Definitionsversuche. Virtual Reality, ein Oxymoron mit Zukunft?! Historie. Andere Begriffe für VR

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1 Definitionsversuche Virtual Reality, ein Oxymoron mit Zukunft?! Prof. Dr. Ulrich Schwanecke Fachhochschule Wiesbaden EDV-Lexikon (2000): Oxymoron und Modefloskel, die häufig zur Aufwertung graphisch animierter Echtzeitsimulationen herangezogen wird Brockhaus (2003): Mittels Computer simulierte dreidimensionale Räume, in denen sich der Benutzer mit Hilfe elektronischer Geräte (wie Monitorbrille, Datenhandschuh) sowie umfangreicher Software (z.b. für die Spracherkennung) bewegt Webster (2004): An artificial environment which is experienced through sensory stimuli (as sights and sounds) provided by a computer and in which one's actions partially determine what happens in the environment Wikipedia (2004): Als Virtuelle Realität (VR) wird die Darstellung der Wirklichkeit und ihrer physikalischen Eigenschaften in einer in Echtzeit computergenerierten Umgebung bezeichnet FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 2 Historie Der Begriff Virtual Reality (VR) wurde um 1987 von Jaron Lanier geprägt Früheste Form von VR geht zurück auf Ivan Sutherland Sketchpad - A Man-Machine Graphical Communication System, 1963 Virtuelle Realität Virtuell: Der Kraft/Möglichkeit nach vorhanden Realität: Wirklichkeit (was ist das???) Schein-Wirklichkeit?!?!? Andere Begriffe für VR Artificial Reality Künstliche (computergenerierte) Wirklichkeit Künstliche Geometrie Künstliche physikalische Gesetze Künstliche soziale Regeln Augmented (Mixed) Reality Erweiterte Wirklichkeit Geht von der realen Welt aus (insbesondere von den Bildern der realen Welt) Überlagert (Video-)Bilder der realen Welt mit computergenerierten Virtual Environment Inzwischen in der Wissenschaft üblicher Begriff für AR /VR FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 4

2 Kommerzielle Historie Immersion Nintendo s Virtual Boy (1995) Hardware NEC V810 (32bit, 20MHz, RISC, ca. 18MIPS) 1MB Speicher Rote Displays (384x224 Pixel) 16Bit Stereo-Sound Kaum überzeugende 3D Effekte Technik nicht ausgereift Kopfschmerzen schon nach kurzer Zeit Warnhinweis: Sollte nicht von Kindern verwendet werden! Nur ca. 20 Spiele Nintendos größter Flop Führte unter anderem zur Entlassung von Gunpei Yokoi (Erfinder des Game-Boys...) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 5 Ivan Sutherland (1963): The screen is a window through which on sees a virtual world. The challenge is to make that world look real, act real, sound real and feel real. Immersion Mittendrin statt nur dabei Nicht nur Computer erzeugen Immersion Echtzeit (Stereo) 3D-Grafik Interaktion Simulation FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 6 Anforderung an VR Systeme Sehen Hören Problemloses Eintauchen in eine virtuelle Welt erfordert das Ansprechen möglichst vieler Sinne Tasten Schmecken Riechen FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 7 Desktop VR Herkömmliche (nicht Stereo) 3D-Grafik Bildschirm mit Tastatur und Maus Mehrere Fenster auf dem Desktop Geringe Immersion Kosten: ca. 2000! Desktop VR Desktop Stereo System mit (3D-)Maus und Tastatur Shutterbrille, Trackingsystem Vollbild Nur eine Blickrichtung (Bewegungen kaum möglich) Kosten: Ab ca. 2500! FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 8

3 Projektionen Projektionsart Aufprojektion Rückprojektion Aufbau Rundprojektion Virtual Workbench... Kosten: Ab ca ! CAVE Computer Automation Virtual Environment University of Illinois, bis 6 Rückprojektion Teilweise Bodenaufprojektion Ein getrackter Betrachter Alle anderen sehen Knicke Kosten: Ab ca ! FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 10 Head Mounted Displays Das erste HMD wurde um 1966 von Ivan Sutherland entwickelt Es war so schwer, dass es beweglich an der Decke gefestigt werden mußte Nachteile Geringes Blickfeld Starrer Blick Belastung der Nackenmuskulatur Kosten Ab 1000! bis ca ! SimEye XL100A (Kaiser) Head Tracking Bestimme Kopfposition Berechne Kameraposition Rendere Szene für linkes und für rechtes Auge Head-Tracking ist zwingend erforderlich X-Eye (Leadtek) Zeige Stereobild an FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 12

4 Zukünftige Displaytechnologien Anforderung an VR Systeme Autostereoskopische Displays Desktop VR ohne Shutterbrille Eye-Tracking (: SeeReal Technologies GmbH Hören Laser Projektoren Office of the future Sehen Problemloses Unbegrenzte Tiefenschärfe Größere Farbvielfalt Projektion auf beliebige Fläche Schneider AG Retinal Display (Microvision) Projektion des Bildes direkt auf die Netzhaut SIGGRAPH 1998 Eintauchen in eine virtuelle Welt erfordert das Ansprechen möglichst vieler Sinne Unabhängig von Umgebungslicht FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 14 Sound Anforderung an VR Systeme Geräusche sind das eigentliche Medium menschlicher Kommunikation Hören Erster Sinn, mit dem ein Ungeborenes seine Umwelt wahrnimmt Eine Woche nach der Befruchtung sind Ansätze von Ohren zu erkennen Ab der 28. Schwangerschaftswoche reagieren Föten auf Geräusche Mensch reagiert auf Geräusche empfindlicher als auf Bilder Entwicklungsgeschichtlich wichtige Funktionen des Gehörs Frühzeitige Warnung vor Gefahren Lokalisation von Partnern Sehen Problemloses Eintauchen in eine virtuelle Welt erfordert das Ansprechen Tasten Aufspüren von Beute Immersionshemmend Kein Sound oder nur leiser (Stereo-)Sound möglichst vieler Sinne Immersionsunterstützend Dolby Digital Sound, laut FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 16

5 Mensch Maschine Interface Maus Doug Engelbart, 1968 SpaceMouse, SpaceBall Daten-Handschuh Treadmill Treadport MMI Fortbewegung University of Utah 98 Varibale Steigung Force Feedback... Cybersphere Julian Eyre 1998, VR Systems UK Kugel, 270kg, 2.5m Durchmesser, 6mm dick (30 Polycorbonatschichten) Bewegung des Benutzers bringt die Kugel in s Rollen Messung der Bewegung durch weitere Kugel Visionrunner FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 18 Haptisches Feedback Anforderung an VR Systeme Handschuh (Cyberglove) Hören Cybertouch Touch Feedback (Vibration) Cybergrasp Force Feedback Virtual Technologies (VT) Sehen Problemloses Tasten Force Feedback für Spiele Joysticks Eintauchen in eine virtuelle Welt erfordert Lenkräder... Phantom Virtuelles Berühren Phantom Schmecken das Ansprechen möglichst vieler Sinne Riechen Cyberforce SensAble VT FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 20

6 Olfaktorische Simulation Geruchssinn ist der älteste Sinn Diente ursprünglich dazu, Gefahr zu wittern, Partner zu finden Augmented / Mixed Reality Das Reality-Virtuality Continuum (Milgram, 1994) Das Beste aus beiden Welten Mixed Reality Augmented Reality Augmented Virtuality Reale Welt (Real Environment) Virtuelle Welt (Virtual Environment) FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 22 Augmented Reality AR = Erweiterte ( vermehrte, angereicherte) Realität Die grundlegende Idee: Umgebungswahrnehmung+Zusatzinformation=AR Kamera (Semitransparente) Brille Mikrofon FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 23 AR Displays und Tracking Systeme Unterschiedliche HMDs Video see-through Benutzer sieht nur Videobilder Vorteil: AR-System sieht, was der Benutzer sieht Nachteil: Eingeschränkte Auflösung Optical see-through Benutzer sieht reale und Videobilder Vorteil: Benutzer sieht Realität Nachteil: Aufwendige Kalibrierung notwendig Unterschiedliche Tracking-Verfahren Optisches Tracking ARToolkit GPS Hybrid-Tracking... ARToolkit ARToolkit (AMIRE) Columbia University FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 24

7 Anwendungsbeispiele VR Medizin Angsttherapie,... Virtuelle Design Reviews Vertrieb/Marketing Ergonomie Untersuchungen Digitale Modelle/Prototypen (Digital Mock Up (DMU)) Virtuelle Ein-/Ausbau Untersuchungen,... Virtuelle Begehung geplanter Objekte Gebäude, Schiffe,... Verteiltes Training an virtuellen Objekten Astronautentraining,... Visualisierung von Stimulationsprozessen Virtueller Windkanal,... Unterhaltungsindustrie FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 25 Anwendungsbeispiele AR Medizin Operationsplanung und Durchführung Unterhaltungsindustrie Eye Toy (PS 2), ToySight (Mac),... (Militärisches) Training Virtuelle Displays in der Cockpit- Scheibe,... (Industrie-) Design Verteilte Reviews,... Ferngesteuerte/halbautomatische Robotersysteme Virtuelles Abbild des Arbeitsbereichs,... Herstellung, Wartung, Reparatur Virtuelles Handbuch, FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 26 Warum ist VR noch nicht allgegenwärtig? Why Virtual Reality Has Not (Yet) Become a Widespread Technology, Jaron Lanier, Unausgereifte Komponenten Bildschirme, HMDs, Projektoren,... Problem: Geräte zu esoterisch damit kein unmittelbarer ROI 2. Teure Daten Brauchbare VR benötigt viele, zum Teil schwierig zu bekommende Daten (Beispiel Medizin: Innere eines Patienten) Wenn Daten vorhanden, dann meist nur statisch 3. Zu viele Scharlatane $1 per minute crappy VR in malls really hurt the field in the late 80s and early 90s 4. Unausgereifte Software Zu viele haben zu schnell versucht Standards zu definieren Beispiel: VRML FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 27 Warum ist VR noch nicht allgegenwärtig? 5. Langsame Computer Im Bereich Echtzeit-Computergraphik gilt Moore s Gesetz nicht Ändert sich gerade durch die Spieleindustrie (aber ohne Blick auf VR) 6. Spezifikationen zu ungenau Um effektiv zu sein müssen die Anforderungen gerade so sein, dass der Benutzer getäuscht wird 7. Unökonomisch Only one player at a time. Sorry 8. Unklarer Einsatzbereich Killerapplikationen fehlen 9. Haftung Unklare Rechtslage Wer haftet im Falle von VR Unfällen 10. Grundlegende Fragen sind noch unklar Wie sehen brauchbare Mensch Maschine Interfaces aus? Wie sieht ein brauchbares haptisches Interface aus? FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 28

8 Die Zukunft Echte AR/VR für den Heimanwender, vor allem in den Bereichen Entertainment, Exercise und Education Persistente VR-Online-Welten Virtuelle Einkaufszentren Werbung, Unterhaltung, Business,... Weiterentwicklung in der Fernchirurgie Neue Möglichkeiten in der inversen VR (Ersatz verlorener Körperfunktionen) Retinaimplantate Hörimplantate Neuroprothetik (Implantation in Nerven) VR durch direkte neuronale Verbindung von Mensch und Computer FH-Wiesbaden --- Medieninformatik --- SS Prof. Dr. Ulrich Schwanecke 29