Grundlagen Virtual Reality

CAVE im AEC
Der CAVE (Computer Assisted Virtual Environment) ist ein Projektionsbasiertes VR-System das den Betrachter mit vier Screens umgibt. Die Screens sind in einem Würfel angeordnet, sodass drei davon die Bilder über Rückprojektion an die Wand und einer über Frontprojektion und einem Spiegel auf den Boden projizieren. Mithilfe von Spiegeln werden die Bilder reflektiert und auf die Wände projiziert. Der Betrachter verwendet Stereo Shutterbrillen und ein six-degrees-of-freedom head-tracking device. Sobald sicher der Betrachter im CAVE bewegt, wird die korrekte stereoskopische Perspektive berechnet und auf die jeweilige Wand beziehungsweise den Boden projiziert. Der Betrachter kann über einen wand (Stab, Stift), den er in der Hand hält mit seiner virtuellen Umgebung interagieren.

Die aktuelle Implementierung des CAVE nutzt drei Wände und den Boden für die Projektion. Die projizierten Bilder werden von einem SGI Onyx mit zwei Reality graphics Pipelines, wovon jedes auf zwei Kanäle gesplittet ist, errechnet. Nachfolgende Skizze zeigt den prinzipiellen Aufbau der CAVE Umgebung.

Prinzipskizze der CAVE Umgebung im AEC

CAVE im Ars Electronica Center

Holobench
Räumliches Sehen kommt zustande, indem beide Augen unterschiedliche Bilder an das Gehirn liefern. Sollen computergenerierte Bilder zu einem räumlichen Eindruck führen, so muss ein Rechner eine Darstellung je einmal für das rechte und das linke Auge berechnen. Die beiden Ansichten müssen dann dem jeweils richtigen Auge zugeführt werden. Verschiedene technische Lösungen wurden im Lauf der Zeit entwickelt, um dies zu bewerkstelligen.

An der Holobench muss der Benutzer eine so genannte Shutter-Brille tragen. Bei dieser Spezialbrille können die Brillengläser, die eigentlich transparente LCD-Displays sind, getrennt voneinander kurzzeitig verdunkelt werden. Die Bilder für das linke und rechte Auge erscheinen in schneller Folge abwechselnd (typischerweise ca. 90 Bilder pro Sekunde) auf den Projektionsflächen, und es wird das rechte Auge verdunkelt, wenn Links-Bilder gezeigt werden und umgekehrt. Die Trägheit des menschlichen Auges führt dann dazu, dass ein Stereo-Eindruck entsteht. Ist die Anwendung entsprechend programmiert, erscheinen die betrachteten Objekte als vor der Projektionsfläche im Raum schwebend oder auch in die Tiefe hineinreichend.

Shutter-Brillen sind nicht neu; ihre Anwendung in Zusammenhang mit einem Bildschirm als Projektionsfläche ist verbreitet und etabliert sich derzeit auch im PC-Bereich (insbesondere für Spiele). Realitätsnähe erreicht man aber erst, wenn weitere Randbedingungen erfüllt werden:

• Große Projektionsfläche
  Erst wenn das Gesichtsfeld des Benutzers möglichst gut abgedeckt ist, kommt ein guter Raumeindruck zustande, und es können Modelle in ausreichender Größe untersucht werden. In der Hinsicht kommt die L-förmige Anordnung der Projektionsflächen bei der Holobench als Vorteil zum Tragen. Sie erweitert das Gesichtsfeld besonders nach unten hin.
• Berücksichtigung der Bewegungsparallaxe
  Ein nicht unwesentlicher Bestandteil räumlicher Wahrnehmung kommt durch die so genannte Bewegungsparallaxe zustande. Wenn sich ein Betrachter bewegt, nimmt er eine Veränderung der relativen Position von beobachteten Objekten zueinander wahr. Besonders gut zu sehen ist dieser Effekt bei Objekten, die sich teilweise verdecken. Will man diese Art von Wahrnehmung vortäuschen, müssen die computergenerierten Bilder an den Betrachterstandpunkt angepasst werden. Dazu werden Kopfposition und Blickrichtung durch ein Tracking-System nach verfolgt und an die Anwendung gemeldet. Liefert die Anwendung dann bei einer Positionsveränderung schnell genug eine neue, korrigierte Ansicht der Szenerie, gewinnt die Darstellung enorm an Realitätsnähe.

Schematische Darstellung des inneren Aufbaus einer Holobench

Engineeringanwendung einer Holobench

Planetarien
Im März des Jahres 1919 stellte der Zeiss-Geschäftsleiter in Jena einem kleinen Kreis von Mitarbeitern sein Konzept Konzept, das die Projektion des Sternenhimmels, der Sonne, des Mondes und der Planeten ermöglichen sollte, vor. Damit war die Idee des Projektionsplanetariums geboren. Die Idee als solche, sprich: die Darstellung des Himmels und seiner Bewegungen, war schon einige Jahre zuvor entstanden, doch verschiedene Schwierigkeiten beim Versuch der Realisierung führten dazu, dass diese Pläne wieder verworfen wurden. Im August 1923 war es dann so weit. Zum ersten Mal erstrahlte in Jena der künstliche Sternenhimmel.

Anlässlich der Verleihung der James Watt International Medal beschrieb Bauersfeld die Phase der Entwicklung wie folgt:

"Eine große Zahl von Skizzen und mathematischen Berechnungen erwiesen sich als nötig. Aber ich hatte Glück, daß mir kein ernstes Hindernis begegnete ... und am Ende ging der Erfolg weit über alles hinaus, was man sich vorher vorgestellt hatte."

Verschiedene Modelle der Zeiss - Planetarien:

• ZKP
  Zeiss Kleinplanetarium
• UPP
  Universal-Projektionsplanetarium
• RFP
  Raumflugplanetarium
• ZGP
  Zeiss Großplanetarium
• ZMP
  Zeiss Mittelplanetarium

Moderner Carl Zeiss Projektor, Quelle: Internet

Ausblick:
Seit einigen Jahren ist eine neuartige Entwicklung im Gange, die den klassischen Projektionsplanetarien teilweise schon den Rang abgelaufen hat. Es handelt sich dabei um das so genannte digitale Planetarium. Dahinter verbirgt sich die Projektion von Ganzkuppelvideo mit Hilfe von Videobeamern. Ähnlich wie bei Dia-Allskies ergeben die Einzelbilder mehrerer Videobeamer (meistens zwischen sechs und zehn) ein komplettes, Kuppel füllendes Videofeld. Ob es aber jemals gelingen wird, den Sternenhimmel damit so brillant darzustellen wie mit mechanischen Glasfasertechnik-Projektoren bleibt abzuwarten.

Eine weitere Neuigkeit in der Entwicklung ist die Laser-Display-Technologie (LDT). Sie verfolgt die Zielstellung, Bilder auf beliebige Projektionsflächen in bisher unerreichter Qualität darzustellen. Die Projektionsflächen können eben oder gekrümmt sein, aus Nebelwänden, Wasservorhängen oder anderen streuenden Materialien bestehen.

Zeiss Planetarien