Virtuelle Realität und. S. Müller U N I V E R S I T Ä T KOBLENZ LANDAU

Transkript

1 (2) Ausgabegeräte Vorlesung Virtuelle Realität und Augmented Reality S. Müller KOBLENZ LANDAU

2 Wiederholung Geschichte: VR und AR Immersion: Gefühl in die Datenwelten einzutauchen, Teil der computergenerierten Welten zu werden VR-Referenzmodell (Präsentation, Interaktion, Objektverhalten) Mixed-Reality-Continuum (Paul Milgram) Real Mixed Reality Continuum Augmented Augmented Virtual Environment Reality (AR) Virtuality ty (AV) Environment KOBLENZ LANDAU S. Müller - 2 -

3 Monitor Desktop VR, Fishtank VR" Vorteile: Schon vorhanden Preiswert Auflösung bis zu 1900 x 1600 Vertraut (Akzeptanz) Keine speziellen Voraussetzungen an die Umgebung Nachteile: Keine Immersion Kleiner Bewegungsspielraum KOBLENZ LANDAU S. Müller - 3 -

4 HMD: head mounted display Frühestes "echtes" VR- Display Vorteile: Großer field-of-view, Rundum-Display Sehr gute Immersion Mittlerer Bewegungsspielraum Low-end-Modelle sind erschwinglich Kaum spezielle Anforderungen an die Umgebung KOBLENZ LANDAU S. Müller - 4 -

5 Datenbrillen KOBLENZ LANDAU S. Müller - 5 -

6 Datenbrillen LCDs: Leicht CRTs: Hohe Auflösung Niedrigere Auflösung Schwer, hohe Spannung ng am Kopf KOBLENZ LANDAU S. Müller - 6 -

7 CRT (Kathodenstrahlröhre) KOBLENZ LANDAU S. Müller - 7 -

8 Flachbildschirme KOBLENZ LANDAU S. Müller - 8 -

9 TFT (Thin Film Transistor)/LCD Liegt Spannung an, also unter Einwirkung eines elektrischen Feldes, sind die Flüssigkristalle gerade ausgerichtet. Das polarisierte Licht wird am zweiten Polarisationsfilter absorbiert. Damit kann das Licht an dieser Stelle des TFT Bildschirms nicht austreten. Für jedes Pixel 3mal (rgb) KOBLENZ LANDAU S. Müller - 9 -

10 HMD: Nachteile Nachteile: Auf Dauer unbequem Verzerrungenerr VR4 Datavisor Großbildproj. Reale Umgebung ist Menschl. ausgeblendet (ins- FOV besondere User selbst) 60 o 120 o Manipulation von realen Steuerelementen schwierig 200 o Jeder braucht einen HMD (dafür hat jeder, potentiell, eine korrekte Darstellung) Eingeschränkter Field-of- View (fov) KOBLENZ LANDAU S. Müller

11 HMDs und AR LCD Displays sind eigentlich durchsichtig Für VR: dunkel abschotten und Hintergrundlampe Kleine Fläche, wenig Leuchtdichte Keine Blendung möglich Für AR: Display direkt und reales Licht wird zur Hintergrundbeleuchtung g Problem: Polarisation schluckt viel Licht Realität wird wie durch starke Sonnenbrille wahrgenommen Große Hoffnung: z.b. OLEDs Organische, licht-emittierende Dioden KOBLENZ LANDAU S. Müller

12 Boom KOBLENZ LANDAU S. Müller

13 Boom Head-Coupled-Display (HCD) auf "Galgen" montiert Vorteile von HCDs gegenüber HMDs: Größere Auflösung, da CRTs "Mal schnell weglegen" oder "schnell mal durchschauen" Geringe Last Gutes Tracking ist eingebaut Nachteile gegenüber HMDs: Geringer Bewegungsfreiraum Nur eine Hand frei Trägheit Geringere Immersion Haben sich nicht durchgesetzt KOBLENZ LANDAU S. Müller

14 Bildschirm Eine Mattscheibe als Fenster in die virtuelle Realität Pixel ist diffuser Strahler und sieht von allen Seiten gleich aus Gesucht: eine Glasscheibe in eine virtuelle Welt Für das Pixel müsste eine LVK (Lichtstärke-Verteilungs- Kurve) berechnet werden Von dem Pixel müsste eine LVK dargestellt werden KOBLENZ LANDAU S. Müller

15 Autostereoskopische Displays Dresden 3D, Heinrich-Hertz-Institut KOBLENZ LANDAU S. Müller

16 Holographische Displays Prototypen KOBLENZ LANDAU S. Müller

17 Genereller Trend Immersive ProjektionsTechnologien (IPTs) Stereo-Leinwände (Projektionen) Vorteil: Team- und Diskussionsfähig Sehr immersiv Gibt es in den verschiedensten Konstellationen Workbench Holobench CAVE Panoramaprojektionen (ICONE) KOBLENZ LANDAU S. Müller

18 Projektoren CRT (Kathodenstrahl- Projektoren) Teuer, laut, lichtschwach Aber: genau/schwierig zu kalibrieren und einzustellen KOBLENZ LANDAU S. Müller

19 LCD Liquid Chrystal Displays Gleiche Technik, wie bei LCD/TFT Bildschirmen, nur statt Hintergrundlampe starke Projektorlampe Preiswert, leise, inzwischen auch hell (z.b ANSI- Lumen) Φ = L A π Entspricht ca cd/m 2 bei 1 m 2 Leinwand Schlechte Bildentzerrung Mechanisch oder Lens-shift Kein Schwarz KOBLENZ LANDAU S. Müller

20 DLP (Digital Light Processing) Wie LCD Projektor nur ein Objektiv Auf einem Chip sind bis zu ca. 1 Mio kleine Spiegel in einem Raster flächig angeordnet Jeder Spiegel kann einzeln elektronisch gekippt werden Spiegel wendet sich vom Farbrad ab -> schwarz. Sonst: Je länger ein Spiegel auf die Leinwand scheint, desto kräftiger wird die Farbe. Farblicht aus weißer Lichtquelle durch Farbrad Besseres Schwarz DMD: Digital Micromirror Device/Display KOBLENZ LANDAU S. Müller

21 Laser-Projektor (Schneider) Ein (tischgroßer) Festkörperlaser erzeugt Laserlicht, dass durch Modulation in 3 Grundfarben zerlegt wird. Das Laserlicht wird durch Drehrad mit Spiegeln gescannt Enormer Farbraum! Das Bild ist immer scharf (Prototyp) Laser KOBLENZ LANDAU S. Müller

22 Auf/Rückprojektion Im Prinzip gibt es 2 Projektionsmöglichkeiten Aufprojektion heisst: der Projektor hängt vor der Leinwand und projiziert von vorne (Bsp. Hörsaal) Nachteile: Man wirft eigenen Schatten Leinwände sind nicht so diffus -> HotSpots Rückprojektion : der Projektor steht hinter der Leinwand Problem: Platz Vorteil: Kein Schatten Bessere Leinwände, keine Hotspots KOBLENZ LANDAU S. Müller

23 Beispiel Ein Projektor hat einen horiz./vertik. Öffnungswinkel von 40 Grad Die Leinwand sei 2m x 2m Wie weit muss man den Projektor von der Leinwand aufstellen? tan = 1 d 1 α d = = 2, 75m tan α tan 20 α d α Alternativ: mit Spiegel(n) KOBLENZ LANDAU S. Müller

24 Leinwand-Typen Leinwand Leinwand Bild sieht von allen Seiten gleich aus Lichtleistung wird gleichverteilt, Gesamtleistung dunkler Leinwand Bild in Richtung Auditorium heller Bild sieht nicht von allen Seiten gleich aus Ideale Rückpro- Leinwand schwarze Leinwände KOBLENZ LANDAU S. Müller

25 Projektions-Artefakte Hot-Spots Man blickt sozusagen in die Reflexion der Lichtquelle Kleine Peaks, große Wirkung Leinwand wird nicht gleichmäßig (uniform) ausgestrahlt Besonders störend, wenn 2 Leinwände zusammentreffen (Lösung: edge-blendig) Das Auge sieht die Probleme nicht so stark, dafür aber z.b. eine digitale Kamera KOBLENZ LANDAU S. Müller

26 Lösung: Ausgleichstextur Transparente Ausgleichstextur Farbraum, γ-kurve VR-System KOBLENZ LANDAU S. Müller

27 Ausgleichstextur Aus einem Bild der Leinwand wird eine inverse, transparente Textur gewonnen Diese wird als letztes bei der Bilddarstellung g über das Bild gelegt Abdunklung der hellen Bereiche (Aufhellen geht nicht) Gut für Nicht-Uniformität Bedingt gut für Hot-Spots t (blickpunktabhängig) Farbkalibrierung und Gamma- Kurve können gleich mit erledigt werden. KOBLENZ LANDAU S. Müller

28 Stereoprojektion Anaglyph Rot, grün: Resultat nicht wirklich farbig Besser: amber, blue Prinzip: Bild wird für rechtes und linkes Auge berechnet und (in diesem Fall) gleichzeitig dargestellt Durch Brillen werden die beiden Bilder wieder getrennt Für das Gehirn entsteht dadurch ein 3D-Eindruck. KOBLENZ LANDAU S. Müller

29 Polarisation (passive Projektion) Es gibt zwei Projektoren Auf dem Objektiv sind zwei gegensätzlich geneigte Polarisationsfilter angebracht Die Bilder werden gleichzeitig dargestellt Der Betrachter trägt vor der Leinwand ein Polarisationsbrille, die die beiden Bilder wieder trennt Polarisation schluckt Licht 2 Projektoren sind teuer, bieten aber natürlich mehr Licht Lineare Polarisation: man darf den Kopf nicht neigen Linear: Circular: KOBLENZ LANDAU S. Müller

30 Aktive Projektion Es gibt nur einen Projektor Die Bilder für rechts/links werden abwechselnd nacheinander gezeigt. Die Graphikkarten muss ca. 120 Hz darstellen können Es wird ein Infra-Rot-Emitter an die Karte angeschlossen, der das Signal (linkes/rechtes) Auge überträgt Eine Shutter -brille empfängt das Signal und schaltet das linke/rechte Auge schwarz Brillen haben Batterie und sind nicht besonders robust Polarisation generell: mitunter schlechte Kanaltrennung (Geisterbilder) KOBLENZ LANDAU S. Müller

31 Infitec Entwicklung von DaimlerChrysler Erweiterung der Anaglyph- Technik; Kanaltrennung linkes/rechtes Auge nicht über 1 Farbe sondern eigenes rgb-system Sehr gute Kanaltrennung Problem: die Leinwände werden unterschiedlich farbig wahrgenommen KOBLENZ LANDAU S. Müller

32 Stereoprojektion Heute am häufigsten eingesetzt Passiv: 2 Projektoren Polarisation oder Infitec Billige Brillen Mehr Licht Aktiv: 1 Projektor Shutterbrillen Teure Brillen Wenig Licht Rückprojektion Geringere Hot Spots Keine Verschattung Braucht mehr Platz ( nach hinten ) Aufprojektion Hot Spots Verschattung Räumlich oft die einzige Möglichkeit Oft werden mehrere Leinwände nebeneinander angebracht (z.b. 8m x 3 m) ( Powerwall ) KOBLENZ LANDAU S. Müller

33 Stereoleinwände Großprojektionen Curved Screens, Panoramaprojektionen KOBLENZ LANDAU S. Müller

34 Projektion mit/ohne Tracking Man muss für die 2 Augen eine Position/Blickrichtung annehmen Z.B. Mitte des Auditoriums Eindruck umso schlechter, je weiter man sich von diesem Optimalpunkt entfernt Alternativ: man erfasst die Position/Orientierung des Betrachters ( Tracking ) und berechnet die Bilder für seine tatsächliche Augposition Vorteil: holographischer Eindruck Nachteil: Ein-Personen-Display KOBLENZ LANDAU S. Müller

35 Workbench Aktive, getrackte Rückprojektion Alternativ: passiv mit Circularpolarisation oder Infitec Passiv mit Linearpolarisation ist nicht möglich, da man unter verschiedenen Richtungen auf den Tisch sehen kann Erweiterung: 2-Personen durch Mehrfachshuttering (P1 links, P1 rechts, P2 links, P2 rechts ). Problem Flackern bei 30 Hz. KOBLENZ LANDAU S. Müller

36 Holobench Aktive, getrackte Rückpro auf 2 aufeinander senkrecht stehenden Leinwände Großer Field-of-view, sehr immersiv KOBLENZ LANDAU S. Müller

37 CAVE Cave Automatic Virtual Environment Anfangs aktiver, getrackter Rückprojektions Würfel Anfang 3,4,5 und inzwischen 6 Seiten CAVEs Faszinierendste und teuerste 1-Personen-Display der Welt. Inzwischen auch passive Lösungen (mit schwarzen Leinwänden) 5-Seiten CAVE: 10 Bilder pro Zeiteinheit KOBLENZ LANDAU S. Müller

38 3-Seiten Cave Spiegelanordnung KOBLENZ LANDAU S. Müller

39 5-Seiten Cave 6-Seiten C Cave, Alborg, DK KOBLENZ LANDAU S. Müller

40 Rechnerbetrieb Früher/Heute Betrieb mit Multi-Pipe SGI ONYX-Maschinen (infinite reality) Kosten: > 1 Mio Euro Aktuell PC-Cluster Z.B. 5-Seiten CAVE, passiv: 10+1 PCs Kosten: 11*aktueller ALDI Preis (ca Euro) KOBLENZ LANDAU S. Müller

41 Heye Wall Motivation: die Bildauflösung hat sich in den letzte 20 Jahren nicht wirklich verändert (ca. Faktor 2-4) Einfache Projektoren sind billig Zusammenstellung eine gekachelten Bildes mit Hilfe vieler Projektoren NCSA: 4 x 5 Wall, mono KOBLENZ LANDAU S. Müller

42 Tiled Wall HEyeWall (IGD Darmstadt): 6 x 4 Meter Stereo Projektion 6 x 4 Bilder in Stereo (Auflösung 1024 x 768/Teilbild) 48 Projektoren PC-Cluster (48+1 PCs) OpenSG Gesamtauflösung 6144 x 3096 Pixel Sehr hell under construction KOBLENZ LANDAU S. Müller

43 Zusammenfassung Displays Monitore HMDs HCDs Autostereoskopische, holographische Displays Projektionen Unterscheidung von VR- Projektionen IPTs Aktiv/passiv Aufpro/Rückpro Getrackt/ungetrackt Passiv: linear oder circular polarisiert; Infitec LCD/TFT DLP Stereoleinwände Laser Workbench/Holobench CAVE Heye Wall KOBLENZ LANDAU S. Müller