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Virtuelle Räume werden wahr: VR-Brillen

Ob im Beruf oder in der Freizeit – virtuelle Welten sind mehr als nur digitaler Trend. Tauchen Sie in die digitale Zukunft ein und sehen Sie, was bereits heute möglich ist. Doch was genau steckt hinter den Begrifff "Virtual Reality" und ist das nur etwas für Spezialisten? Wir informieren Sie gerne:

  

  

 

Virtual Reality

Was ist Virtual Reality und wie funktioniert VR?

Virtual Reality ist im Moment mehr als nur ein trendiges Thema. Die künstlich geschaffenen Welten rücken immer mehr in unser wirkliches Leben. Dazu werden reale Bilder mehr und mehr mit virtuellen Inhalten angereichert, um so die Aussagekraft zu erhöhen. Dabei können die virtuellen Inhalte recht einfach sein, wie z.B. die eingeblendete Abseitslinie bei einer Fußballübertragung. Schon sehen die Zuschauer ganz genau, ob die Schiedsrichter tatsächlich richtig entschieden haben oder nicht. Aber Virtual Reality ist noch weit mehr! 

 

Was Virtual Reality genau ist, welche Unterschiede es gibt und wie die künstlich geschaffenen Welten konkret funktionieren, haben wir hier für Sie zusammengestellt.

  

  

  

  

Die Anfänge

Anfang der 1970er Jahre kam das legendäre Telespiel „Pong“ auf dem Markt. Auf einem virtuellen Schwarz/Weiß-Spielfeld, das der heimische TV mehr oder weniger gut darstellte, musste ein ebenso virtueller Ball in das gegnerische Feld gespielt werden. Trotz grober Grafik, nur vertikal verschiebbaren „Schlägern“ und einem für heutige Verhältnisse eher geringen Unterhaltungswert, war das Spiel damals eine absolute Sensation. Schließlich konnte der heimische Fernseher nun formatfüllend auch als Spielemonitor benutzt werden.

Aus diesem eher simplen Urvater aller Videospiele entwickelten sich immer bessere Spiele mit immer höherwertigeren Grafiken in brillanten Farben.

 

Was aber leider immer noch fehlte, war neben den optischen Eindrücken eine gefühlte (haptische) Rückmeldung vom Spielgeschehen. 

 

Die ersten Anfänge der virtuellen Realität waren Videospiele, die z.B. mit vibrierenden Joysticks oder Lenkrädern den Spieler einen fühlbaren Eindruck der virtuellen Welt vermittelt haben. Plötzlich konnten die Spieler es in den Händen spüren, wenn sie mit dem virtuellen Rennwagen die Strecke verlassen hatten. Dies war 1997 der erste Schritt in die richtige Richtung. Allerdings war die Sicht auf das Spielgeschehen immer noch auf das begrenzt, was der Monitor oder der TV-Bildschirm zeigen konnte. 

Virtuasl Reality beim Telespiel Pong
Wenn die Bildröhre schon schwach war, waren die Konturen unscharf und der Ball hatte einen Schweif wie ein Comet.

  

  

Künstliche Welten werden grenzenlos

Virtual Reality
Wenn sich die Monitore sehr nahe an den Augen befinden, ist das Blickfeld grenzenlos. Der Blickwinkel der Augen reicht nicht aus, die Ränder der Monitore zu erfassen.

Um eine künstliche Welt real erscheinen zu lassen, muss in gewisser Weise das Gehirn ausgetrickst werden. Das geschieht dadurch, dass es im Sichtbereich keine wahrnehmbaren Abgrenzungen mehr gibt. Ein Monitor, selbst wenn er noch so groß ist, hat Kanten, welche die virtuelle von der realen Welt trennen.

 

Setzt man aber mit Hilfe einer Brille zwei kleine Monitore direkt vor die Augen, können die Augen aufgrund des geringen Betrachtungsabstandes die Monitorgrenzen nicht mehr erfassen. Man blickt in eine scheinbar grenzenlose virtuelle Welt.

 

Damit die Augen das ca. 5 – 8 cm entfernte Monitorbild scharf erkennen können, ist für jedes Auge eine Linse erforderlich. Wie bei einer Lesebrille brechen diese Linsen dann das Licht der Monitore und die Bilder werden scharf auf der Netzhaut abgebildet.

 

Aufgrund der rasanten Monitor- und Display-Entwicklung in den letzten Jahren ist es nun technisch problemlos möglich, entsprechend leichte und somit auch bequem zu tragende Monitorbrillen herzustellen.

  

  

Aus einem 2D-Monitorbild wird eine 3D-Welt

Damit man mit zwei "flachen" Monitorbildern eine beeindruckende Tiefenwahrnehmung erzeugen kann, muss man verstehen, wie das räumliche Sehen funktioniert.

 

Wenn Sie einen Finger mit ca. 30 cm Abstand vor das Gesicht halten und ihn dann wechselseitig immer nur mit einem Auge betrachten, werden Sie schnell feststellen, dass Ihre Augen unterschiedliche Bilder sehen.

 

In der nebenstehenden Abbildung wurde der Effekt noch einmal schematisch abgebildet. Je näher sich der betrachtete Gegenstand (in diesem Fall soll es ein rot/blauer Ball sein), vor den Augen befindet, desto unterschiedlicher sind die beiden Bilder, welche von den Augen an das Gehirn weitergeleitet werden. Ein Auge sieht mehr von roten Fläche und das andere Auge sieht mehr von der blauen Fläche.

 

Aufgrund der beiden unterschiedlichen Bildinformationen kann das menschliche Gehirn einen räumlichen Gesamteindruck des betrachteten Objektes berechnen.

 

Diesen Vorgang, der auch als „stereoskopisches Sehen“ bezeichnet wird, nutzt man bei der VR-Brille und steuert beide Monitore mit leicht unterschiedlichen Bildern an. Die beiden Monitore zeigen zwar die gleiche Szene, aber aus leicht unterschiedlichen Blickwinkeln. Somit erscheint die virtuelle Welt dreidimensional und absolut real.

Augen.jpg

  

  

Der 360°-Rundumblick wird möglich

Micro-Quadrocopter mit MEMS-Sensoren
Das kleine Bauteil im roten Kreis ist das 6-Achsen MEMS-Stabilisierungs-System.

Auch wenn Monitorbrillen einen scheinbar grenzenlosen Blick in eine dreidimensionale virtuelle Welt ermöglichen, fehlt trotzdem noch etwas ganz Entscheidendes. Um virtuelle Welten real erlebbar zu machen, müssen sich die Bildinhalte in Abhängigkeit zur Bewegung des Kopfes verändern (Headtracking).

 

Wenn der Kopf mit aufgesetzter Monitorbrille nach links gedreht wird, müssen die Monitore an der linken Seite neue Bildinhalte einblenden und auf der rechten Seite müssen Bildinhalte aus dem Sichtbereich verschwinden. Dies muss nach rechts ebenso funktionieren, wie nach oben oder unten. Und zwar genau in dem Maße, wie schnell bzw. wie lange der Kopf in die jeweilige Richtung bewegt wird. Im Extremfall wird wird so der 360°-Rundumblick in der virtuellen Welt möglich.

 

Um das zu ermöglichen, sind in VR-Brillen hochempfindliche Beschleunigungs-Sensoren eingebaut, die selbst kleinste Bewegungen zuverlässig erkennen und somit zu ständig aktualisierten Bildern führen.

 

Vor einigen Jahren wäre das noch nicht möglich gewesen, denn da musste noch mit rotierenden Schwungmassen gearbeitet werden, um mechanische Bewegungen elektronisch zu erfassen. Mittlerweile schaffen das stecknadelkopfgroße Halbleitersensoren (Micro-Electro-Mechanical Systems), die für kleines Geld in Massen produziert werden können.

 

Die modernen MEMS-Sensoren haben mittlerweile auch im Modellflug Einzug gehalten. Die nebenstehende Abbildung zeigt die Platine eines Quadrocopters mit integriertem 6-Achs MEMS-Stabilisierungs-System. Und das alles in einem ca. 5 cm kleinem Modell 

 

  

  

Mit dem Smartphone virtuelle Welten entdecken

Ein modernes Smartphone hat im Prinzip eigentlich alles, was für die Darstellung von virtuellen Welten erforderlich ist: Ein hochwertiges Display, das zwei Monitore simulieren kann, und die erforderlichen Beschleunigungs-Sensoren für die Erkennung von Kopf-Bewegungen. Also war es nur eine Frage der Zeit, bis findige Köpfe auf die Idee kamen, Smartphones für virtuelle Videos zu nutzen.

 

 

Das einzige was fehlte war eine geeignete Vorrichtung, die das Smartphone mit den richtigen Abstand vor die Augen hält und gleichzeitig die beiden Linsen aufnimmt. Schon war die Smartphone-Brille geboren. Erste Versuche, bei denen die Smartphone-Brillen aus preiswertem Kartonmaterial gefertigt wurden, waren so erfolgreich, dass sehr schnell hochwertigere VR-Brillen mit deutlich höherem Tragekomfort für die unterschiedlichen Telefone auf den Markt kamen.

 

Welche Typen es gibt, und wie sie sich unterscheiden, haben wir hier auf dieser Seite für Sie zusammengestellt.

 

Die nebenstehende Abbildung zeigt eine Smartphone-Brille mit eingesetztem Telefon. Das Display wird zu zwei Monitoren, welche die unterschiedlichen Bilder wiedergeben. Die beiden Drehknöpfe rechts und lnks ermöglichen die Fokusierung der beiden Linsen.

Hinweis:

Da Smartphones über Kameras verfügen, lassen sich einige VR-Brillen für Smartphones auch als Augmented Reality-Brillen einsetzen.

Virtual Reality Smartphone Brille
Smartphone und Brille reichen zum Einstig in VR schon aus.

  

  

Spielerisch in das virtuelle Geschehen eingreifen

Virtual Reality
Die realistischen Simulationen führen dazu, dass man bereits nach kurzer Zeit das untrügliche Gefühl hat, sich in einer anderen Welt zu befinden.

Was bei der Pilotenausbildung in aufwändigen Simulatoren schon lange praktiziert wird, ist nun auch für Privatleute mit überschaubarem Aufwand machbar. Die Entwickler von Computerspielen waren ja von je her stets bemüht, Ihren Kunden ein absolut reales Spielerlebnis zu liefern. So ist es auch kein Wunder, dass Gamer mit zu den ersten zählten, die das Potential der virtuellen Realität für ihre Zwecke genutzt haben.

 

 

Sehr schnell wurde die vorhandene Controller-Technik genutzt, um in der virtuellen Welt aktiv zu werden. Doch nicht nur das! Über optische, akustische und auch gefühlte (haptische) Sinneseindrücke erhält der Anwender unverzüglich eine Rückmeldung über seine Handlungen in der virtuellen Umwelt.

 

Aufgrund dieser geänderten Wahrnehmung entsteht bereits nach kurzer Zeit das untrügliche Gefühl, ein Teil der virtuellen Welt zu sein und sich gefühlt an einem ganz anderen Ort zu befinden. Dieses aktive „Eintauchen“ in die künstlich erzeugte Welt wird auch Immersion oder virtuelle Präsenz genannt.

 

Da die Handlungen und die daraus entstehenden Veränderungen der virtuellen Realität in Echtzeit ablaufen müssen, sind leistungsstarke PCs, PC-Komponenten oder auch Spielekonsolen erforderlich

  

  

Auch wenn die ersten VR-Anwendungen aus dem Gaming-Bereich kommen, bieten sich durchaus auch in anderen Umfeldern immer mehr Einsatzmöglichkeiten. Das Verstehen von Zusammenhängen und das Erlernen von speziellen Fertigkeiten erfolgt einfacher, schneller, kostengünstiger und auch gefahrloser, wenn man virtuell üben kann. 

VR-Anwendungsgebiete

Medizin:
Angehende Chirurgen können gefahrlos komplexe Eingriffe an virtuellen Patienten üben, ohne dass dabei Gefahr für Leib und Leben des Patienten besteht.

Psychologie:
Mit Hilfe der virtuellen Realität können individuelle Szenarien geschaffen werden, um Patienten bei der Behandlung von Autismus, Phobien oder posttraumatischen Belastungsstörungen aktiv zu unterstützen.

Handwerk:
Handwerkliches Geschick, wie z.B. der Gebrauch einer Farbsprühpistole, kann schnell und einfach erlernt werden ohne dabei Verbrauchsmaterial zu verschwenden oder teure Werkstücke zu beschädigen.

Architektur:
Bereits bei der Planung können Architekten, Bauleiter oder auch Kunden vorab einen virtuellen Rundgang durch ein neues Gebäude machen. Fehlplanungen werden so frühzeitig erkannt und können noch vor der Grundsteinlegung beseitigt werden.

Industrie:
Von der Planung über die Projektierung bis hin zum ersten Produkttest und Präsentationen kann auf die Produktion teurer Vorserienmuster komplett verzichtet werden.

Bildung:
Visualisierte Lehrinhalte werden schneller erfasst und bleiben nachhaltiger in Erinnerung, wenn der Schüler z.B. beim Flug zum Mond oder bei anderen wichtigen geschichtlichen Ereignissen „live“ dabei war.

Tourismus:
Genießen Sie bereits vor dem Urlaubsantritt einen virtuellen Blick aus dem gebuchten Hotelzimmer oder betrachten Sie vorab die Sehenswürdigkeiten des Urlaubsortes. So hat man bei Reise zu einem neuen Urlaubsort das Gefühl, schon einmal dagewesen zu sein.

Film und Fernsehen:
Wie in 3D-Kinos werden wir vielleicht schon bald mit VR-Brillen 3D-Filme mit 360° Rundumsicht anschauen.

  

  

Was ist Augmented Reality?

Wenn es um virtuelle Realität geht, fällt auch oft der Begriff Augmented Reality (erweiterte Realität), wobei es aber bei den beiden Techniken deutliche Unterschiede gibt. Im Gegensatz zur virtuellen Realität, die komplett computergeneriert ist, spiegelt die Augmented Reality (AR) eine mit Zusatzinformationen angereicherte Wirklichkeit wieder.

Augmented Reality hat seinen Ursprung in der Militärtechnik. Jetpiloten müssen sich auf das konzentrieren, was vor ihrem Flugzeug passiert. Darum werden ihnen die wichtigsten Flugparameter wie z.B. Geschwindigkeit, Flughöhe oder Fluglage in den Sichtbereich der Cockpitscheibe eingeblendet. So haben die Piloten alles stets perfekt im Blick.

Nach demselben Schema arbeiten auch sogenannte Daten-Brillen. Durch die Brille wird die reale Welt betrachtet und zusätzlich werden im Sichtbereich passende Informationen zur Umgebung in einem halbtransparenten Monitor eingeblendet. Das können geographische Angaben, technische Daten oder auch aktuelle Umweltinfos sein.

Erste Anwendungstests mit Daten-Brillen wurden im Bereich der Logistik und Lagerwirtschaft gemacht, wo dem Anwender alle Infos zu den eingelagerten Waren und Paketen im Sichtfeld angezeigt wurden.

Eine andere Art von AR-Brillen erzeugt vor dem Betrachter ein virtuelles Hologramm, dass er mit seinen Händen beeinflussen kann.

Die reale Welt bei der Augmented Reality kann aber auch das Livebild einer Kamera sein, das mit elektronisch erzeugten Informationen ergänzt wird. Die Markierungslinien, die bei der Fernsehübertragung von Sportereignissen zeitweise eingeblendet werden, sind dafür ein typisches Beispiel dafür.

 

Augmented Reality funktioniert aber auch wunderbar mit dem Smartphone oder dem Tablet. Bei einem Rundgang durch eine fremde Stadt richtet man einfach die Kamera auf ein Haus oder einen Straßenabschnitt aus und schon werden einfach und schnell wichtige Informationen einblendet.

AR eignet sich aber auch zum Spielen und Spaß haben. Im Sommer 2016 war es ein riesiger Hype, die Umgebung mit der Handykamera zu scannen und mit dem Spiel Pokémon GO virtuelle „Taschen-Monster“ einzufangen. In Spitzenzeiten waren täglich bis zu 45 Millionen Nutzer auf der Jagd nach den computergenerierten Fabelwesen.

Augmented Reality
Augmented Reality funktioniert auch prima mit Tablets

  

  

Was ist Mixed Reality?

Virtual Reality
Komplett abgetaucht in die virtuelle Spielewelt, kriegt der Anwender dank erweiterten Virtualität immer noch mit, wenn das Telefon klingelt.

Im Zusammenhang mit Virtual Reality und Augment Reality fällt immer wieder der Begriff der Mixed Reality. Doch was versteht man darunter?

Die reale Welt und die virtuelle Welt stellen die jeweiligen Grenzen der möglichen Realitäten dar. Aber so, wie die Realität mit virtuellen Inhalten angereichert werden kann (erweiterte Realität), kann auch die virtuelle Welt auf reale Einflüsse reagieren (erweiterte Virtualität). Dies kann beispielsweise ein Telefonanruf sein, der dem Spieler in seiner virtuellen Welt, in die er komplett mit allen Sinnen eingetaucht ist, auf den Kopfhörer übertragen wird.

Der Bereich zwischen der ganz realen und rein virtuellen Welt wird als Mixed Reality bezeichnet. Demzufolge ist die Augmented reality ein bestandteil der Mixed Reality.

  

  

Die Zukunft der virtuellen Realität

Die aufgezeigten Beispiele zeigen ganz deutlich, dass die Anwendungsgebiete der virtuellen Realität breit gestreut sind. Täglich kommen neue und aufregende Anwendungen hinzu. Es sind also nicht nur Gaming Freaks, die den Spaß und den Nutzen der virtuellen Realität erkannt haben.

 

Aber auch die technische Entwicklung der Systeme geht mit Riesenschritten voran. Die neuen Brillen werden kleiner, leichter und somit komfortabler und die ersten kabellosen Versionen wurden auch bereits vorgestellt.

 

In Summe lässt sich sagen, dass die virtuelle Realität bald ein fester Bestandteil unseres ganz realen Leben sein wird. Die Zukunft wird aufregend, also lassen wir uns überraschen.