Großer Beleg. Präsentationstechniken für VR-Umgebungen

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1 TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN FAKULTÄT INFORMATIK INSTITUT FÜR SOFTWARE- UND MULTIMEDIATECHNIK PROFESSUR FÜR COMPUTERGRAPHIK UND VISUALISIERUNG PROF. DR. STEFAN GUMHOLD Großer Beleg Präsentationstechniken für VR-Umgebungen Andreas Reger (Mat.-Nr.: ) Betreuer: Prof. Dr. Stefan Gumhold Dresden, 10. Dezember 2009

2 Aufgabenstellung Präsentationstools, wie Powerpoint, bieten keine Funktionalität für stereoskopische Präsentationen. Folien müssen umständlich für die Ansichten des linken und rechten Auges getrennt erstellt werden. Des Weiteren führen ungünstig gewählte gestalterische Mittel und Präsentationsabfolgen zum Zusammenbruch des Tiefeneindrucks und zu einer erheblichen Belastung des Betrachters. Ziel der Belegarbeit ist es, ein einfaches aber erweiterbares Präsenationstool zu entwickeln, das die Präsentation von Texten, stereoskopischen Bildern und stereoskopischen Videos erlaubt. Darauf aufbauend sollen Strategien untersucht werden, die eine angenehme Betrachtung der Präsentation erlauben, ohne zu einem Zusammenbruch des Tiefeneindrucks zu führen. Im Speziellen sind die folgenden Punkte zu erarbeiten: Abgrenzung zu existierenden Präsentationslösungen Konzeption und Untersuchung passender Gestaltungsmittel (Folienübergänge, Animation, Folienlayout) Ermittlung nötiger Freiheiten und Restriktionen bzgl. der Interaktion Möglichkeit zur Integration statischer Modelle aus OBJ-Dateien Möglichkeit zur Integration stereoskopischer Bilder Umsetzung unter Verwendung des C++-Frameworks des Lehrstuhls für Computergraphik und Visualisierung Erstellung einer Beispielpräsentation Zusatzaufgabe: Integration animierter 3D-Modelle und Stereo-Videos

3 Selbstständigkeitserklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die von mir am heutigen Tag dem Prüfungsausschuss der Fakultät Informatik eingereichte Belegarbeit zum Thema: Präsentationstechniken für VR-Umgebungen vollkommen selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt sowie Zitate kenntlich gemacht habe. Dresden, den 10. Dezember 2009 Andreas Reger

4 1 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Motivation Problemstellung Gliederung der Arbeit und Abgrenzung der Teilaufgaben Einführung und Abgrenzung Stereopräsentation im Sinne dieser Arbeit D-Echtzeitgrafik und Virtuelle Realität Immersive Virtuelle Realität Desktop - Virtuelle Realität Einordnung von Stereopräsentationen Anwendungsdomänen für Stereopräsentationen 11 4 Wahrnehmung von Stereopräsentationen Tiefenhinweise räumlicher Wahrnehmung Monokulares Sehen Stereoskopisches Sehen Das Prinzip der Steroskopie Vorteile stereoskopischer Darstellung Probleme stereoskopischer Darstellung Diskrepanz zwischen Akkomodation und Konvergenz Einfluss durch Standpunkt des Betrachters Diskrepanz zwischen Objekt und Rahmen Design von Stereopräsentationen Methoden zur Vermeidung beobachteter Phänomene Verringerung der Diskrepanz zwischen Objekt und Rahmen Verringerung des Einflusses durch Standpunkt des Betrachters

5 2 5.2 Integration von Medienobjekten Integration von Text Integration von Bild und Bewegtbild Integration dreidimensionaler Modelle Vom Objekt zur Folie Folienübergänge klassischer Präsentationstools Raum- und Navigationsmetaphern für 3D-Echtzeitgrafik-Anwendungen Allgemeine Gestaltungshinweise Metaphern zur Foliengestaltung Beispiel für die Kombinationen einzelner Metaphern und Designvorschläge Umsetzung Beschreibung des Präsentationstools Abgrenzung von vorhandenen Lösungen Present3D D-Powerpoint Umsetzung und Beispiele Vorhandene Funktionen des GTI Erweiterungen im Zuge der Belegarbeit Beispiel Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis 60

6 1. EINLEITUNG 3 1 Einleitung 1.1 Motivation Stereoskopie und stereoskopische Anwendungen entwickeln sich unaufhörlich zu einem Massenmarkt. In den letzten Jahren schossen dutzende neuer 3D-Kinos aus dem Boden, stereoskopische 3D-Präsentationen eroberten die Messehallen und stereoskopische sowie autostereoskopische Bildschirme und TV-Geräte werden dem zahlenden Kunden schon heute schmackhaft gemacht. Neben dem werbeträchtigen HD Ready wird sich wohl in absehbarer Zukunft auch 3D Ready etablieren. Zur einfachen Erstellung von 3D-Fotos und -Videos werden immer wieder neue Geräte auf den Markt gebracht. Die Weiterentwicklung handlicherer Kameras soll 3D-Fotografie auch in den Consumer-Bereich bringen. [FUJ09] Professionelle 3D-Modelle müssen Dank kostenloser 3D-Modellierungs-Software, wie beispielsweise Blender, als die wohl am weitesten verbreitete Lösung, nicht mehr zwingend nur mit teuren Programmen erstellt werden. [Ble09] Leichten Zugang zur Erstellung und weltweiten Verbreitung von 3D-Modellen auch für Anfänger bietet unter anderem die leicht erlernbare Anwendung SketchUp von Google. [Goo09] Abbildung 1.1: Möglichkeiten zur Erstellung von stereoskopischen Inhalten: Stereokamera, 3D- Modellierungs-Software, 3D-Camcorder Produkte zum Erstellen und Wiedergeben von 3D-Inhalten sind also durchaus verfügbar, sodass sich automatisch die Frage nach einer, ihren Eigenschaften berücksichtigenden, Präsentation stellt.

7 1. EINLEITUNG Problemstellung Präsentationstools gibt es etliche: Microsoft Powerpoint, OpenOffice Impress oder Apple Keynote bieten eine breite Unterstützung zur Integration einer Vielzahl statischer und dynamischer 2D-Inhalte. Oftmals können Folien mit 3D-Effekten, beispielsweise bei Diagrammen oder Folienübergängen, aufgewertet werden. Eine Unterstützung echter 3D-Daten ist jedoch in der Regel nur durch spezielle Plugins möglich, weshalb meist auf vorgerenderte Bilder dreidimensionaler Szenen zurückgegriffen wird. Selbst mit entsprechenden Plugins zur Integration von 3D-Echtzeitgrafik ist noch keine Funktionalität für eine stereoskopische Präsentation gegeben, da auch dann nur eine Folie, und somit eine identische Ansicht für linkes und rechtes Auge, erstellt wird. Die Erstellung einer Stereopräsentation war somit bisher meist Firmen vorbehalten, die ihren Kunden ein fertiges Produkt, beispielsweise eine spezielle Präsentation für einen Messeauftritt, verkauften. Mittlerweile wurden jedoch auch Lösungen wie Present3D des OpenSceneGraph Projektes entwickelt, welche es erlauben, 3D-Szenen zu einer Präsentation zusammenzustellen und diese auch stereoskopisch darzustellen. [Pre09] Das Problem, welches sich bei der Erstellung Stereopräsentationen ergibt, ist, dass der erzeugte Tiefeneindruck schnell zusammenbrechen oder zu paradoxen Eindrücken führen kann. Verschiedene Phänomene der stereoskopischen Darstellung und somit auch von Stereopräsentationen können beim Betrachter Irritationen, Ermüdungserscheinungen oder im ungünstigsten Fall sogar Kopfschmerzen herbeiführen. Daher sollen in dieser Arbeit gestalterische Mittel untersucht und gefunden werden, die das Risiko des Verlustes des Tiefeneindrucks minimieren und somit ein angenehmes Betrachten ermöglichen können. 1.3 Gliederung der Arbeit und Abgrenzung der Teilaufgaben Die Belegarbeit umfasst im Wesentlichen zwei Teilbereiche. Teilbereich eins ergibt sich aus der Untersuchung der Probleme und Phänomene stereoskopischer Darstellungen. Als Basis dafür soll in Abschnitt 2.1 erst grundlegend definiert werden, was eine Stereopräsentation im Sinne dieser Arbeit ist. Anschließend soll eine Einordnung innerhalb der Begriffswelt der Computergrafik erfolgen (Abschnitt 2.2 bis 2.5) und verschiedene Anwendungsdomänen ausgemacht werden (Kapitel 3). Nachfolgend werden die eigentlichen Eigenschaften, Probleme und Phänomene der stereoskopischen Darstellung in Kapitel 4 untersucht. Dem zweiten Teilbereich, das Gestalten und Umsetzen von Stereopräsentationen basierend auf den vor-

8 1. EINLEITUNG 5 hergehenden Untersuchungen, widmen sich Kapitel 5 und Kapitel 6, welches zugleich die Realisierung des praktischen Teils der Belegarbeit beinhaltet.

9 2. EINFÜHRUNG UND ABGRENZUNG 6 2 Einführung und Abgrenzung 2.1 Stereopräsentation im Sinne dieser Arbeit Eine Stereopräsentation im Sinne dieser Arbeit, ist eine Slideshow zur Vermittlung komplexer Daten oder von 3D-Inhalten (Stereo-Bilder, Stereo-Videos, 3D-Modelle), bei denen die Tiefeninformation von entscheidender Wichtigkeit für das Verständnis ist. Der Begriff Slideshow soll dabei eine Präsentationsabfolge, wie sie aus 2D-Präsentationen (Powerpoint, Keynote) bekannt ist, bezeichnen. Die Folien (Slides) werden zu Szenen, durch die sich der Nutzer klickt. Die Folienmetapher soll dabei nicht aus den Augen gelassen werden, sondern wird lediglich in die dritte Dimension befördert, indem der Benutzer innerhalb einer, mit 2D- und 3D-Inhalten angereicherten, Szene interagieren beziehungsweise navigieren kann. Eine Stereopräsentation ist vornehmlich für die Wiedergabe durch stereoskopische Ausgabegeräte, wie speziellen Monitoren oder Stereo- Rückprojektionswänden konzipiert, schließt aber die Betrachtung auf einem normalen Bildschirm oder Beamer in Mono nicht aus. Stereopräsentationen zeichnen sich allgemein durch eine hohe Medienintegration und eine eher flache Interaktion (auch wenn diese deutlich stärker als bei einer 2D-Präsentation ausgeprägt sein kann) durch den oder die Nutzer aus. Im Folgenden wird sich mit dem Begriff Stereopräsentation stets auf die beschriebene Form der Präsentation bezogen D-Echtzeitgrafik und Virtuelle Realität Nach [Pie01] lässt sich eine 3D-Applikation als ein Programm beschreiben, welches dem Benutzer eine dreidimensionale Szene präsentiert. Darüber hinaus kann der Nutzer in Echtzeit mit dieser Szene interagieren. Im Unterschied zu einem 3D-Film oder einer 3D-Animation, als Ergebnis der Arbeit mit einer 3D- Modellierungs-Software, ist bei der 3D-Echtzeitgrafik die Darstellung einer Szene also abhängig vom

10 2. EINFÜHRUNG UND ABGRENZUNG 7 Blickpunkt des Betrachters - oder vielmehr abhängig vom Standpunkt der, dem Benutzer repräsentierenden, virtuellen Kamera. Durch Interaktion kann der Nutzer, im Unterschied zu einer vorgerenderten Szene, seinen Blickpunkt ändern und die gesamte Darstellung der Szene beeinflussen. Es werden also keine vorgefertigten Bilder der Szene gezeigt, sondern die dreidimensionalen Objekte werden zum Zeitpunkt der Anzeige auf dem zweidimensionalen Ausgabegerät in Echtzeit transformiert und beleuchtet. [Dac04] Der Begriff Virtuelle Realität (im Folgenden mit VR bezeichnet), als klassische Domäne interaktiver 3D- Echtzeitgrafik, ist dagegen wesentlich unschärfer. Er wird in unterschiedlichen Umgebungen verwendet, stets beeinflusst durch die verwendete Hard- und Software zur Ein- beziehungsweise Ausgabe. Virtuelle Realität steht unter anderem für die computersimulierte Wirklichkeit, eine künstliche Welt, oder aber auch für eine Benutzeroberfläche, in der der Nutzer innerhalb einer simulierten Welt handeln und somit eine Anwendung steuern kann. Virtuelle Realität findet überall dort Anwendung, wo Anwender komplexe Daten visualisieren, manipulieren und damit interagieren. [Bri09] 2.3 Immersive Virtuelle Realität Voraussetzung einer echten Virtuellen Realität ist das Herbeiführen des Bewusstseinszustandes der Immersion, also des Eintauchens in die dargestellte Szene. Je höher nun der Grad der Interaktivität, also die Anzahl der Einflussmöglichkeiten durch den Benutzer ist, desto einfacher und schneller stellt sich Immersion ein. Die physikalische Umgebung verliert an Eindrucksqualität oder verschwindet sogar gänzlich. Die simulierten Inhalte werden zu realen Eindrücken. Somit bilden immersive Systeme den Idealtypus der VR-Systeme. Der Nutzer ist direkt an die simulierte, virtuelle Umgebung gekoppelt. [Kri05] VR-Umgebungen benötigen zur Einstellung der Immersion spezielle höherdimsionale Eingabegeräte, wie eine Spacemouse oder einen Datenhandschuh zur Realisierung der Interaktion - und meist stereoskopische Ausgabegeräte (Head Mounted Display, CAVE oder stereoskopische Rückprojektionswand), um ein optisches Eintauchen zu ermöglichen. Entgegen dieser Beschreibung echter VR-Umgebungen, also solcher, die Immersion erlauben, findet der Begriff Virtuelle Realität auch für andere, mitunter nicht-immersive, Umgebungen zur Darstellung interaktiver 3D-Grafik Verwendung. Im Folgenden soll daher näher auf den Bereich der Desktop-VR, als Vertreter eines eben solchen wenig

11 2. EINFÜHRUNG UND ABGRENZUNG 8 bis nicht-immersiven Bereiches, eingegangen werden. 2.4 Desktop - Virtuelle Realität Desktop-VR-Anwendungen lassen sich als nicht-immersive Virtuelle Realität auf Standardcomputern... definieren [Dac04]. Solche Anwendungen, wie beispielsweise Web3D-Anwendungen und mit Einschränkungen auch Computerspiele, folgen dem Prinzip des looking at rather than beeing in [Shn02]. Der Mensch schaut über ein Fenster in eine virtuelle Welt und kann mit den in der Welt enthaltenen Objekten interagieren. Somit kann dem Anwender nur ein limitierter Arbeitsbereich geboten werden. Die Nutzung spezieller 3D-Eingabegeräte oder Ausgabegeräte stereoskopischer Natur (Shutter-Brille, autostereoskopischer Monitor) sind hierbei jedoch nicht zwingend ausgeschlossen. Eine wirkliche Immersion wird sich aber auch bei Verwendung solcher Mittel nicht einstellen können, da der Nutzer den Bildschirm als solchen in seiner Wahrnehmung nicht komplett ignorieren kann. Immersion, und somit echte Virtuelle Realität, ist also nicht nur vom Grad der Interaktion abhängig (eine hohe Anzahl der Einflussmöglichkeiten kann schließlich auch auf Desktop-Geräten erzielt werden), sondern wird auch durch andere Parameter, wie beispielsweise der Größe der Projektionsfläche (oder vielmehr dem Grad der Abschirmung von der realen Umgebung), bestimmt. Anders als eine CAVE, wird ein Desktop-PC auch bei laufender VR-Anwendung noch als solcher erkennbar bleiben. Desktop-VR in Kombination mit einer stereoskopischen Ausgabe werden auch als Fish-Tank VR-Systeme bezeichnet. Bedingt durch die im Allgemeinen rechteckige Form der Monitore, auf dem der Anwender räumliche Bilder sieht, ähneln solche Systeme vom Erscheinungsbild einem großen Aquarium (engl. fish tank). [Kri05] Durch die steigende Bedeutung und die wachsende Verbreitung von Desktop-VR Anwendungen, wird der PC von einigen Wissenschaftlern häufig als VR Plattform der Zukunft bezeichnet. [Dac04] Bei Präsentationen und Vorträgen wird standardmäßig auf Beamer oder Displays mit großer Bilddiagonale zurückgegriffen, um das Bild einem breiteren Publikum präsentieren zu können. Die Ausgabe als Stereoprojektion mit zwei statt nur einem Beamer oder auf autostereoskopischen Displays stellt somit eine logische Weiterentwicklung dar.

12 2. EINFÜHRUNG UND ABGRENZUNG Einordnung von Stereopräsentationen Wie eingangs erwähnt, laufen Stereopräsentationen im Allgemeinen auf Bildschirmen und Leinwänden. Da sie sich oftmals an ein Publikum von mehreren Personen wenden, sind sie in CAVE-Systemen eher schlecht realisierbar. Dort wird zwar ein immens hoher Grad an Immersion erreicht, jedoch führt der eng begrenzte Raum dazu, dass solche Installationen nur für eine geringe Anzahl von Personen gleichzeitig genutzt werden kann. Die Anwesenheit einer vortragenden oder präsentierenden Person schließt die Verwendung von Head Mounted Displays oft aus. Daher lassen sich im Wesentlichen die in Abbildung 2.1 schematisch veranschaulichten Anwendungsszenarien bezüglich Nutzerkreis und Ausgabemedium von Stereopräsentation bilden. Abbildung 2.1: Nutzerkreise und Ausgabemedien für Stereopräsentationen Aus diesen vier Anwendungsszenarien lassen sich nun Überlegungen bezüglich des Grades der Immersion und somit zur Kategorisierung der Stereopräsentation innerhalb der VR-Anwendungen formulieren. Unter Berücksichtigung der Verbreitung der genannten Systeme und der im Abschnitt 2.1 formulierten Beschreibung einer Stereopräsentation, wird sich dabei auf die Verwendung von Monitor und Powerwall als Ausgabemedien beschränkt. Einzelner Rezipient: Ist bei Verwendung einer Powerwall diese groß genug, so kann sich der einzelne Nutzer so positionieren, dass er die restliche Umgebung des Raumes nur noch geringfügig bis gar nicht wahrnimmt. Optisch ist das Eintauchen in die gegebene Szene also realisierbar. Bei einem Monitor dagegen herrscht die in Abschnitt 2.4 beschriebene Fish-Tank Situation, wirkliche Immersion stellt sich also kaum bis gar nicht ein.

13 2. EINFÜHRUNG UND ABGRENZUNG 10 Gibt es einen Vortragenden, so ist anzunehmen, dass dieser auch den Ablauf der gehaltenen Präsentation bestimmt. Jegliche Interaktion geht also von ihm aus - sei es die Navigation durch die einzelnen Slides oder aber die Navigation innherhalb der dargestellten Szenerie (also das Bewegen in der virtuellen Welt). Wird auf einen Vortragenden verzichtet, so kann Interaktion vom Rezipienten selbst ausgehen, welcher nun zum Anwender wird. Der Grad der Immersion ist hier am höchsten. Mehrere Rezipienten: Besteht das Publikum aus einer größeren Anzahl von Personen, so entfällt der erste Aspekt - die Zuschauer verteilen sich vor der Projektionsfläche und eine echte Abschottung, wie sie für das Einstellen von Immersion nötig wäre, ist nicht mehr möglich. Bei sehr großen Installationen (beispielsweise bestehend aus mehreren, parallel arbeitenden Powerwalls) ist es gewiss möglich das Publikum als Gruppe abzuschotten, doch kann Interaktion auch hier nur von einem Einzelnen ausgehen - unabhängig davon, ob ein Vortragender die Präsentation begleitet oder nicht - da alle dasselbe Ausgabegerät nutzen und daher auch eine identische Darstellung der Szene präsentiert bekommen. Der Grad der Immersion, und somit die Einordnung der Stereopräsentation innerhalb der VR-Anwendungen, hängt also sowohl von der Wahl des Ausgabemediums, als auch von der Anzahl der sich im Publikum befindenden Personen ab.

14 3. ANWENDUNGSDOMÄNEN FÜR STEREOPRÄSENTATIONEN 11 3 Anwendungsdomänen für Stereopräsentationen Stereopräsentationen bedienen prinzipiell alle Anwendungsdomänen von 2D-Präsentationen und natürlich solche, in denen bereits Präsentationslösungen in 3D (beispielsweise Web3D) genutzt werden. Darüber hinaus eignen sie sich im Besonderen zur Visualisierung komplexer Sachverhalte, welche von einer stereoskopischen Darstellung der dritten Dimension profitieren. Dazu gehören beispielsweise abstrakte Daten wie Diagramme, Informations- und Hierarchievisualiserung oder aber auch Objekte, bei denen die räumliche Erfahrung an sich im Mittelpunkt steht (Architekturvisualisierung, Produktpräsentation). Im Folgenden sollen daher einige Anwendungsdomänen aufgeführt werden, in denen sich stereoskopische Präsentationen bereits etabliert haben oder aber solche, in denen eine Nutzung als durchaus sinnvoll und realisierbar anzusehen ist. Beispiele für Anwendungsdomänen (teilweise aus [Dac04]): E-Commerce Das klassische Feld der Produktpräsentation ist oft eines der ersten Bereiche, in denen nach Forschung und Entwicklung, neue und publikumswirksame Technologien Einzug halten. Die Zweidimensionalität von Produktfotos wird überwunden und somit Aufmerksamkeit geschaffen. Kunden wollen neue Produkte anfassen oder sie wenigstens von allen Seiten und Perspektiven aus bestaunen. Die teilweise komplexen Produkte können vergrößert und von allen Seiten betrachtet, und die Funktionsweise einzelner Teile mittels Animationen realitätsnah veranschaulicht werden. Im Internet lassen sich zahlreiche Dienstleister finden, welche Komplettlösungen für Messeauftritte und Showrooms mit Stereotechnologie, sowohl hinsichtlich der Hardwareausstattung als auch für die Erstellung der Präsentationen an sich bieten. Dies ist als Zeichen für das Vorhandensein eines entsprechenden Marktes in diesem Bereich zu deuten. Zu den typischen Branchen, welche sich stereoskopischer Mittel zur Präsentation ihrer Produkte bedienen, zählen Medizintechnik, Bau-, Automobil- und Maschinenindustrie. Informationsvisualisierung Bei der Veranschaulichung abstrakter Daten hat eine 3D-Visualisierung praktische Vorteile gegenüber ei-

15 3. ANWENDUNGSDOMÄNEN FÜR STEREOPRÄSENTATIONEN 12 ner 2D-Präsentation: Diagramme, Hierarchien, Prozessbläufe und Navigationsstrukturen können durch die zusätzliche Dimension mehr Daten beinhalten, die gleichzeitig darstellt werden sollen. Komplexe Strukturen können durch eine gewisse Körperlichkeit leichter begreifbar gemacht, aber auch schneller als Interaktionsobjekt identifiziert werden. Eine weitere Möglichkeit ist das gleichzeitige Darstellen mehrerer 2D-Dokumente in einem 3D-Raum. Lehr- und Lernanwendungen Auch in diesem Bereich könnten Stereopräsentationen an Bedeutung gewinnen. Die Visualisierung komplexer Sachverhalte oder Vorgänge, beispielsweise in einer Bauanleitung, profitiert von einer Darstellung, die das Betrachten von allen Seiten ermöglicht. Im schulischen und universitären Bereich werden Präsentationen intensiv zur Wissensvermittlung genutzt. Von der Integration stereoskopisch dargestellter Objekte in übliche Präsentationen würden viele Bereiche, wie etwa die Biologie (z.b. realistische Präsentation von Organen) und Medizin (Präsentation von Röntgen- oder CRT-Aufnahmen), Physik und Chemie (z.b. Molekülstrukturen), Astronomie (z.b. in Planetarien) und Informatik (z.b. Veranschaulichung grundlegender Prinzipien der Computergrafik) enorm profitieren. In einigen Fachrichtungen, wie beispielsweise im Maschinenbau, werden stereoskopische Präsentationen zur Veranschaulichung bereits erfolgreich eingesetzt. Architektur-, Stadt- und Landschaftsvisualisierung Auch im Bereich der Geovisualisierung oder bei der Planung städtebaulicher Maßnahmen werden VR- Verfahren bereits erfolgreich genutzt. Während bei der Architekturplanung meist immersive VR-Anwendungn verwendet werden, könnten Stereopräsentationen darüber hinaus jedoch Bereiche wie Gebäudevermarktung oder Tourismus bedienen. Freizeit und Unterhaltung Einen großen Nutzerkreis könnte sich die Stereopräsentation auch im Freizeit- und Unterhaltungsbereich erschließen. Vorstellbar wären hier beispielsweise Foto- und Videogalerien für 2D-, aber auch für 3D-Fotografie und -Filmaufnahmen. Virtuelle Museumsschaukästen und die Präsentation von 3D-Kunst bilden eine weitere Anwendungsmöglichkeit. Nach zunehmender Digitalisierung im TV Bereich sowie der möglichen Einführung des 3D-Fernsehens, könnten Stereopräsentationen natürlich auch direkt bei der Produktion von TV- und Teletextinhalten genutzt werden.

16 4. WAHRNEHMUNG VON STEREOPRÄSENTATIONEN 13 4 Wahrnehmung von Stereopräsentationen 4.1 Tiefenhinweise räumlicher Wahrnehmung Monokulares Sehen Typischerweise sind Ausgabegeräte der Informatik, also Bildschirme und Projektoren, flächiger Natur. Bei der Präsentation einer Szene wird im Allgemeinen dabei nur ein einziges Bild für beide Augen - man spricht hierbei vom monokularen Bild - generiert. Damit das menschliche Gehirn nun die räumliche Anordnung einzelner Objekte innerhalb der Szene (des monokularem Bildes) erkennen kann, bedient man sich visuellen Tiefenhinweisen. Diese Tiefenhinweise beruhen auf den Erfahrungen des Betrachters, welche dieser durch das Sehen mit zwei Augen in der realen Welt gesammelt hat. Tiefenhinweise beim monokularen Sehen (teilweise aus [Ste97] und [McA93]): Größe und Verdeckung Werden Objekte dargestellt, die der Benutzer aus der realen Welt kennt, so kann er anhand der relativen Größe, also des Größenunterschiedes zu anderen dargestellten Objekten, Aussagen bezüglich der Distanz der Objekte zueinander und ihrer Positionierung im Raum treffen. Werden zwei eigentlich gleichgroße Objekte unterschiedlich skaliert dargestellt, so wird der Betrachter automatisch davon ausgehen, dass sich das kleinere Objekt in größerer Entfernung befindet. Hat der Betrachter jedoch keinerlei Information über die tatsächliche Größe eines Objektes, da es sich beispielsweise um ein abstraktes Gebilde handelt, kann man das Prinzip der Verdeckung nutzen, um den Betrachter Tiefeninformation zu vermitteln. Die Regel, dass Objekte im Vordergrund im Hintergrund liegende Objekte verdecken, ist dem Betrachter von seiner natürlichen Wahrnehmung her bekannt. Beide Sachverhalte sollen in Abbildung 4.1 an einem anschaulichen Beispiel verdeutlicht werden. Licht und Schatten Der Licht- und Schattenwurf kann, wie in Abbildung 4.2 verdeutlicht, sowohl Aufschluss über die Distanz von Objekten zueinander und zum Betrachter geben, als auch beispielsweise Informationen über

17 4. WAHRNEHMUNG VON STEREOPRÄSENTATIONEN 14 Abbildung 4.1: Relative Größe und Verdeckung: Größenunterschiede führen aus Erfahrung zu einem Tiefeneindruck (links), bei Uneindeutigkeit bzgl. der Größenrelation klärt Verdeckung die räumliche Anordnung (rechts) ihren Abstand von der Oberfläche vermitteln. Dunklere Gegenstände erscheinen meist weiter entfernt als hellere. Ein Schattenwurf verdeutlicht darüber hinaus, ob sich das Objekt auf einer Oberfläche befindet oder frei im Raum schwebt. Abbildung 4.2: Einwirkung von Schatten auf die Tiefenwahrnehmung: Über die räumliche Anordnung der Figur kann keine eindeutige Aussage getroffen werden (links), die Anwesenheit von Schatten kann dies korrigieren (mitte und rechts) Texturauflösung, Schärfe und Farbe Ähnlich wie die Helligkeit, kann auch die Farbsättigung sowie die Schärfe der dargestellten Objekte Tiefenhinweise bieten. So führen Verblauung, Trübung, Aufhellung und Unschärfe sich im Hintergrund befindlicher Objekte zu einem Tiefeneindruck, wie er vor allem in Gemälden der Renaissance anzutreffen ist. [Gro05] Konkreter als Schärfe im Allgemeinen, beschreibt Texturauflösung die Wahrnehmung der Struktur eines Objektes. Nahe liegende Objekte besitzen im Normalfall eine deutlichere, offensichtlichere Struktur als entfernte.

18 4. WAHRNEHMUNG VON STEREOPRÄSENTATIONEN 15 Bewegungsparallaxe Als einziger dynamischer Tiefenhinweis, beschreibt die Bewegungsparallaxe den Eindruck, dass bei Bewegung des Betrachters an einer Szene vorbei, ihm nahe Objekte schneller an ihm vorbeiziehen als weiter entfernt liegende. Abbildung 4.3 soll dieses Phänomen beispielhaft illustrieren. In [Ste97] und [al.04] wird dieser Umstand mit der aus dem Alltag bekannten Situation beschrieben, dass Telefonmasten bei einer Autofahrt schneller am Fahrer vobeiziehen als Berge am Horizonz. Bewegungsparallaxe wird darüber hinaus aber auch angewendet, um hinter ein Objekt zu schauen. Das Bild nach einer seitlichen Bewegung unterscheidet sich bezüglich der relativen Lage der einzelnen Objekte zueinander vom Ausgangsbild. Um Verdecktes zu erkennen, bewegt sich der Betrachter also natürlicherweise seitlich zu dem Objekt, hinter das er schauen möchte, wie es Abbildung 4.4 verdeutlicht. [Kim08] Abbildung 4.3: Bewegungsparallaxe I: Näher liegende Objekte ziehen bei horizontaler Bewegung scheinbar schneller am Betrachter vorbei als weiter entfernt liegende Objekte Abbildung 4.4: Bewegungsparallaxe II: Bei horizontaler Änderung des Standpunktes wird eine andere Ansicht des Objektes wahrgenommen Die genannten Effekte oder Hinweise sind grundlegend für die Entstehung eines Tiefeneindrucks beim

19 4. WAHRNEHMUNG VON STEREOPRÄSENTATIONEN 16 monokularen Sehen. Relative Größe und Verdeckung finden ihre Anwendung beispielsweise in der Linearperspektive und werden auch bei der binokularen, stereoskopischen Wahrnehmung angewandt. Prinzipiell können alle beschriebenen Tiefenhinweise bei einer stereoskopischen Darstellung den Tiefeneindruck extrem verstärken, werden aber nicht benötigt, um einen solchen überhaupt erst herzustellen Stereoskopisches Sehen Bei der Stereoskopie werden dem Betrachter zwei, für linkes und rechtes Auge verschiedene Bilder präsentiert. Dies entspricht dem natürlichen Sehen in soweit, dass, bedingt durch den Abstand der Augen, immer zwei leicht verschiedene Bilder der natürlichen Umgebung aufgenommen werden, welche dann erst das Gehirn zu einem dreidimensionalen Bild zusammenfügt. Um Eigenheiten und daraus resultierende Probleme virtueller stereoskopischer Darstellung zu beschreiben, ist es wichtig, im Vorhinein die Funktionsweise des räumlichen Sehens mit zwei Augen zu betrachten. Konvergenz Konvergenz ist die Hinwendung der Augen zu dem Objekt, welches angesehen werden soll, um beide Teilbilder zu einem dreidimensionalem Bild verschmelzen zu können. Dies geschieht in Form einer Drehung der Augen durch Anspannung der Augenmuskulatur. Das Gehirn kann durch den Grad der Anspannung nun Rückschlüsse auf die Entfernung des anvisierten Objektes ziehen. [al.04] Akkommodation Akkommodation ist die automatische physische Anpassung der Linse durch das Auge, um beliebig entfernte Objekte scharf abzubilden. Diese Fokussierung geschieht durch Strecken und Entspannen der Linse mit Hilfe der Augmuskel. Bei Fernblick wird die Linse in die Form einer flachen Ellipse gestreckt, wohingegen sie bei Nahakkommodation in ihre kugelförmigere Ruheform gebracht wird. [al.04] Für den jeweils nicht fokussierten Bereich entstehen auf der Projektionsfläche des Auges mehrere Bildpunkte, wodurch er unscharf wird. Im Gegensatz zu Konvergenz und Disparität, ist die Akkomodation eine monokulare Eigenschaft - sie findet also auch bei der Benutzung nur einen Auges statt. Disparität Das eingangs beschriebene Phänomen, der Mensch sehe mit seinen beiden Augen zwei leicht voneinander verschiedene Bilder, wird (binokulare) Disparität genannt. Ursache ist der einige Zentimeter betragende horizontale Abstand der Augen zueinander. Aus der Verschiebung ist eine eindeutige Lage-

20 4. WAHRNEHMUNG VON STEREOPRÄSENTATIONEN 17 bestimmung einzelner Objekte möglich und das Gehirn kann beide Bilder (durch Akkomodation und Konvergenz) zu einer räumlichen Sicht verschmelzen. Im Normalfall ist das Konvergieren und Akkomodieren ein natürlicher Reflex, den wir nicht aktiv beeinflussen. Bei welcher Distanz welcher Winkel und welche Schärfe eingestellt werden muss, weiß das Gehirn intuitiv. 4.2 Das Prinzip der Steroskopie Bei der Stereoskopie wird die Disparität genutzt und nachgeahmt, indem man sich verschiedener Technologien bedient, um dem linken und rechten Auge jeweils eine unterschiedliche Ansicht der selben Szene zu präsentieren (siehe Abbildung 4.5). Den Abstand beider Teilbilder auf der Projektionsebene für linkes und rechtes Auge nennt man dabei Horizontale Parallaxe. Abbildung 4.5: Prinzip der Steroskopie: Jeweils unterschiedliche Ansicht für linkes und rechtes Auge Die Größe dieser Verschiebung beeinflusst die räumliche Anordnung der dargestellten Objekte für den Betrachter. Diese befinden sich für ihn nun entweder scheinbar hinter, auf oder vor der Projektionsebene. Beim Eintreten des ersten Falles, wird von Positiver Parallaxe gesprochen. Wird ein Objektpunkt für beide Augen in den selben Punkt der Projektionsebene projiziert, spricht man von Nullparallaxe. Für den Betrachter befindet sich dieser Punkt auf Höhe der Projektionsebene, was einer Darstellung auf einem normalen, nicht-stereoskopischen Bildschirm entspricht. Liegt das Objekt scheinbar vor der Projektionsebene, wird von Negativer Parallaxe gesprochen. Abbildung 4.6 soll diesen Sachverhalt grafisch veranschaulichen.

21 4. WAHRNEHMUNG VON STEREOPRÄSENTATIONEN 18 Abbildung 4.6: Arten horizontaler Parallaxe 4.3 Vorteile stereoskopischer Darstellung Die stereoskopische Darstellung führt zu einem natürlichen Tiefenempfinden durch den Betrachter. Sie führt dabei zu einer vielfach stärkeren Wirkung, als es über die beschriebenen visuellen Tiefenhinweise in einem zweidimensionalem Bild realisierbar wäre. Auch wenn zusätzliche visuelle Tiefenhinweise den Stereoeindruck noch um ein Vielfaches verstärken können, so ist das räumliche Erleben nicht von diesen abhängig. Diesbezüglich wurde durch Versuche mit Stereogrammen aus zufällig angeordneten Punkten (so genannten Zufallspunkt-Raumbildern) belegt, dass allein durch die binokulare Warhnehmung die räumliche Struktur eines Stereo-Bildes erfasst werden kann. [Kim08] In einigen bereits vorgestellten Anwendungsdomänen wird sogar bewusst auf eben diese zusätzlichen Hinweise verzichtet. So gilt es bei medizinischen Daten oftmals Verdeckungen zu vermeiden, obwohl, abgesehen davon, eine realistische Darstellung gefragt ist. Auch Tiefeninformationen, wie Beleuchtung und Schattenfall, sind nun nicht mehr von essentieller Bedeutung für die korrekte Interpretation von Größen und Distanz. Dass die Stereoskopie Probleme hinsichtlich der Maßstäblichkeit von Körpern innerhalb einer Szene beheben kann, soll Abbildung 4.7 grafisch verdeutlichen.

22 4. WAHRNEHMUNG VON STEREOPRÄSENTATIONEN 19 Abbildung 4.7: Während in der oberen Reihe alle Objekte scheinbar gleich groß sind, verdeutlicht eine stereoskopische Darstellung (untere Reihe) die tatsächliche Komposition: Das mittlere Quadrat ist größer als die beiden Äußeren, befindet sich jedoch in einer größeren Entfernung (sichtbar mit Rot-Cyan-Anaglyph-Brille) 4.4 Probleme stereoskopischer Darstellung Diskrepanz zwischen Akkomodation und Konvergenz Bei der Betrachtung stereoskopischer Darstellungen ensteht eine Diskrepanz bezüglich der Akkomodation, also des Fokussierens eines Objektes durch Linsenkrümmung und der Konvergenz, der Augenausrichtung hin zu dem Objekt. In einer natürlichen Umgebung koordinieren sich diese Vorgänge gewöhnlicherweise hinsichtlich des selben Objektes, also der selben Entfernung. Bei einer stereoskopischen Projektion gibt es nun jedoch eine scheinbare und eine tatsächliche Entfernung. Die scheinbare Entfernung vor oder hinter der Projektionsebene steht im Widerspruch zu der tatsächlichen Entfernung der Abbildung, welche immer die Projektionsebene selbst ist. Die verschiedenen Muskeln müssen sich also, entgegen ihrer Gewohnheit, unabhängig voneinander den verschiedenen Abständen anpassen. Die Augen richten sich auf die scheinbare Position des Objektes im Raum aus, während sie gleichzeitig dessen reale Abbildung auf der Projektionsebene fokussieren müssen, um ein scharfes Bild zu erhalten. Nach einiger Zeit kann diese Anpassung an verschiede Abstände zu Anstrengung und Ermüdung führen. Aufgrund der unnatürlichen Trennung von Konvergenz und Akkomodation treten, speziell bei Inhalten mit hohem Grad an Horizontaler Parallaxe - also dort wo dem Auge besonders viel Umstellung und Muskelarbeit abverlangt wird - bei einigen Menschen nach einer gewissen Zeit Unbehagen bis hin zu Kopfschmerzen auf. [McA93]

23 4. WAHRNEHMUNG VON STEREOPRÄSENTATIONEN 20 Ergänzend sei an dieser Stelle noch erwähnt, dass es einigen Menschen überhaupt nicht vergönnt ist stereoskopische Inhalte zu erfahren Einfluss durch Standpunkt des Betrachters Für eine korrekte stereoskopische Darstellung ist es von Vorteil, bei hochgradig immersiven VR-Anwendungen sogar unabdingbar, den Standpunkt des Betrachters zu kennen. Bei einer falschen Entfernung des Betrachters zur Projektionsebene, entspricht der wahrgenommene Tiefeneindruck nicht dem eigentlich Vorgesehenen. Immersive Systeme nutzen meist Head- und Eye-Tracking-Verfahren, um die Position und Blickrichtung des Nutzers zu ermitteln. Abhängig davon kann nun die darzustellende Szene angepasst werden. Da solch komplexe Verfahren nur für einzelne Nutzer durchführbar sind, wird bei Stereopräsentationen der Standpunkt meist festgelegt. Verlässt nun der oder die Betrachter den vorgegebenen Standpunkt, so führt dies zu verschiedenen Phänomenen in der Wahrnehmung des Gezeigten. Dabei können folgende Beobachtungen formuliert werden: Verzerrungen bei Positionsänderung horizontal zur Projektionsebene: Schaut der Betrachter nicht in dem vorgesehen Winkel (üblicherweise zentral, der Projektionsebene zugewandt) auf die Szene, sondern schräg auf diese, so erhält er eine, im Vergleich zur ursprünglichen Szene, verzerrte Darstellung. Größenunterschiede beim Verändern des Abstandes zur Projektionsebene: Auch die Distanz zur Projektionsebene hat Einfluss darauf, wie der Betrachter die Szene sieht. Mit wachsender Entfernung des Betrachters von dem für ihm vorgesehenem Standpunkt, erscheinen Objekte positiver Parallaxe weiter entfernt. Objekte negativer Parallaxe rücken näher an den Betrachter heran. McAllister beschreibt diesen Effekt folgendermaßen: a stereoscopis image looks more three dimensional or deeper the farther the observer is from the display screen. [McA93] Abhängig von Größe der Projektionsebene und dem Abstand des Betrachters zu dieser, kann eine Szene dadurch unnatürlich in die Tiefe gestreckt erscheinen Diskrepanz zwischen Objekt und Rahmen Ein weiteres Phänomen, das zum Einbruch stereoskopischer Tiefenwahrnehmung führt, tritt auf, wenn Objekte mit negativer Parallaxe den Rahmen, gegeben durch die Grenzen der Projektionsebene, schneiden. Liegt ein Objekt nicht komplett im Sichtvolumen der Kamera (Frustum), so wird dieses abgeschnitten

24 4. WAHRNEHMUNG VON STEREOPRÄSENTATIONEN 21 (Clipping). Befindet sich das Objekt nun scheinbar vor der Projektionsebene (Neagative Parallaxe), so wird es optisch von dieser abgeschnitten (oder vielmehr vom Rahmen der Projektionsebene [Bildschirm, Powerwall] verdeckt). Dies führt zu einem Widerspruch: Da der Rahmen der Projektionsebene der Nullparallaxe entspricht, liegt er für den Betrachter hinter dem Objekt, welches er verdeckt. Die Erfahrung des Betrachters sagt aber gleichzeitig, dass eine Verdeckung dieses Objektes nur auftreten kann, wenn der Rahmen vor dem Objekt positioniert ist. Die horizontale Parallaxe der Halbbilder sorgt jedoch dafür, dass das Objekt im Vordergrund wahrgenommen wird. Dadurch ist keine klare Tiefenzuordnung durch das Gehirn möglich, sodass der Tiefeneindruck erheblich gestört wird oder gar zusammenbricht. Je größer die negative Parallaxe eines Objektes ist, desto störender wird dieser Effekt vom Betrachter empfunden. Dies sollte besonders hinsichtlich der Kombination des Diskrepanz zwischen Objekt und Rahmen - und des Standpunkt des Betrachters - Phänomen beachtet werden. Tritt eine Diskrepanz zwischen Objekt und Rahmen auf, so verstärkt sich diese mit wachsender Distanz des Betrachters von der Projekionsebene. [McA93]

25 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 22 5 Design von Stereopräsentationen 5.1 Methoden zur Vermeidung beobachteter Phänomene Wenn im Folgenden von Abschneiden, Beschneiden oder Berührung mit und durch dem Rahmen die Rede ist, so bezieht sich dies immer auf die in Abschnitt beschriebene Situation, dass ein Objekt im Vordergrund durch den weiter hinter liegenden Rahmen der Projektionsebene beschnitten wird. Nahbereich beschreibt nun im folgenden ein Objekt negativer Parallaxe, Hintergrund dagegen Objekte positiver Parallaxe Verringerung der Diskrepanz zwischen Objekt und Rahmen Eine sichere Vermeidung dieses Phänomens kann offensichtlich nur durch zwei gestalterische Einschränkungen erzielt werden: I. Umgehung der Negativen Parallaxe [Ste97] schlägt das komplette Meiden der Negativen Parallaxe vor. Idealerweise beginnt die Szene somit auf der Nullparallaxe, also direkt auf der Projektionsebene und dehnt sich nur in negativer z-richtung (hinter die Projektionsfläche) hin aus. Daraus resultierend, sieht der Betrachter die Szene wie durch ein Fenster (begrenzt durch die Ränder Projektionsebene). Ein Abschneiden am Rand empfindet der Betrachter dabei nicht als störend, ist er es doch aus seiner natürlichen Umgebung (beispielsweise beim Blick aus einem echten Fenster) so gewohnt. II. Einschränkung der Interaktionsmöglichkeiten Zusätzlich zur ersten Aussage sollte bedacht werden, dass auch sichergestellt werden muss, dass das zu vermeidende Phänomen nicht nachträglich eintreten kann. Die Sicht auf die Szene darf also zu keinem Zeitpunkt der Präsentation so geändert werden, dass Teile über die Nullparallaxe hinaus in den Bereich negativer Parallaxe gelangen (dies entspricht Punkten mit positiven z-werten). Verschiebungen in Richtung der positiven z-achse zum Hineinzoomen sowie Rotation um die x- oder y- Achse, bei der Teile der Szene die Projektionsebene durchdringen, sind somit nicht zu erlauben (wobei eine Drehung nach

26 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 23 vorheriger Verschiebung in negative z-richtung durchaus ermöglicht werden kann). Da diese generellen Verbote eine erhebliche Einschränkung in der gestalterischen Freiheit bei der Erstellung von Stereopräsentationen darstellen, sollen nun konkretere Maßnahmen betrachtet werden. Differenzierte Betrachtung Bei einer Vielzahl von Präsentationen, besonders aber bei Produktpräsentationen, sollen einzelne Objekte (das Produkt) im Fokus des Betrachters stehen. Bezüglich der Gestaltung einer werbewirksamen Präsentation dieses Produktes, wäre ein Platzieren eben dieses im Hintergrundbereich wahrscheinlich eher kontraproduktiv. Das Produkt soll dem Kunden (auch optisch) näher gebracht werden. Darüber hinaus sollen in einigen Anwendungen bestimmte Objekte als Interaktionsobjekte dienen (die man drehen, skalieren oder anderweitig manipulieren können soll). Auch hier wäre es mehr als sinnvoll, diese Objekte im Vordergrund und somit in Nähe des Benutzers zu platzieren. Man kann daher den allgemeinen Ansatz des Vermeidens jeglicher negativen Parallaxe insofern konkretisieren, dass lediglich Objekte, welchen die Randflächen der Projektionsebene berühren, nicht vor diese gesetzt werden sollten. Objekte besonderen Interesses dürfen durchaus negative Parallaxe innehaben, solange sie möglichst zentral platziert und den Grenzen bezüglich passend skaliert werden. Ist es nun aus verschiedenen Gründen nicht möglich, auf ein angeschnittenes Objekt im Nahbereich zu verzichten, sollte die Tatsache beachtet werden, dass ein horizontales Beschneiden (vor allem bei relativ geringer Parallaxe) durch den Rahmen, in vielen Fällen als weit weniger irritierend wahrgenommen wird als ein vertikales Beschneiden. Objekte, die von den horizontalen Grenzen der Projektionsebene (also dem oberen und dem unteren Rand) abgeschnitten werden, können durchaus noch akzeptabel erscheinen. Beim Beschneiden durch die vertikalen Begrenzungen (linker und rechter Rand) stellt sich jedoch zusätzlich zum beschriebenen Problem noch ein weiterer paradoxer Effekt ein. Schaut ein Betrachter in seiner natürlichen Umgebung am linken Rand eines realen Fenster heraus, so sieht das rechte Auge einen größeren linken Ausschnitt als das linke Auge. Umgekehrt gilt selbstverständlich der äquivalente Fall: das linke Auge sieht im rechten Bildteil mehr als das rechte Auge. Bei der Stereoskopie befindet sich das Bild für das rechte Auge bei negativer Parallaxe, durch das Prinzip der Verschiebung beider Halbbilder, auf der Projektionsebene weiter links als das Bild für das linke Auge. Daraus resultierend, wird beim vertikalen Beschneiden am linken Bildrand mehr vom Halbbild für das rechte Auge abgeschnitten, als von dem für das linke Auge. Das linke Auge sieht also entgegen der gewohnten Weise mehr vom linken Bildausschnitt als das rechte Auge. [McA93] Zusammenfassend kann man also sagen, dass vertikale Verdeckung, durch das Auftreten eines weiteren

27 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 24 Phänomens, ein höheres Maß an Irritation erzeugt, als die horizontale Verdeckung, bei der nur ein Phänomen zu Tage tritt. Die Wahrscheinlichkeit des Zusammenbruchs der stereoskopischen Wahrnehmung ist also in diesem Fall deutlich höher. Abhilfe hierbei können große Projektionsflächen, wie sie die Leinwände von 3D-Kinos darstellen, schaffen. Bei solchen Größenordnungen liegen die Grenzen der Projektionsebende nur peripher im Sichtfeld des Betrachters. An den Grenzen auftretende Phänomene werden daher nicht bewusst wahrgenommen. [McA93] Cadre und Tunnel Viewing Einen weiteren Ansatz zur Korrektur dieser störenden Phänomene bietet das sogenannte Cadre Viewing (cadre = englisch für Rahmen ). Das Prinzip dabei ist recht simpel und war unabhängig von seiner Veröffentlichung in [Mul00] auch eine der ersten Ideen, welche sich bei der Bearbeitung der Belegaufgabe auftat. Beim Cadre Viewing wird zwischen den Bildinhalten und dem Standpunkt des Betrachters, also spätestens auf Höhe der Near-Clipping-Plane (der Grenze des Sichtkörpers der virtuellen Kamera in positiver z-richtung), ein virtueller Rahmen aufgespannt. Ein Clipping (Abschneiden) der Objekte findet bereits an den Grenzen dieses Rahmens statt, sodass der physikalische Rahmen, der durch die Grenzen der Projektionsebene gegeben ist, keine Rolle mehr spielt. Somit schaut der Betrachter also nicht erst ab Höhe der Projektionsebene wie durch ein Fenster, sondern es befinden sich bereits sämtliche Objekte negativer Parallaxe hinter einem solchen. Als logische Erweiterung stellt [Mul00] die Erweiterung des Cadre, also des virtuellen Sichtfensters in die Szene, zu einem Tunnel vor. Die Innenflächen des Rahmens werden erweitert und verjüngen sich dabei perspektivisch bis hin zur Far-Clipping-Plane (der Grenze des Sichtkörpers der virtuellen Kamera in negativer z-richtung), welche die hintere Grenze des Tunnels bildet. Sämtliche Bildinhalte befinden sich nun innerhalb dieses Tunnels. Beide Lösungen stellen eine Möglichkeit zur Lösung des Problems dar. Vor allem die Verwendung des Tunnels führt zu einer starken gestalterischen Einschränkung bezüglich des noch nutzbaren Platzes im Hintergrundbereich (vergleiche Abbildung Verringerung des Einflusses durch Standpunkt des Betrachters Richtet sich die Präsentation an einen einzelnen Betrachter, so kann ein optimaler Standpunkt leicht mitgeteilt werden (beispielsweise durch eine Markierung am Boden oder einer entsprechenden Aufklärung durch den Vortragenden). Typischerweise richtet sich eine Stereopräsentation jedoch an mehrere Betrachter. Durch Bestuhlung oder Abgrenzung der Powerwall vom Zuschauerbereich (beispielsweise

28 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 25 Abbildung 5.1: Funktionsweise und daraus resultierende Verschwendung von Platz beim Tunnel Viewing durch die Positionierung der Powerwall auf einer Bühne oder einem Podest), kann auch hier Einfluss auf die Betrachterposition genommen werden. Allgemein ist jedoch festzustellen, dass es kaum zu vermeiden ist, dass Betrachter etwa schräg zur Projektionsfläche stehen. Bei mehreren Zuschauern ist es nun einmal nicht möglich, dass alle gleichzeitig vom optimalen Standpunkt aus (zentral vor der Projektionsebene) die Präsentation verfolgen können. Eine Ausnahme bildet auch hier wieder das 3D-Kino. Dort ist (im Idealfall) der Abstand der Zuschauer von der Leinwand höher als der Abstand der Betrachter zueinander. Die Zuschauer nehmen von der Leinwand aus gesehen eine ähnliche Position ein (in für 2D-Filmvorführungen konzipierten Kinos werden daher kritische Plätze, wie etwa direkt vor der Leinwand oder ganz am Rand, meist freigelassen). Der Abstand der Zuschauer von der Projektionsebene, besonders in Relation zur Szenentiefe der Filme, ist groß genug, als das Verzerrungen und andere Phänomene nicht im selben Maße auftreten, wie es bei Bildschirm- oder Beamer-Präsentationen der Fall wäre. Ausreichend große Projektionsflächen können also auch bei diesem Problem Abhilfe schaffen. Prinzipiell gilt auch bei diesem Phänomen wieder, dass weniger Irritationen auftreten, je näher das Objekt der Nullparallaxe ist. Es ist also immer eine gute Lösung, Objekte nah der Projektionsfläche zu positionieren und sie dort entsprechend zu skalieren, anstatt sie nahe zum Betrachter zu verlagern, um sie größer darzustellen. Um eine reine Fenstersituation, wie sie am Anfang diese Abschnittes beschrieben wurde, zu vermeiden, bietet es sich an, Objekte bezüglich ihres Mittelpunktes der Nullparallaxe hin auszurichten, sodass sie zur Hälfte vor und zur anderen Hälfte hinter der Projektionsebene erscheinen. Ein weiteres Distanzproblem ergibt sich aus der in Abschnitt 4.1 beschriebenen Bewegungsparallaxe. Der Mensch ist gewohnt, sich seitlich an einem Objekt vorbei zu bewegen, um hinter es zu schauen oder es aus einem anderen Blickwinkel zu erschließen. Bei einer zweidimensionalen Darstellung einer dreidi-

29 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 26 mensionalen Szene (wie etwa in einem Computerspiel oder anderen 3D-Echtzeitgrafik-Anwendungen) wird man im Normalfall nicht auf die Idee kommen, sich oder seinen Kopf zu bewegen, um um ein Objekt herum zuschauen. Außer bei der Verwendung spezieller Headtracking-Verfahren, benutzt der Nutzer intuitiv die ihm zur Verfügung stehenden Eingabegeräte, wie Maus oder Tastatur, um ein Objekt zu drehen und von der gewollten Perspektive zu betrachten. Bei einer stereoskopischen Präsentation dagegen entspricht die Aufnahme des Bildes der des natürlichen Sehens. Man kann daher annehmen, dass ein Beobachter viel eher dazu animiert wird, um ein Objekt herum gehen zu wollen, um es von allen Seiten betrachten zu können, als das bei einer zweidimensionalen Repräsentation der Fall ist. [Kim08] Bei der Gestaltung von Stereopräsentationen ist die Erwartung der Zuschauer, um ein Objekt herum schauen zu können, also nicht zu missachten. Dies gilt vor allem bei Präsentationen, die sich an mehrere Betrachter richten. Diese können, im Gegensatz zum Vortragenden oder einem einzelnen Nutzer, nicht von selbst aus mit der Szene interagieren. Ein einfaches und dennoch effizientes Gestaltungsmittel hierfür ist es, dem Drang des Betrachters, ein Objekt von allen Seiten sehen zu wollen, entgegen zu wirken und Objekte von Interesse bereits von Beginn an aus mehreren Perspektiven zu präsentieren, indem man sie beispielsweise mit einer andauernden Rotation versieht. Der Betrachter kann eine Rundumsicht erfahren, ohne sich oder seinen Kopf bewegen zu müssen. 5.2 Integration von Medienobjekten Integration von Text Text ist ein integraler Bestandteil jeder Präsentation. Unabhängig davon, ob es sich nun um eine Standardoder Stereopräsentation handelt, dient der Text einer Präsentation den Zuhörenden als Gedankenstütze und Zusammenfassung des vorgetragenen Sachverhaltes. Text muss sowohl inhaltlich als auch visuell leicht erfassbar sein, um nicht abzulenken. Bei der Gestaltung von Stereopräsentationen können dabei drei Darstellungsformen für Schrift ausgemacht werden: 2D-Text auf der Projektionsebene Text dieser Kategorie entspricht der üblichen Textdarstellung bei bekannten 2D-Präsentationstools. Der Text befindet sich für den Betrachter auf Höhe der Projektionsebene, sodass eine räumliche Unterscheidung einzelner Textblöcke zueinander, nur durch Anwendung der in Abschnitt beschriebenen, monokularen Tiefenhinweise erzeugt werden kann.

30 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 27 Die Positionierung von Text auf Projektionsebene ermöglicht, auch bei länger andauernden Präsentationen, ein angenehmes Lesen. Besonders bei der Verwendung umfangreicherer Texte sollte diese Form der Textdarstellung verwendet werden, da sie für Augen und das Gehirn weniger Anstrengung bedeutet, als bei der Darstellung vor oder hinter der Nullparallaxe (vergleiche Abbschnitt 4.4.1). Bei der Integration dieser Form der Textdarstellung in eine Stereopräsentation ergibt sich eine besondere Abwandlung des in Abschnitt beschriebenen Effektes. Da Text immer lesbar und somit auch sichtbar sein muss, sollte er sich vor allen anderen, in der Stereopräsentation integrierten Objekten befinden. Objekte negativer Parallaxe, welche sich für den Betrachter vor der Projektionsebene befinden, könnten daher von Text überdeckt werden, welcher eigentlich auf der Projektionsebene - und somit hinter dem Objekt - liegt. Abbildung 5.2: Tiefenwahrnehmung bei Textdarstellung auf Höhe der Projektionsebene (links) und auf frei im Raum positionierbaren Paneelen (rechts) (sichtbar mit Rot-Cyan-Anaglyph- Brille) Je nach Größe und Gewicht der Schrift, kann dieser Effekt als mehr oder weniger irritierend empfunden werden. Bei der Verwendung eines farbigen Textfeldes zur Hervorhebung des Textes oder seiner Abgrenzung vom Hintergrund, verstärkt sich zudem der Effekt zusätzlich, wie Abbildung 5.2 (links) verdeutlichen soll. Im Raum frei angeordnete 2D-Text Um den eben beschriebenen Effekt zu vermeiden, bietet es sich an, zweidimensionalen Text auf frei im Raum positionierbaren Paneelen darzustellen. Wie Abbildung 5.2 (rechts) zeigt, findet hierbei eine korrekte Tiefenwahrnehmung statt. Bei der Wahl dieser Textform sollte jedoch beachtet werden, dass umfangreichere Texte mehr Konzentration abverlangen als beispielsweise die Rezeption einer Grafik. Text wird nicht als Ganzes erschlossen, sondern Wort für Wort zeilenweise erfasst. Es ist anzunehmen,

31 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 28 dass durch einen exzessiven Einsatz von Text positiver oder negativer Parallaxe, aus Abbschnitt resultierende Ermüdungserscheinungen zeitnaher auftreten, als dies bei einer Beschränkung der Positionierung von Fließtext auf Höhe der Projektionsfläche der Fall wäre. Während Text der ersten Kategorie als eine Art Head-Up-Display (HUD) über die gesamte Szene gerendert wird, ist Text bei dieser Darstellungsform ein Teil der Szene. Die Positionierung entlang der z-achse muss dabei für jedes Paneel oder Textobjekt eigenständig von Hand erfolgen, was einen deutlichen Mehraufwand zur Folge hat. Besonders für die effektvollere Inszenierung kürzerer Textblöcke (Stichpunkte, Schlagwortwolken, Annotationen), vor allem aber zur Beschriftung räumlich angeordneter Objekte, eignet sich jedoch diese Form der Textdarstellung oftmals eher als HUD-Text. Des Weiteren erlaubt der Einsatz räumlich frei positionierbarer Schrift die Umsetzung bestimmter Designideen, wie etwa der Triptychon- beziehungsweise Drei-Tafel-Metapher, welche sich an dem traditionellen Aufbau einer Schultafel orientiert, oder der Wegweiser-Metapher, die sich besonders zur Darstellung von Gliederungen und Schlagwortgruppen eignet (siehe Abbildung 5.3). Abbildung 5.3: Drei-Tafel-Metapher (links) und Wegweiser-Metapher (rechts) (Bilder aus [Kol05] und [3DN09]) Eine Möglichkeit zur Erstellung von Textpaneelen ist das Rendern des Textes unter Verwendung von Bitmap-Fonts in eine Textur. Anschließend kann diese dann auf ein Objekt (beispielsweise ein Polygon oder Würfel) projiziert werden. Alternativ kann hierfür auch eine im Vorhinein extern erstellte Grafik verwendet werden, was im Allgemeinen zwar eine nachträgliche Bearbeitung erschwert, dafür jedoch oftmals eine größere Gestaltungsfreiheit erlaubt. Auch die Verwendung von stroke fonts beziehungsweise outline fonts, bei denen die Umrisse einzelner Zeichen durch eine Kombination aus Kontrollpunkten und Kurven beschrieben wird, kann in diese Kategorie der Textdarstellung fallen, wenn hierbei nur die Außenlinien selbst, oder daraus entstandene gefüllte polygonale Flächen ohne zusätzliches Extrudieren verwendet werden.

32 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 29 3D-Text Die Illusion von Tiefe ist für gestalterische Zwecke auch in Bezug auf Schrift interessant. Aufgrund ihrer schweren Lesbarkeit sollte 3D-Schrift jedoch niemals für Fließtext verwendet werden. Ihr Einsatzgebiet findet sich vor allem bei der Gestaltung von Überschriften oder ergänzenden Schlagwörtern. Auch bei Logos oder Firmen-, Institutions- und Produktnamen bietet die dritte Dimension eine effektvolle Ziermöglichkeit für Schrift. Bei Begrenzung auf nur wenige Lettern kann durchaus auch mit perspektivischer Verzerrung gearbeitet werden, auch wenn dies, im Sinne einer angenehmen Lesetypographie, bei größeren Wortgruppen oder gar bei Fließtext unterlassen werden sollte. Nicht alles was entzifferbar ist, ist auch lesbar - erschwerte Lesbarkeit führt zu Ablenkung und, bei andauerndem Aufkommen, auch schnell zu Frustration beim Leser (siehe Abbildung 5.4). Abbildung 5.4: Falscher Einsatz von 3D-Text (Stereoeffekt bei Verwendung einer Rot-Cyan-Anaglyph- Brille) 3D-Schriften können zur Laufzeit durch Extrudieren aus outline fonts gewonnen, oder unter Nutzung vorgefertigter polygonaler Netze in die Szene integriert werden Integration von Bild und Bewegtbild Bei der Integration zweidimensionaler Bild- (Grafiken und Fotos) und Bewegtbild-Elemente (Film, animierte Graphiken) in Stereopräsentation sollten, wie bei Text auch, lediglich die beschriebenen Verdeckungsprobleme (vergleiche Abschnitt 4.4.3) beachtet werden, sollten sich die grafischen Elemente im Bereich negativer Parallaxe befinden. Bei der Verwendung von stereoskopischen Bildinhalten muss jedoch beachtet werden, dass diese, durch

33 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 30 die Trennung in ein linkes und ein rechtes Teilbild, bereits perspektivische Informationen beinhalten. Die Drehung eines Stereo-Bildes um die x- oder y- Achse führt automatisch zu einer Verzerrung der perspektivischen Wahrnehmung des Bildes. Der Effekt gleicht dem Einfluss durch Standpunkt des Betrachters Problem (vergleiche Abschnitt 4.4.2). Eine Aussage darüber, ab welchen Winkel ein stereoskopisches Bild seine Wirkung verliert, muss immer am spezifisschen Bild getroffen werden, da der Effekt stark von der gewählten Perspektive und der Komposition der einzelnen Bildelemente bei der Erstellung des Bildes abhängt. Bei einer Szene mit relativ gleich bleibender Tiefenstaffelung einzelner geometrischer Bildelemente durch Betonung der Zentralperspektive, wirkt das Bild auch bei stärkerer rotationsbedingten Verzerrung akzeptabel. Bei Abbildungen natürlicher Figuren werden Verzerrungen, aufgrund der Erwartung des Nutzers bezüglich einer korrekten Darstellung, schneller als störend empfunden, als dies bei abstrakten Figuren der Fall ist. Abbildung 5.5 zeigt unterschiedlich stark wirkende, rotationsbedingte Verzerrung bei Stereo-Bildern. Abbildung 5.5: Unterschiedlich stark wirkende, rotationsbedingte Verzerrung (links das jeweils unverzerrte Bild, Stereoeffekt bei Verwendung einer Rot-Cyan-Anaglyph-Brille) Prinzipiell sollten auf stereoskopische Bilder nur leichte Drehungen angewendet werden, wobei festgestellt werden konnte, dass bei einer animierten Rotation die Zweidimensionalität des Ausgangsmediums Bild sofort erfasst wird, und der Stereoeindruck für die Zeit der Animation aussetzt. Dieser stellt sich erst nach Beendigung der Animation wieder ein. Besitzt das Stereo-Bild einen transparenten, oder einen der Präsentationshintergundfarbe entsprechenden Hintergrund, so kann dies das Aufrechterhalten des Stereoeindrucks auch während einer Animation begünstigen, da hier kein Bildrand sichtbar ist, der ein Unterscheiden zwischen 3D-Struktur und Stereo-Bild ermöglicht. Translationen und Skalierungen sowie Rotationen um die z-achse stellen dagegen (auch bei Animation) kein Problem dar. Prinzipiell sollten Stereo-Bilder und -Videos jedoch möglichst auf Höhe der Projektionsebene positioniert werden, um dem vom Ersteller der Fotografie, Grafik, Animation oder Filmaufnahme beabsichtigten Betrachterstandpunkt beizubehalten. Bei Stereo-Bildern und -Videos sollten Verdeckungen dieser durch andere Objekte vermieden werden.

34 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 31 Die in einem Stereo-Bild enthaltene Tiefeninformation kann leicht im Gegensatz zu einem davor liegenden Objekt stehen, was zu den in Abschnitt beschriebenen und in Punkt 2D-Text auf der Projektionsebene für HUD-Text erweiterten Verdeckungsproblemen führen kann. Dies ist damit zu begründen, dass Inhalte eines Bildes keine Objekte außerhalb dieses Bildes verdecken können, auch wenn sie dies aufgrund ihrer horizontalen Parallaxe vielleicht tun müssten. Abbildung 5.6 soll diesen Sachverhalt grafisch veranschaulichen. Abbildung 5.6: Trotz der Tiefeninformation (durch Parallaxe) in einem Stereo-Bild (blau), dargestellt im linken Bild, würde eine Objektgeometrie (rot) alle Teile des Bildes überdecken (rechtes Bild), wenn sie vor der Bildebene positioniert wird Das Austauschen von Bild- oder Videoinhalten kann durch die in Abschnitt genannten Animationen erfolgen Integration dreidimensionaler Modelle Ebenso wie bei der Integration und Animation zweidimensionaler Objekte, wie Bild und Text, ist bei der Einbindung dreidimensionaler Primitive oder komplexer Daten, auf die Vermeidung bekannter Probleme zu achten. Besonders die Verwendung größerer Objekte oder die Anordnung mehrerer Objekte zu ausgedehnten Strukturen, kann schnell zu Verdeckungsproblemen mit dem Rand der Projektionsfläche führen. So empfiehlt es sich bei Geovisualisierungen und Ähnlichem, verstärkt mit positiver Parallaxe (beispielsweise im Sinne einer Vogelperspektive mit ausreichendem Abstand) oder mit einem Cadre (vergleiche Abschnitt 5.1.1) zu arbeiten. Bei komplexen Szenen bietet es sich zudem an, Texturen und Videos als Ersatz für Objektgeometrien

35 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 32 im Hintergrund zu verwenden ( Level of Detail ). Bei Verzicht auf eine Änderung der Ansicht auf die Szene oder einzelner Objekte, können Objektgeometrien ohne Verlust des stereoskopischen Eindrucks durch Stereo-Bilder ersetzt werden. Die Verwendung eines Stereo-Bildes als Hintergrundbild, ist einem Ausmodellieren des Selbigen oftmals vorzuziehen. Um dreidimensionale Objekte auszutauschen oder effektvoll erscheinen zu lassen, ergeben sich mehrere Möglichkeiten. Die Reichweite reicht vom einfachen Ein- und Ausblenden mittels Transparenz, bis hin zur komplexen Metamorphose von Struktur, Materialien, Hintergrund und Texturen eines Objektes in ein anderes. Abbildung 5.7 soll einige Möglichkeiten visuell veranschaulichen, welche, aufgrund ihres vergleichbar geringen Aufwandes bezüglich Umsetzung und Systemauslastung, auch in 3D-Echtzeit-Anwendungen wie Stereopräsentationen eingesetzt werden können. Abbildung 5.7: Einsatz von Nebel (links), Morphing (mitte) und puzzleartigem Zusammensetzen (rechts) bei Objektgeometrien 5.3 Vom Objekt zur Folie Folienübergänge klassischer Präsentationstools Sollen multimediale Inhalte sequentiell präsentiert werden, so stellt sich immer auch die Frage nach einem geeigneten Übergang aufeinander folgender Inhalte. Ein harter Schnitt, ohne jeglichen Übergang

36 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 33 des Gesehenen hin zu einer Darstellung neuer Inhalte, ist sicher keinesfalls verkehrt oder für den Nutzer unverständlich. Jedoch hat eine Präsentation, anders als das Medium Film, eher statischen Charakter. Auch wenn einzelne Präsentationsobjekte durchaus Dynamik aufweisen können (Integration von Video und Animation), so bleiben sie doch meist eingebettet in einer stehenden Szene (Folie). Da der Nutzer Zeit haben muss, Texte zu lesen und den Ausführungen des Vortragenden folgen zu können, besitzt eine Folie eine gewisse Verweildauer. Um Aufmerksamkeit zu steuern oder zurückzugewinnen, bietet es sich daher an, mit Hilfe von Szeneübergängen jenseits eines harten Schnitts, Dynamik in einer Präsentation zu erzeugen. Aus diesem Grund haben sich in 2D-Präsentationstools eine Reihe von Folienübergängen, ähnlich den Schnitttechniken in Videoschnitt-Programmen, etabliert, welche in den gängigsten Anwendungen vertreten sind. Im Folgenden sollen daher kurz einige verbreitete Folienübergänge betrachtet und auf ihre mögliche Verwendung in einer Stereopräsentation hin untersucht werden. Aktuell verbreitete Präsentationstools benutzen OpenGL oder DirektX, um flüssige Folienübergänge zu erzeugen und 3D-Animationen zu nutzen. Es liegt also Nahe, solche auch für ein 3D-Präsentationstool zu verwenden. Die Idee dahinter ist, anstatt einer einzelner Folie, zwei verschiedene Ansichten der 3D- Szene als Folie zu erzeugen. Beide Folien werden als Textur gehalten und zum entsprechenden Ausgabezeitpunkt für linkes und rechtes Auge auf ein Polygon gemapped, auf welches nun Transformationen angewendet werden können, um typische Folienübergänge zu erzeugen. Gängige Folienübergänge lassen sich dabei in drei Kategorien unterteilen (beruhend aus einer Auswahl typischer Folienübergänge aus Impress [Ope09], Powerpoint [Mic09] und Keynote [App09], ohne Anspruch auf Vollständigkeit): Kategorie 1: Struktur- und objektzerstörende Folienübergänge In dieser Kategorie finden sich Folienübergänge, welche die gesamte Folie in einzelne Teile segmentieren, ohne dabei auf eine Beziehung zwischen Objekt und Hintergrund zu achten. Objekte, wie Textblöcke oder Grafiken, werden im gleichen Maße wie der Grund behandelt und nicht einzeln animiert. Typische Vertreter dieser Kategorie sind beispielsweise Mosaikübergänge, bei denen die aktuelle Folie aufgelöst und die neue Folie, ähnlich einem Puzzle, parallel zusammensetzt wird. Die einzelnen Mosaikteile können darüber hinaus selbst noch animiert sein (Rotation, Skalierung, Translation). Häufig sind sogenannte Blinds, also die Zerlegung der Folie in der Art einer Jalousie anzutreffen. Doorways, bei denen sich entweder die neue Folie, gleich einem Scheunentor, über die alte Folie zusammenklappt, oder aber die alte Folie über der Neuen aufklappt (und somit freilegt), bilden eine weitere Gruppe dieser Kategorie. Da es die Hauptanforderung eines Folien- oder Szenenübergangs bei einer Stereopräsentation ist, den

37 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 34 stereoskopischen Eindruck möglichst zu erhalten, stellt sich diese Kategorie des Folienwechsels als ungeeignet heraus (vergleiche Abschnitt Integration von Bild und Bewegtbild ). Kategorie 2: Struktur- und objekterhaltende Folienübergänge Eine Vielzahl an Übergängen erhält die Folie als Ganzes. Für das Austauschen mit der nächsten Folie finden sich dabei zahlreiche Animationen und Varianten. Gängige Vertreter sind Push (das Wegdrücken der derzeitigen Folie durch die nächste Folie), Move In und Reveal (das Überlagern der Folien), das Ineinanderblenden mittels Transparenz, das Auf- und Abblenden, Flip (das Umdrehen einer Folie, wobei sich die nachfolgende Folie auf eben der nun sichtbaren Rückseite befindet), Swap/Shuffle und Pageflip (Umsortieren und Umblättern), das Ineinanderzoomen, Cube (das Abbilden einzelner Folien auf die Außen- oder Innenseite eines Würfels, welcher sich beim Folienwechsel dreht) und Rotator (Anordnung der Folien als Karussell). Einige dieser Übergänge lassen sich gut auf eine Stereopräsentation übertragen. Beachtet man die im Abschnitt beschriebenen Sachverhalte, so können, nach einer Translation des Szenenabbildes (gemeint ist die Textur mit dem Abbild der derzeitigen Szene) hinter die Nullparallxe, sämtliche Übergänge problemlos verwendet werden, bei denen die Textur (beziehungsweise das ihr zu Grunde liegende Polygon) nicht um die eigene x- oder y-achse gedreht wird. Die Distanz, die dabei bis hinter die Projektionsfläche zurückgelegt werden sollte, entspricht dem z-wert, des dem Zuschauer am nächst liegenden Vertex der ursprünglichen Szenendarstellung. Da, auf Grund der Verwendung zweier Texturen, der Tiefeneindruck erhalten bleibt, wird auf diese Art sichergestellt, dass alle Szenenobjekte hinter der Projektionsebene liegen, bevor weitere Transformationen erfolgen. Lediglich eine Drehung des texturierten Polygons, wie etwa bei einem Flip -Übergang lässt erkennen, dass es sich zu diesem Zeitpunkt lediglich um ein Stereo- Bild der 3D-Szene handelt. Kategorie 3: Strukturzerstörende, aber objekterhaltende Folienübergänge Übergänge dieser Kategorie sind nicht als die gesamte Folie umfassende Transformationen zu sehen. Vielmehr werden die einzelnen Objekte animiert und separat ein- und ausgeblendet (statt zoom und rotator aus der ersten Kategorie, welche sich auf die gesamte Folie auswirken, findet man hier Bezeichnungen wie objekt zoom oder image rotator ). Die Hintergrundebene wird anschließend als eigenständiges Objekt animiert - oder bleibt bestehen, um mit neuen Inhalten angereichert zu werden. Die einzelnen Objekte werden zumeist mit den, in den beiden vorhergehenden Kategorien genannten Animationen versehen, um sie gegen andere auszutauschen.

38 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN Raum- und Navigationsmetaphern für 3D-Echtzeitgrafik-Anwendungen Nach [Dac04] folgen interaktive 3D-Echtzeitgrafikanwendung im Wesentlichen einer von zwei grundlegenden Strukturmetaphern bezüglich des Nutzers und dessen Navigation innerhalb der Anwendung. Wird von einer statischen Benutzerposition ausgegangen, so spricht man von der Theatermetapher. Durch eine sich ändernde Darstellung, wie auf einer Bühne, erlangt der Nutzer eine ausschnitthafte Sicht auf die virtuelle Welt. Neben einem Ein- und Ausblenden der gesamten Szene oder aber nur einzelner Objekte als Übergang von einem Bühnenbild zum nächsten bietet sich bei dieser Art der Präsentation besonders die Darstellung in Form einer Drehbühne an. Bei der Nutzung dieser Metapher werden keine speziellen Navigationsmetaphern benötigt, da der Nutzer seinen Standpunkt nicht ändert. Äquivalenzen zu genannten Folienübergängen aus klassischen Präsentationstools sind hier in allen Kategorien zu finden. So gleicht die Drehbühnenmetapher dem erwähnten rotator oder Karussellübergängen oder aber auch dem flip. Das Ein- und Ausblenden einzelner Bühnenelemente gleicht dem Sachverhalt der Kategorie 3 (siehe Abschnitt 5.3.1). Die Bewegungsmetapher beschreibt dagegen eine Änderung des sichtbaren Ausschnittes durch die Veränderung des Standpunktes des Betrachters. Um zur nächsten Darstellung zu kommen, muss sich der Nutzer also aktiv von einem Raum zum nächsten bewegen. Mehrere Räume bilden dabei eine komplexere Struktur, etwa Flure und Etagen, durch Röhren verbundene molekülartige Komplexe oder aber Plätze und Straßen mit Gebäuden ähnlich einer Stadt, um nur einige zu nennen. Für die Navigation zwischen einzelnen Räumen einer nach der Bewegungsmetapher ausgerichteten Struktur lassen sich verschiedene Navigationsmetaphern finden (teilweise aus [Dac04]): Freie Bewegung ohne Pfad: Bei dieser stark immersiven Art der Navigation wird es dem Nutzer gestattet, sein Ziel selbst zu wählen. Ähnlich einem Computerspiel, kann er sich frei durch die Szene bewegen. Der vorgegebene Ablauf einer Stereopräsentation, also die vordefinierte Reihenfolge der einzelnen Szenen (Folien), schließt diese Art der Navigationskontrolle zwischen den einzelnen Folien aus. Innerhalb einer dargestellten Szene (beispielsweise bei einer Visualisierung von Geodaten) kann diese Art der Navigation jedoch durchaus genutzt werden, auch wenn sie dann lediglich von einer Person ausgehen kann. Pfadgebundene Bewegung: Diese Kategorie beschreibt eine Bewegung entlang eines vorgegebenen Pfades. Hierbei handelt es sich, wie bei der freien Bewegung, um eine stufenlose Bewegung, so als fahre man auf einer Schiene durch die virtuelle Welt. Um von einem Raum zum nächsten zu gelangen, muss man den gegenwärtigen erst komplett durchquert haben. Da diese Art der Navigation nur die Vor- und Rückwärtsbewegung entlang des

39 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 36 Pfades (oder optionalen Abzweigungen) erlaubt, scheint sie sich offensichtlich für Stereopräsentationen zu eignen. Betrachtet man nun jedoch die Eigenschaft, dass sich die Anwendungskontrolle meist nicht in der Hand des Rezipienten befindet (sondern beim Vortragenden), so könnte diese Form der Bewegung schnell als zu langatmig empfunden werden. Fahrstuhlmetapher: Die Fahrstuhlmetapher beschreibt eine vertikale Auf- oder Abwärtsbewegung seitlich zur Szene. Der Nutzer initiiert diese Form der Bewegung lediglich, kann diese während ihres Ablaufes jedoch nicht weiter beeinflussen. Ausgangs- und Zielpunkt sind fest vorgegeben. Somit ist die Fahrstuhlmetapher ein Sonderfall einer pfadgebundenen Bewegung. Auch eine äquivalente, vertikale Bewegung, etwa durch ein Fließband oder Schienenfahrzeug, kann in diese Gruppe eingeordnet werden. Im Gegensatz zur Kategorie der pfadgebundenen Bewegungen, bei der die Szene auf einer immersiveren Weise durchquert wird, kann bei der Fahrstuhlmetapher der Benutzerstandpunkt (im Fahrstuhl) auch beibehalten werden, sodass die Szene nur ausschnitthaft erkundet wird und somit mehr Bühnencharakter erhält. Die Fahstuhlmetapher, sowohl in ihrer horizontalen als auch in ihrer vertikalen Ausprägung, erlaubt einen gleichmäßigen Raumwechsel innerhalb räumlich gestaffelter Strukturen. Sie eignet sich daher besonders für den Einsatz in Stereopräsentationen, da hier aufeinander folgende Folien oder Räume leicht als einzelne Etagen oder Fächer eines Regals aufgefasst werden können. Bezogen auf die genannten Folienübergänge gängiger zweidimensionaler Präsentationslösungen, entspricht die Fahrstuhlmetapher in etwa den push Übergängen. Teleportierung: Diese Art der Navigation bedeutet einen abrupten Standortwechsel des Nutzers. Eben noch in der einen, befindet er sich kurz darauf, ohne länger anhaltenden Übergang, bereits in einer neuen Szene. Verglichen mit dem klassischen Medium Film, entspricht das Teleportieren dem harten Schnitt. Werden zudem noch Übergangseffekte, wie etwa der Einsatz von Transparenz oder Verdunkelung und Aufhellung (und dem Wechsel der Szenen während der Phase, in der durch Unter- oder Überbelichtung gerade nichts erkennbar ist), so entspräche dies einer weichen Blende im Film. Während die Fahrstuhlmetapher auch einen inhaltlichen Zusammenhang vermittelt und verdeutlichen kann, dass durch sie verbundene Teile der Präsentation aufeinander aufbauen, können durch Teleportierung auch bequem Räume ohne inhaltlichen Zusammenhang verbunden werden.

40 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN Allgemeine Gestaltungshinweise Generelle Prinzipien und Richtlinien, die bei der Gestaltung multimedialer Präsentation, Grafikanwendungen und Webseiten zum Einsatz kommen, finden auch bei Stereopräsentationen Anwendung. Der Vollständigkeit halber sollen die wichtigsten Prinzipien hier erwähnt werden (weiterführende Betrachtungen finden sich beispielsweise in [Dac04] und [Rey08]): Inhaltliche Reduktion So sollte prinzipiell immer auf ein gesundes Maß an Information geachtet werden, welches dem Nutzer auf einmal präsentiert werden kann. Die Reduktion auf kurze Stichpunkte und Schlagworte verlagert die Aufmerksamkeit auf den Vortragenden und verhindert ein allzu langes Mitlesen der Zuhörer. Auch bei Abwesenheit eines Vortragenden sollte der nötige Mehrinhalt lieber sequentiell, also auf mehreren zusätzlichen Folien verteilt, aufbereitet werden. Visuelle Reduktion Multimediale Elemente sollten grundsätzlich zweckmäßig eingesetzt werden. Ein Überfrachten der Präsentation mit Dekorationen und Ornamenten führt leicht zu Ablenkung und wirkt auf Dauer störend. Hintergrundbilder erschweren in der Regel die Lesbarkeit von Text. Zur visuellen Balance sollten Weißräume gelassen werden. Design kann durch Schlichtheit und Verzicht auf Unwesentliches an Eleganz gewinnen. Generell sollten wenige, aber interessante und aussagekräftige Motive verwendet werden. Aufmerksamkeitssteuerung Bewegung durch Animationen, Videos und Folienübergänge können zur Aufmerksamkeitssteuerung genutzt werden. Dabei sollte natürlich immer das Prinzip Visuelle Reduktion sowie eine Schonung der Systemressourcen beachtet werden. Bewegung sollte nur punktuell eingesetzt werden, da andauernde Unruhe auf der Folie vom eigentlichen Vortrag ablenkt. Durch Begrenzung der Anzahl gleichzeitig sichtbarer Elemente, wird eine Verbesserung der Aufmerksamkeit erreicht. Die Ausnutzung von Gruppierungs- und Figur-Grund-Prinzipien kann visuelle Hierarchien schaffen. Gerade hinsichtlich einer Stereopräsentation, sollte hierbei auch die Tiefe des Raumes verwendet werden. Konsistenz Sowohl inhaltlich, als auch in der Gestaltung sollte Konsistenz gewahrt werden. Farbgebungen sollten sowohl in sich (also innerhalb eines Bildes/Objektes), als auch bezüglich der anderen Multimediainhalte stimmig sein. Dies kann beispielsweise durch die Benutzung einer, auf wenige Farben hin, reduzierten Palette erreicht werden.

41 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 38 Position und Abmessungen von Bildern und Videos sollten folienübergreifend beibehalten werden (Gestaltungsraster). Hinsichtlich des Textes ist auf eine gleich bleibende Terminologie zu achten Metaphern zur Foliengestaltung Bei der Gestaltung einer Szene als Folie einer Stereopräsentation, können verschiedene 3D-Echtzeitgrafik- Anwendungen als Inspirationsquelle dienen. 3D-Desktop Eine Gruppe ist die der 3D-Betriebssystemoberflächen, wie BumpTop [Bum09] oder 3DNA [3DN09]. Aus dem 2D-Desktop-Bereich stammende Icons werden durch äquivalente 3D-Darstellungen ersetzt und in einem 3D-Raum angeordnet, um ein verbessertes Wiederfinden abgelegter Dokumente und Applikationen zu erreichen. Während der BumpTop die Schreibtischmetapher aufrecht erhält, ist es mit der 3DNA möglich, Daten in komplexen Welten zu organisieren, wobei eine Unterteilung einzelner Themenwelten durch passende Metaphern erfolgt. Abbildung 5.8 zeigt den Schreibtisch beim BumpTop, sowie einige Themenwelten der 3DNA. 3D-Betriebssystemoberflächen dieser Art sind primär darauf ausgerichtet, das räumliche Erinnerungsvermögen des Menschen zu nutzen, um eine Vielzahl von Elementen beherbergen zu können. Abbildung 5.8: 3D-Betriebssystemoberflächen BumpTop (links) und 3DNA (rechts) (Bilder aus [Bum09] und [3DN09]) Das Objekt als solches ist dagegen weniger von Interesse und dient, mit Ausnahmen (so können Bild- Dateien beispielsweise meist direkt betrachtet werden), wie ein Icon im 2D-Bereich lediglich als Verknüpfung zum eigentlichen Dokument. Der Raum ist gestaltet, um Ablagen zu schaffen. Je nach Anwendungsdomäne sind Stereopräsentationen eher raum-, text- oder objektfokussiert. Nicht immer ist dabei die Umsetzung einer komplexen Welt vorteilhaft. Bei der Visualisierung von Geodaten oder stadtähnlich aufgebauten Welten, wo Objekt und Grund identisch sind (der gesamte Raum ist das

42 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 39 Objekt), ist eine zusätzliche Strukturierung im Sinne eines Layouts meist nicht nötig, sondern bereits durch den Inhalt gegeben. Bei der Präsentation müssen dann lediglich Navigationsmetaphern angewandt werden. Anderen, wie der Präsentation von Produkten, abstrakten Objekten, Bildern und Ähnlichem, ist jedoch eine stärkere Trennung von Figur und Grund zu eigen. Bei einer Darstellungsform ähnlich 3DNA würde der Nutzer leicht abgelenkt werden, da sich das einzelne Objekt in der Fülle des Raumes verliert. Der Nutzer soll nicht suchen, sondern sich auf das Wesentliche konzentrieren können. Eine stärker reduzierte Darstellung, wie bei BumpTop ist oftmals einer komplexen Welt vorzuziehen. 3D-Daten-Browser Bei der Gruppe der 3D-Daten-Browser ist das Dokument selbst im Fokus. Der Raum ist abstrakter gehalten, um nicht unnötig für Ablenkung zu Sorgen. Durch hierarchische Strukturen wie Bäume, Netze und - in den meisten Fällen - Ringmenüs, kann zwischen einzelnen Objekten navigiert werden. Abbildung 5.9 zeigt eine, am Lehrstuhl Computergrafik und Visualisierung entstandene Lösung als typischen Vertreter dieser Kategorie [CGV08] und. Abbildung 5.9: 3D-Daten-Browser aus [CGV08] Das Ringmenü (oder: Rotationsmenü, Rotator) Eine Strukturierung einzelner Objekte mittels Ringmenüs (Abbildung 5.10) eignet sich besonders gut bei der Erstellung von Stereopräsentationen. Aufeinander aufbauende Inhalte können effektvoll präsentiert werden. Der Nutzer erhält zudem eine Vorstellung über den aktuellen Stand der Präsentation - er sieht, welche Objekte bereits abgearbeitet wurden, und welche nicht. Besonders förderlich bezüglich einer stereoskopischen Wiedergabe ist die horizontale Abgeschlossenheit eines Ringmenüs, gegeben durch dessen Kreisform. Eine zentrale Anordnung auf der Folie (im Raum) und ein passend gewählter Radius, ermöglichen das leichte Vermeiden von Verdeckungsproblemen bezüglich des Rahmens. Wird das Ringmenü zur Projektionsebene hin mittig ausgerichtet (Mittelpunkt des Ringes ist Mittelpunkt der Projektionsebene - auch bezüglich der z-koordinate), erfolgt eine besonders angenehme stereoskopische

43 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 40 Wiedergabe, da die hinteren Objekte positive, die vorderen Objeke jedoch negative Parallaxe innehaben. Die horizontale Parallaxe der Objekte am rechten und linken Rand der Kreisbahn verringert sich mit größer werdendem Abstand zur x-koordinate des Mittelpunktes der Projektionsebene, bis hin zur Nullparallaxe. Sollte es doch zu einem Abschneiden der Randobjekte durch den Rand kommen, so würde es an den äußersten Objekten nur im geringen Maße zu einer gestörten Wahrnehmung führen. Abbildung 5.10: Beispiel für ein Ringmenü aus der prototypischen Umsetzung zu dieser Arbeit Buch- und Tafelmetapher Bereits in den 1990er Jahren zeigte der WebForager Möglichkeiten, mehrere Inhalte gleichzeitig in einer dreidimensionalen Umgebung zu präsentieren. Als eine der wenigen Präsentationslösungen für stark textlastige Inhalte, wurde sich mit dem WebBook der Buchmetapher bedient (siehe Abbildung 5.11 (links)). Die Verwendung eines Buches zur Darstellung von Text und Bild kann einen effektvollen Übergang aufeinander folgender zweidimensionaler Inhalte ermöglichen, ohne dass der Rest der Szene (Objekte oder Hintergrund) davon beeinflusst werden muss. Die ebenfalls für die Visualisierung zweidimensionaler Dokumente ausgelegte Perspective Wall, verwendete dagegen die drei Seiten eines perspektivisch verzerrten Würfels als Projektionsfläche (Abbildung 5.11 (rechts)) [Car99]. Diese Darstellung ähnelt der bereits erwähnten Tafel-, oder Triptychon-Metapher. Dem Nutzer ist diese Art der Präsentation bereits von der Schultafel her bekannt. Eine Abbildung von Texten und Bildern auf eben solchen unterstützt die Orientierung (Bilder und Texte können erwartungskonform immer an den selben Stelle, der Tafel, erscheinen) und geben dem Auge Halt, da der Text einen Rahmen bekommt und sich nicht in der Szene verliert. Durch die Verwendung einer Tafel oder eines Buches, kann dem Text eine geeignete Hintergrundfarbe gegeben werden, um die Lesbarkeit zu steigern. Durch die perspektivische Verzerrung der beiden äußeren Seiten der Perspective Wall, wird zusätzli-

44 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 41 cher Raum für die Darstellung der Hauptinformationen auf der größeren Mitteltafel geschaffen. Bei der Gestaltung der verzerrten Außenseiten sollten jedoch die unter Abschnitt gegebenen Hinweise beachtet werden. Abbildung 5.11: WebForager und Perspective Wall (Bilder aus [Car99]) Bühnen-Metapher Auch in der Gruppe der 3D-Produktpräsentationsumgebungen haben sich typische Gestaltungsformen etabliert. Oft wird sich hierbei an realen Messeauftritten orientiert, sodass typische Szenen meist ein zentrales Bühnenelement samt zu präsentierenden Objekt beinhalten. Zusätzliche Text- und Bildelemente werden hinter und seitlich zur Bühne angeordnet. Als besonders beispielhafter Vertreter eignet sich hierbei, das, an der Burg Giebichenstein - Hochschule für Kunst und Design Halle entwickelte, Präsentations-Laboratorium Implantorium (siehe Abbildung 5.12) [Kol97]. Auch die 3D-Lernumgebung EDUTORIUM VorlesungsRaum, welche ebenfalls an der Burg Giebichenstein entwickelt wurde, benutzt, zusätzlich zum repräsentativen Aufbau durch Nutzung der Strukturmetapher Theater, die Naviagtionsmetapher des Ringmenüs, um zwischen Inhalten zu wechseln. Zweidimensionale Inhalte werden im EDUTORIUM zudem, ähnlich einer Perspective Wall, entsprechend der Wandtafel-Drei-Teilung in traditionellen Hörsälen präsentiert (Abbildung 5.12) [Kol05]. Tore und Portale Wie Abbildung 5.13 verdeutlichen soll, können Tore und Portale - beispielsweise in Verbindung mit Konstruktionen ähnlich einer Hebebühne oder einem Fließband - dazu genutzt werden, Inhalte in räumlichen Umgebungen, alternativ zu einer Anordnung in Ringmenüs oder Veränderung ihrer Objektgeometrie, sequentiell zu präsentieren.

45 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 42 Abbildung 5.12: Implantorium (links) und EDUTORIUM VorlesungsRaum (rechts) mit exemplarischer Nutzung der Theater- und Ringmenümetapher sowie der Drei-Tafel-Metapher beim EDUTORIUM (Abbildungen aus [Kol97] und [Kol05]) Abbildung 5.13: Möglicher Einsatz von Toren und Portalen als Alternative zu Ringmenüs

46 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN Beispiel für die Kombinationen einzelner Metaphern und Designvorschläge Um eine effektive Präsentation multimedialer Inhalte zu erreichen, bietet es sich an, mehrere der genannten Metaphern und Designvorschläge zu einem Ganzen zu verbinden. Die folgenden Abbildungen sollen daher zwei Möglichkeiten für die Integration der verschiedenen Elemente, den Aufbau einer räumlichen Präsentationsumgebung ( Folie ), sowie die Wahl geeigneter Navigationsmetaphern zum Wechsel zwischen den einzelnen Räumen, grafisch verdeutlichen. Abbildung 5.14 zeigt die Verwendung einer Drehbühne zur Präsentation zweidimensionaler Inhalte, eine geeignete Ausrichtung der Szene bezüglich der Projektionsfläche und die Verbindung aufeinander folgender Folien mit Hilfe der Fahrstuhlmetapher. Abbildung 5.15 illustriert die Verwendung eines Ringmenüs zur gleichzeitigen Präsentation mehrerer Objektgeometrien und den Einsatz der Drei-Tafel-Metapher innerhalb einer Szene. Die einzelnen Räume sind dabei als Drehbühne (in 2D-Präsentationstools auch als Rotator bezeichnet) angeordnet.

47 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN Abbildung 5.14: Beispiel I 44

48 5. DESIGN VON STEREOPRÄSENTATIONEN 45 Abbildung 5.15: Beispiel II

49 6. UMSETZUNG 46 6 Umsetzung 6.1 Beschreibung des Präsentationstools Das Präsentationstool für Stereopräsentationen, das während der Bearbeitung des Belegthemas entstanden ist, ist als Grafischer Textinterpreter zu verstehen. Wie in [Gum08] beschrieben, basiert es auf dem Ansatz, einen Texteditor mit einem Interpreter und einer Grafikausgabe zu kombinieren. Der Grafische Textinterpreter, im Folgenden als GTI bezeichnet, ist demnach Autorenwerkzeug und Anzeigeprogramm für Stereopräsentationen in einem. Änderungen im Texteditor werden sofort interpretiert und zum Änderungszeitpunkt im Ausgabefenster sichtbar gemacht. Der GTI wurde unter Verwendung des CGV- Frameworks des Lehrstuhls Computergraphik und Visualisierung entwickelt. Für die stereoskopische Ausgabe der interpretierten Szenenbeschreibung im CGV Viewer wird das, am Lehrstuhl entstandene, Stereo Interactor Plugin verwendet, welches verschiedene Ausgabemodi, wie etwa die Darstellung in Anaglyph oder nach dem Side-by-Side-Verfahren, unterstützt. Der, bereits mit grundlegenden Funktionen ausgerüstete, vorhandene GTI, wurde im Verlauf dieser Belegarbeit angepasst und entsprechend der Aufgabenstellung erweitert. 6.2 Abgrenzung von vorhandenen Lösungen Present3D Present3D, ein Projekt der OpenSceneGraph Community, ist eine 3D-Echtzeitgrafik-Anwendung zur Wiedergabe von 3D-Präsentationen. Wie beim GTI, handelt es sich hierbei um ein Präsentationstool, welches eine stereoskopische Darstellung erlaubt. Present3D verwendet das weit verbreitete XML Format zur Beschreibung einer Präsentation. Durch aufeinander folgende Einzelszenen kann sich nach dem, aus Powerpoint und anderen Präsentationstools bekannten, Folienprinzip geklickt werden. Present3D bietet eine breite Medienunterstützung, welche von der Integration von Text, Bild und Videodaten bis hin zu komplexen 3D-Modellen reicht, sowie auch die Möglichkeit zur Manipulation und Animation integrierter Daten [Pre09].

50 6. UMSETZUNG 47 Durch die hohe Formatunterstützung und der umfangreichen Auszeichnungssprache, ist Present3D ein mächtiges Präsentationstool, welches, dank einer aktiven Community, stetig erweitert wird. Von Haus aus bietet jedoch auch Present3D keine speziellen Szenen- beziehungsweise Folienübergänge oder szenenübergreifende Navigationsmetaphern. Navigationsuntertsützung, in Form eines Flight-, Drive- und Terrain-Manipulators (die Möglichkeit sich um einzelne Objekte herum zu bewegen oder automatisch dem Verlauf eines Terrains zu folgen), findet nur innerhalb einer Szene statt. Über die reine Möglichkeit der stereoskopischen Darstellung hinaus, werden keine Gestaltungshilfen geboten, welche auf Charakteristika von Stereopräsentationen besonders eingehen. Im Gegensatz zum GTI als kombiniertes Tool zum Erstellen und Anzeigen einer Stereopräsentation, wird bei Present3D der Autorenprozess nicht im Programm selbst vollzogen, welches lediglich als Player für die Präsentation dient. Änderungen werden in einem beliebigen Editor vorgenommen und nach einem erneuten einlesen der Präsentation durch Present3D ersichtlich D-Powerpoint In 3D-Powerpoint - Towards a design tool for digital exhibitions of cultural artifacts beschreibt [al.07] ein Werkzeug zur Präsentation computergenerierter 3D-Modelle kulturhistorischer Artefakte in Museen. Sowohl die Autoren- als auch die Präsentationsumgebung sind dabei besonders auf eine einfache Handhabung hin ausgelegt. Präsentationen werden via drag-and-drop der einzelnen Modelle, Bilder und Text in vorgefertigte Designvorlagen, welche wiederum durch eine Scriptsprache angepasst werden können, erstellt. Somit ergibt sich für 3D-Powerpoint folgende Benutzerhierarchie: Level 0: Endnutzer als Konsument der Präsentation Level 1: Autor einer Präsentation, der diese unter Verwendung der 3D-GUI und der drag-and-drop- Mechanismen aus vorhanden Vorlagen erstellt Level 2: Entwickler von Vorlagen und Templates, welche dieser mittels der Scriptsprache GML (Geography Markup Language) erstellt Level 3: Extension Entwickler, der neue Funktionalitäten implementiert (C++) Der Nutzerkreis der Kategorie Level 0 besteht aus dem Museumsbesucher, der die fertige Präsentation an einem interaktiven Kiosk betrachten und, etwa unter Verwendung eines Nintendo Wiimote Controllers, auch steuern kann. Neben der Level 0 -Gruppe, soll vor allem die Level 1 -Stufe auch Menschen ohne Programmiererfahrung zugänglich sein. Durch das Bereitstellen diverser Templates, welche, übertragen auf den Bereich der 2D-Präsentationstools, in etwa mit Powerpoint Folienlayouts vergleichbar wären, und des bereits er-

51 6. UMSETZUNG 48 wähnten Füllens dieser Layouts mit 3D-Inhalten mittels drag-and-drop, können einfache Präsentationen auch ohne Programmierkenntnisse erstellt werden. In [al.07] werden zwei Designvorlagen vorgestellt, wobei erstere, der Chandelier (englisch für Kronleuchter ) einem Rotationsmenü entspricht, bei welchem die einzelnen Daten kreisförmig angeordnet sind und durch Rotation der Szene erreichbar werden (vergleiche Abbildung 6.1). Die zweite Designvorlage beinhaltet mit dem sogenannten Parametric Shelf (englisch für Parametrisches Regal ), eine Art frei skalierbares Bücherregal zur Strukturierung der einzelnen Modelle (vergleiche Abbildung 6.1). Abbildung 6.1: Designvorlagen in 3D-Powerpoint (Abbildungen aus [al.07]) Besonders erwähnenswert an dieser Stelle, ist zudem die Bereitstellung eines einfachen Modellierungstools zur bequemen Erstellung einfacher dreidimensionaler Objekte. Bei dem als Ad-hoc Geometry Creating - also das Erstellen geometrischer Formen aus dem Stegreif heraus - bezeichneten Verfahren, werden vom Nutzer definierte Punkte mittels Kontrollpolynom zu Flächen verbunden (abgerundete Kanten können beispielsweise durch B-Splines beschrieben werden) und anschließend zu einem dreidimensionalen Objekt extrudiert. Abbildung 6.2 zeigt dieses schrittweise Erstellen eines Elementes am Beispiel eines Armes für die Chandelier -Vorlage. Abbildung 6.2: Ad-hoc Geometry Creating in 3D-Powerpoint (Abbildungen aus [al.07]) 3D-Powerpoint bezieht sich schon allein durch die Namensgebung direkt auf 2D-Präsentationsumgebungen (Microsoft Powerpoint) und teilt mit diesen auch Eigenschaften, wie etwa die Fokussierung auf die Anwendergruppe der Personen ohne Programmiererfahrung, die Trennung in Autoren- und Präsentations-

52 6. UMSETZUNG 49 modus sowie die Benutzung anpassbarer Designvorlagen beim Erstellen der Präsentation. Die vorgestellten Beispielvorlagen lassen jedoch eher eine nähere Verwandtschaft zur Kategorie der 3D-Daten-Browser (Abschnitt 5.3.4) als zu Microsoft Powerpoint erkennen. Der Grundcharakteristika einer Präsentation im Sinne von Microsoft Powerpoint als eine, auf der Folienmetapher basierenden, geführten Slideshow, steht hier eine stark auf Exploration durch den Nutzer hin ausgerichtete Präsentationslösung entgegen. Designvorlagen wie der Chandelier als Variante eines Rotationsmenüs dienen bei 3D-Powerpoint primär zur Orientierungsunterstützung für den Nutzer, um von einem Objekt zum nächsten zu gelangen. Objekte auf denen zur Zeit kein Fokus liegt sind, ebenso wie der Weg zu ihnen (der Arm des Kronleuchters ), immer sicht- und erreichbar, um den Nutzer ein klaren Überblick über seine Position zu verschaffen. Dies ist bei einer auf Exploration hin ausgelegten Präsentation zwar von grundlegender Bedeutung, erschwert jedoch das Übertragen auf die Folienmetapher. Bei einer der Folienmetapher näher stehenden Umsetzung, ist eine Orientierungsuntertsützung für den Betrachter von geringerer Bedeutung, da ihm keine wirklichen Alternativen zu Verfügung stehen und er meist auch nicht die Kontrolle über den Ablauf der Präsentation inne hat. Hier würde ein Rotationsmenü dieser Form eher Element einer Folie sein, um eine angenehme Präsentationsabfolge zusammengehöriger Objekte zu ermöglichen. Bei einem Folienübergang jedoch, wären nachfolgende Folien (und deren Anordnung als Rotationsmenü) erst zum Zeitpunkt des Übergangs ersichtlich. Eine andauernde Präsenz der vorhergehenden und nachfolgenden Folien während der gesamten Verweildauer, würde hier eher ablenken und als störend erscheinen. Eine Folie beinhaltet meist mehr als nur ein Element und dessen Bezeichnung und ist, anders als bei den beschriebenen 3D-Powerpoint-Beispielen, immer auch als Raum zu begreifen (mit Vorderund Hintergrund), weshalb es bei der gleichzeitigen Anzeige mehrerer Folien leicht zu einer Informationsflut und Platzmangel für die Darstellung der zur Zeit eigentlich wichtigen Informationen führen kann. 6.3 Umsetzung und Beispiele Vorhandene Funktionen des GTI Farbe Farbfestlegungen werden durch c wie color eingeleitet. Darauf folgt die Angabe der Farbe durch ihren Hexadezimalwert(RGB): chex. Beispiel für das Setzen der Farbe auf weiß:

53 6. UMSETZUNG 50 cfff Die Festlegung der Hintergrundfarbe erfolgt durch das Löschen des Bildschirmes mit der vorhergehenden Farbe. Symbol für das Löschen ist #. Beispiel für das Setzen der Hintergrundfarbe auf weiß und anschließendem Weiterzeichnen in schwarz: cfff # c000 Auswahl verschiedener Darstellungsmodi Einleitende Buchstaben sind e für enable und d für disable (Ein- und Ausschalten): ec / dc... An- oder Abschalten des Backface Cullings ew / dw... An- oder Abschalten der Darstellung als Wireframe (Drahtgittermodell) ez / dz... erlaubt oder verhindert das schreiben in den Tiefenpuffer ed / dd... erlaubt oder verhindert die Anwendung des Tiefentests eb / db... An- oder Abschalten von Transparenz ( Blending ) h... Zeichnet nachfolgende Inhalte als HUD (Head-Up-Display) über die Szene w... Zeichnen in Weltkoordinaten Zeichnen von Primitiven Einleitender Buchstabe für das Einstellen von Punkt- und Liniendicke ist w : wn... Setzt die Punkt- und Liniendicke auf n w+... Erhöhen der Dicke um 1 w-... Verringern der Dicke um 1 Einleitender Buchstabe für das Zeichnen von 2D-Primitiven ist g (für geometry): g.... Zeichnen eines Punktes gl... Zeichnen einer Linie der Länge 1 gc... Zeichnen eines Kreises (circle) gq... Zeichnen eines Quadrates gpn... Zeichnen eines regelmäßigen n-ecks (Polygon) mit n Eckpunkten Das Zeichnen dreidimensionaler Primitive erfolgt über den einleitenden Buchstaben G : Gt... Tetraeder

54 6. UMSETZUNG 51 Gc... Würfel (cube) Go... Oktaeder Gd... Dodekaeder Gi... Ikosaeder Gp... Prisma Gs... Kugel (sphere) Gy... Zylinder Gn... Kegel (cone) Gk... Kreisscheibe(disk) Transformationen Translation wird durch t, Rotation durch r, Skalierung duch s und Scherung durch y eingeleitet: tz=n... Setzt den Wert der Translation auf n tz+... Translation um n in positiver z-richtung tz-... Translation um n in negativer z-richtung tzn-... Translation um n in negativer z-richtung (alternativ) Die Angabe der anderen Transformationen erfolgt äquivalent. Animation Einleitender Buchstabe für das Erstellen einer Animation ist A. Danach folgt die Festlegung der Animationsart: Ar... Linearer Verlauf der zu animierenden Transformation (ramp) As... Interpolation durch Sinusfunktion Ac... Interpolation durch Cosinusfunktion Ab... Sprunghafter Wechsel zwischen Ausgangs- und End-Transformation (box) At... Sich wiederholende, linearer Interpretation (Ar) (tooth) Anschließend folgt die Spezifizierung der zu animierenden Transformation. Folgendes Beispiel beschreibt die animierte Rotation eines Würfels um 60 Grad (x-achse): Arrx60-Gc

55 6. UMSETZUNG 52 Text Text wird mittels Anführungszeichen gekennzeichnet. Das Einstellen einzelner Texteigenschaften erfolgt durch den einleitenden Buchstaben f (font): fb... Fettschrift (bold) fi... Schrägschrift (italic) fr... Normalschrift (reset) f+... Schriftgröße erhöhen f-... Schriftgröße verringern fn... Setzen der Schriftgröße auf den Wert n f fontname... Zuweisen der Schriftart mit dem Namen fontname Präsentationsfolie Die Folienstruktur wird durch spitze Klammern beschrieben: <+>... Zeichnen des nächsten Folienabschnitts <+ >... Wechsel zur nächsten Folie <* content>... Festlegen eines folienübergreifenden Layouts (content ist auf allen Folien sichtbar) <n1-n2 content>... Festlegen eines folienübergreifenden Layouts (content ist nur auf den Folien n1 bis n2 sichtbar) Weitere Funktionen ;comment... Kennzeichnung von comment als Kommentar Tn... Zeitliche Verzögerung: Nachfolgende Anweisungen werden nach n Sekunden ausgeführt n(content)... Schleife: Anweisungen in content werden n-malig ausgeführt [content]... Lokale Zuweisung: Transformationen in content begrenzen sich auf in content enthaltene Objekte (Primitive, Bilder) Erweiterungen im Zuge der Belegarbeit Bilder und Stereo-Bilder Einleitender Buchstabe für das Einbinden von Bildern ist das i (image): ip path... Angabe des Pfades path als Speicherort der Bilddaten iw filename... Zeichnen des Bildes filename mit Skalierung der Breite (width) auf 1 (unter Wahrung der relativen Seitenlängen)

56 6. UMSETZUNG 53 ih filename... Zeichnen des Bildes filename mit Skalierung der Höhe auf 1 (unter Wahrung der relativen Seitenlängen) ihv filename / iwv filename... Zeichnen des Stereo-Bildes filename mit Trennung der Ansichten für linkes und rechtes Auge nach dem side-by-side-verfahren (vertikale Trennung) ihh filename / iwh filename... Zeichnen des Stereo-Bildes filename mit horizontaler Trennung der Ansichten für linkes und rechtes Auge iw filename1 filename2... Zeichnen des Stereo-Bildes aus den, in filename1 und filename2 gespeicherten, Ansichten für linkes und rechtes Auge Videos und Stereo-Videos Einleitender Buchstabe für das Einbinden von Videos ist das v : vp path... Angabe des Pfades path vv filename... Vertikale Trennung der Ansichten vh filename... Horizontale Trennung der Ansichten v filename1 filename2... Laden der in filename1 und filename2 gespeicherten Ansichten Optional können Angaben zur Startzeit und der abzuspielenden Frames gemacht werden: vstime filename... Video startet nach time Sekunden vfstartframe-endframe filename... Es werden nur Frame startframe bis endframe abgespielt vstimefstartframe-endframeh filename... Kombination aus obigen Angaben Beispiel für das Abspielen eines Stereo Videos (side-by-side) von Frame 10 bis Frame 400, zwei Sekunden nach dem Start der Präsentation: vs2.0f10-400v"test.avi" Objektgeometrien aus OBJ-Dateien Einleitender Buchstabe für das Einbinden von Objektgeometrien ist das o : op path... Angabe des Pfades path o filename... Zeichnen der Objektgeometrie aus filename om filename1 t filename2... Morphen von filename1 nach filename2 om filename1 t filename2 stimedduration... Optionale Angabe von Startzeit und Dauer oc filename... Facettenweises Zusammenbauen von filename ot filename... Herbeiteleportieren von filename

57 6. UMSETZUNG 54 3D-Text Die Verwendung von 3D-Text wird durch fm (font-mesh) eingeleitet: fmp path... Pfad path fmr filename... Einlesen der in filename gespeicherten Objektgeometrien (read) fm text... Zeichnen von text Folienübergänge Einleitender Buchstabe für das Festlegen auf einen bestimmten Folienübergang ist das B (slide blending): B1... Pageflip-Übergang: klassischer Folienübergang aus 2D-Präsentationstools B2... Cube-Übergang: Abbildung einzelner Folien auf die Außenflächen eines Würfels B3... Ringmenü1: Folien sind zum Mittelpunkt des Ringes ausgerichtet B4... Ringmenü2: Folien bleiben zum Betrachter hin ausgerichtet (um Stereoeffekt möglichst zu erhalten) B5... Fog-Übergang: Verschwinden der Szenenobjekte im Nebel - anschließendes Auftauchen neuer Objekte B6... Elevator-Übergang: vertikale Translation (Fahrstuhlmetapher) B7... Rail-Übergang: horizontale Translation (Schienenfahrzeug-Metapher) Folienlayout Das Erstellen eines Ringmenüs aus Objekten oder Bildern wird durch LR (Layout,Ringmenü) eingeleitet: LR name =radius(content1)(content2)... (contentn)... Definiert ein Ringmenü, bestehend aus den Inhalten content1 bis contentn und dem Radius radius LR name... Zeichnet das definierte Ringmenü mit dem Namen name LR name m... Zeichnet name mit Ausrichtung nach Element Nummer m LR name m-n... Zeichnet name mit animierter Drehung von Element Nummer m nach Element Nummer n Beispiel für das Erstellen und Zeichnen eines Ringmenüs vom Radius 2, und dessen Ausrichtung zum dritten Objekt: LR"rot_one"=2(c333 o"pawn.obj")(cddd o"bishop.obj")(c333 o"king.obj") LR"rot_one"3

58 6. UMSETZUNG 55 Weitere Funktionen t(content){target}... Erzeugen einer Textur für target aus content ti filename {target}... Erzeugen einer Textur für target aus der Bilddatei filename LI filename... Festlegen von filename als Hintergrundbild LF... Einfügen von Nebel in aktueller Löschfarbe j filename... Interpretieren von Folien aus filename an dieser Stelle Beispiel Die folgenden Bilder zeigen eine kurze Beispielpräsentation. Weitere Beispiele liegen der prototypischen Umsetzung bei. Abbildung 6.3: Aufbau der Szene (links) und die Änderung der Inhalte durch Drehen zweier Ringmenüs (rechts) Abbildung 6.4: Einbinden texturierter Objektgeometrie (links) und einfaches Morphen (rechts)

59 6. UMSETZUNG 56 Abbildung 6.5: Ergebnis des Morphens (links) und Folienübergang durch den Einsatz von Nebel (rechts) Abbildung 6.6: Erscheinen der neuen Folie (links) und einer Animation der Zugmöglichkeiten (rechts) Abbildung 6.7: Einfügen von 3D-Text und eines Bild- oder Videoobjektes