1994] von bisherigen WIMP (windows, icons, menues, and pointing devices) zu zukünftigen SILK (speech, image, language, knowledge) Schnittstellen. Stand heute: Post-WIMP Interfaces [van Dam, Comm. ACM 40:2, 1997] Forschungsthemen Unterlegung von 3D-Präsentationsdaten mit wissensbasierten Modellierungen Virtuelle Assistenten, Intelligente Avatare, Believable Agents Multimodale Mensch-Maschine Interaktion z.b. mit Sprache und Gestik Situierte Kommunikation Kognitive Aspekte und Human Factors von virtuellen Umgebungen Konzeptbasiertes, räumliches und multimodales Schließen über 3D Umgebungen 3D-Simulationssysteme z.b. in der (kognitiven) Robotik, Artificial Life 13

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