Typen und Beispiele

Geräte zur visuellen Darstellung
Virtuelle Räume werden bei allen gängigen Verfahren stereoskopisch dargestellt. Als stereoskopisches (binokulares) Sehen bezeichnet man das Sehen mit zwei Augen, wobei der Tiefeneindruck durch das geöffnete zweite Auge entsteht (Frisby, 1983).

Um für den Betrachter einen stereoskopischen Effekt zu erzielen, ist es notwendig für jedes Auge ein Bild zu erzeugen. Die Bilder überlagern sich und entsprechen somit den menschlichen Sehgewohnheiten. Aufgrund des entsprechend höheren Mehraufwand sowohl an Rechenleistung wie auch an Material ist zu überlegen, in wieweit der Aufwand gerechtfertigt ist. In der folgenden Aufzählung wird auf die wichtigsten und gebräuchlichsten Ausgabegeräte eingegangen.

 

Head Mounted Display
Das von Ivan Sutherland 1965 entwickelte Head Mounted Display, oder auch kurz HMD genannt, gilt als Klassiker unter den Geräten zur visuellen Darstellung der virtuellen Welt. Es ist ein kopfgebundenes Sichtsystem, eine Art Helm, der aufgesetzt wird und die Immersion sehr fördert. Durch zwei Bildschirme, die ein stereoskopisches Bild ermöglichen wird der visuelle Anteil abgedeckt. Diese haben den größten Einfluss auf die Qualität eines HMDs und können auf verschiedene Arten technisch realisiert werden:

LCD: (Liquid Crystal Display)
Bildschirme dieser Art kommen am häufigsten zum Einsatz und werden mit leichten, billigen allerdings kontrast- und auflösungsarmen Flüssigkristall-Bildschirmen erzeugt.

CRT: (Cathode Ray Tube)
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Kathodenstrahlröhren (CRT). Diese sind aber im Gegensatz zu LCDs schwer und teuer. Ihr Vorteil liegt jedoch in der hohen Auflösung, und somit in einer hervorragenden Bildqualität.

LED: (light emitting diode)
LEDs sind eine weitere preisgünstige und durchaus mit akzeptabler Auflösung versehene Variante. Dabei wird ein von einer LED-Zeile erzeugtes Helligkeitsmuster mit einem Spiegel so schnell über das Sichtfeld des Benutzers bewegt, dass sich die Bewegung zu einem stehenden Bild integriert.

VRD: (Virtual Retinal Display)
vereint die Vorzüge von LCD und CRT in sich. Es wird über Laser ein hochauflösendes Bild direkt auf die Netzhaut projiziert. Neben dem Display sind noch das Trackingsystem, die Optik und der Kopfhörer wesentliche Komponenten eines HMDs. Fast alle HMDs besitzen elektromagnetische Trackingsensoren. Nur wenige wie der BOOM (= Binocular Omni Orientation Monitor) nutzen mechanische Trackingsysteme. Optiken weiten den Blickwinkel und sorgen dafür, dass eine Fokussierung auf das Display trotz kurzer Distanz möglich ist.

Vorteile:

  • fördert die Immersion
  • meist hohe Auflösung
  • weites Sichtfeld
  • Die Blickrichtung wird bei der Szenendarstellung berücksichtigt

Nachteile:

  • hohes Gewicht, viele Kabel
  • Kostenfaktor
  • schlechte Lüftung/Hygiene
  • Empfindlichkeit

Einsatzgebiete:

  • High-End-Anwendungen

 

Shutterbrillen
Durch synchrones Verdecken jeweils eines Auges und dem abwechselndem Zeigen zweier verschiedener Bilder ist es mit Flüssigkeitskristallshutter möglich einen sehr guten stereoskopischen Effekt zu erzielen.

Vorteile:

  • hohe Bildqualität
  • geringes Gewicht
  • drahtlos
  • kombiniert mit Videobeamern kann Gruppenerlebnis ermöglicht werden

Nachteile:

  • geringer Immersionsgrad
  • teuer, vor allem für eine große Anzahl an Teilnehmern
  • trotz hoher Bildfrequenz (60 Hz) leichtes Flimmern aufgrund der Trägheit der LCDs

Einsatzgebiete:

  • Bildschirm (Desktop-VR, Cave, Projektionen)

 

Polarisationsbrillen
Hier werden über zwei Videoprojektoren getrennte Bilder für das linke und das rechte Auge in unterschiedlicher Polarisation auf eine Leinwand projiziert. Zum Betrachten reicht eine einfache, kostengünstige Pappbrille mit eingesetzten polarisierenden Folien.

Vorteile:

  • günstig (Papier, Plastikfolie)
  • hohe Bildqualität
  • drahtlos
  • sehr geringes Gewicht der Brillen
  • Bildwiederholfrequenz wird allein durch Projektor bestimmt

Nachteile:

  • geringer Immersionsgrad

Einsatzgebiete:

  • Großbildbrojektionen

 

Stereo Monitor
Stereo Monitoren oder auch 3D-Displays genannt, ermöglichen die Darstellung räumlicher Szenen ohne Sehhilfe. Die Position eines Betrachters wird vor dem Bildschirm mit einem Positionsdetektor (Head-Tracker) erfasst.

Die Bilddarstellung erfolgt auf die Position des Kopfes des Betrachters bezogen autostereoskop, d.h. das rechte Auge sieht durch eine Streifenmaske vor dem Bildschirm die rechte Bildperspektive und das linke Auge sieht die richtige linke Bildperspektive. Auf der CeBIT 2003 wurde der weltweit erste zwischen 2D- und 3D-Darstellung umschaltbaren TFT-Monitor präsentiert. Seit Ende 2003 ist er im Handel erhältlich.

Vorteile:

  • keine Brille nötig
  • gute Auflösung
  • Benutzer kann Maus und Tastatur verwenden
  • umschaltbar zwischen 2D und 3D
  • kompakte Bauform (Flachdisplay)

Nachteile:

  • träge, da das Bild öfter berechnet werden muss
  • unterstützen nicht jeden Grafiktreiber
  • genau definierter Blickwinkel ist erforderlich
  • geringer Immersionsgrad

Einsatzgebiete:

  • Konstruktion, Architektur, Design, Biologie, Medizin
  • Training auf Simulatoren
  • Unterhaltung

 

Cave (Computer Assisted Virtual Environment)
Im Cave ist der Betrachter von Leinwänden umschlossen. Auf diese werden mit Hilfe von Beamern Bilder der virtuellen Umgebung projiziert und mit Stereobrillen betrachtet. Ein Betrachter besitzt einen Positionierungssensor und bei jeder Bewegung des Betrachters werden die Perspektive und die Stereoprojektion aktualisiert.

Vorteile:

  • gemeinsames Erleben
  • Benutzer ist in der Welt und sieht andere Teilnehmer im Cave
  • kein störender Helm

Nachteile:

  • Preis
  • Räumlichkeit
  • nur ein Master-Tracker – passive Betrachtungsart
  • Qualität, Kalibrierung, Wartung

Einsatzgebiete:

  • Unterhaltung
  • Telekommunikation

 

Virtuelle Tische
Der virtuelle Tisch oder auch Responsive Workbench, Holobench und Virtual Table genannt ist ähnlich dem Cave, allerdings er nur aus einer Projektionswand. Ein Glas- oder Kunststoffschirm bildet dabei die Oberfläche. „Auf der Innenseite stellt ein Projektor Bilder der virtuellen Umgebung auf der Rückseite des Schirms dar, wobei zwischen Bildern für das linke und rechte Auge abgewechselt wird. Mithilfe von Shutterbrille und Erfassung der Kopfbewegungen durch ein Trackingsystem ergibt sich eine ausgezeichnete räumliche Darstellung“ (Stark, 2002)

Vorteile:

  • hohe Auflösung
  • für viele Anwendungen ein intuitives Display
  • sehr intuitiv (Stift als Eingabegerät)

Nachteile:

  • Preis
  • Platzbedarf

Einsatzgebiete:

  • Konstruktionstechnik

 

Akustische Ausgabegeräte
Anders als bei visuellen Ausgabegeräten wird im akustischen Bereich verhältnismäßig wenig Aufwand betrieben. Der auditive Sinn stellt jedoch für den Menschen den zweitwichtigsten Wahrnehmungskanal dar und das Gehör zu täuschen, entpuppt sich als aufwendiger, als beispielsweise die Täuschung des Auges. Der Eindruck des Sehens kann durch ein intensives, qualitativ hochwertiges Klangerlebnis sogar 'verbessert' werden. Dem gegenüber steht die sich noch in ihrem Anfangsstadium befindende Technik der dreidimensionalen Klangerzeugung. Im Folgenden werden die drei Möglichkeiten, Schall dreidimensional in eine virtuelle Umgebung einzubinden erläutert.

 

3D Surround Systeme
3D Surround Systeme basieren auf dem Prinzip der gleichzeitigen Aufzeichnung (oder nachträglichen Vertonung) mehrerer getrennter Audiospuren. Ein Lautsprechersystem wird verwendet, um an vielen Punkten des Raumes möglichst viele Tonspuren gleichzeitig hören zu können.

Vorteile:

  • preiswert

Nachteile:

  • mehrere Lautsprecher erfordern einen hohen technischen Aufwand
  • Probleme bei der Synchronisierung vieler Spuren auf ein Bild
  • Räumliche Verteilung der Lautsprecher kann zu Überlagerungen, Auslöschungen oder ungewünschten Verstärkungen führen

Einsatzgebiete:

  • Privathaushalte

 

Simulation des Direktschalls
Direktschall sind Schallwellen, die von der Schallquelle ohne zusätzliche Reflexionen direkt an das Ohr gelangen. Die räumliche Übertragungscharakteristik des Ohres (Veränderung der Frequenzanteile eines akustischen Signals durch z. B. die Form der Ohrmuscheln) in Abhängigkeit von der relativen räumlichen Position der Schallquelle wird durch die sog. Head related transfer function (kurz: HRTF) beschrieben. Die HRTF lässt sich durch aufwendige Messungen im schalltoten Raum mit Hilfe von Testpersonen gewinnen. Zur korrekten Wiedergabe einer virtuellen Schallquelle muss das Schallsignal noch mit der korrekten HRTF gefiltert werden.

Vorteile:

  • allgemeine HRTF kann man für viele Menschen verwenden
  • Oberflächeneigenschaften von Objekten und Entfernungen zur Geräuschquelle werden berücksichtigt
  • Objekte können räumlich gut eingeordnet werden
  • Schallortung in unterschiedlichen Ebenen

Nachteile:

  • großer Rechenaufwand

Einsatzgebiete:

  • Cave

 

Simulation der Raumakustik
Um die raumakustischen Anteile eines Schallereignisses hörbar zu machen, muss als erster Schritt die räumliche Ausbreitung des Schallfeldes durch die Berechnung der Schallreflexionen an den Wänden des Raumes simuliert werden. Mit jeder Reflexion ändern sich Laufzeit, Richtung und Frequenzanteile der Schallwellen. Jede denkbare Position des Zuhörers lässt sich damit durch einen charakteristischen, nach Einfallsrichtung differenzierten Satz von Echogrammen darstellen. Die Echogramme können dann mit der HRTF zu binauralen „Raumimpulsantwort“ kombiniert werden. Nach Filterung des akustischen Signals mit der gewonnenen Impulsantwort kann dieses über Kopfhörer ausgegeben werden.

Vorteile:

  • Oberflächeneigenschaften von Objekten und Entfernungen zur Geräuschquelle werden berücksichtigt
  • Objekte können räumlich gut eingeordnet werden

Nachteile:

  • großer Rechenaufwand

Einsatzgebiete:

  • Cave

 

Haptische Ausgabegeräte
Die Haptik umfasst Krafteinwirkungen aller Art auf unseren Körper. Bei den haptischen Ausgabemöglichkeiten, unterscheidet man zwischen Taktilem Feedback und Force Feedback. An dieser Stelle muss erwähnt werden, dass Ein- und Ausgabegeräte dieser Kategorie nicht klar voneinander abgegrenzt werden können, weil die Ausgabemöglichkeiten meist mit den Eingabegeräten gekoppelt sind.

Taktiles Feedback:
Die Rückmeldung die man beim Ertasten von verschiedenen Objekten erhält, nennt man taktiles Feedback. Man erhält Information über Geometrie, Oberfläche, Temperatur etc. Die Empfindung kann nun mit Hilfe von Vibrationen, pneumatisch, elektrotaktil oder auch über die Nerven des Benutzers simuliert werden. Taktiles Feedback ist dabei einfacher zu implementieren als Force Feedback

Force Feedback:
Die Rückmeldung durch Kräfte, die in erster Linie auf die Muskeln einwirken, nennt man Force Feedback. Man erhält Information über Gewicht, Trägheit, Kontaktpunkte etc. Es wird dabei zwischen folgenden Geräten unterschieden:

  • Geräte, die durch Fingerbewegungen gesteuert werden
  • Geräte, die die Bewegung der Hand auswerten, wie z. B. der Joystick oder der CyberGlove
  • Geräte bei denen die Steuerung durch Teile des menschlichen Skeletts erfolgt

 

CyberGlove
Wie der Name schon sagt, handelt es sich um einen Handschuh, der mit Sensoren versehen ist. Diese Sensoren liefern Daten über die Stellung und Ausrichtung der Finger und Gelenke. Die dadurch erhaltenen Informationen werden zu einer graphischen Hand umgerechnet, die sich im virtuellen Raum bewegt und die Bewegungen der realen Hand repräsentiert.

Vorteile:

  • Benutzer kann im virtuellen Raum handeln und Aktionen durchführen
  • fördert den Immersionsgrad

Nachteile:

  • kein Taktiles Feedback
  • kein Force Feedback möglich

Einsatzgebiete:

  • Medizintechnik
  • Konstruktionsaufgaben aller Art
  • Militärbereich
  • Simulatoren
  • Entertainment (Spiele)

 

CyberTouch
Der CyberTouch ist eine Erweiterung des CyberGlove. Er vermittelt dem Benutzer ein taktiles Feedback. Um das zu erreichen, ist er mit sechs vibrotaktilen Stimulatoren ausgestattet. Die Art des Feedbacks reicht von kleinen Impulsen bis hin zu Vibrationen. Durch Kombination können sehr komplexe Empfindungen simuliert werden.

Vorteile:

  • Benutzer kann im virtuellen Raum handeln und Aktionen durchführen
  • taktiles Feedback
  • fördert den Immersionsgrad

Nachteile:

  • kein Force Feedback möglich

Einsatzgebiete:

  • Medizintechnik
  • Konstruktionsaufgaben aller Art
  • Militärbereich
  • Simulatoren
  • Entertainment (Spiele)

 

CyberGrasp
Bei den vorherigen Geräten war es noch nicht möglich, ein Force Feedback zu simulieren. Mit diesem Gerät ist es nun möglich, virtuelle Objekte zu greifen, wobei der Anwender jenen Druck verspürt den feste Gegenstände auf die eigene Hand ausüben. Der CyberGrasp ist exoskeletal konstruiert, das heißt die Kräfte werden mechanisch direkt auf das Skelett des Benutzers übertragen. An jedem Finger ist dabei eine Verbindung zum Gerät, so dass Kräfte direkt dorthin wirken können.

Vorteile:

  • Benutzer kann im virtuellen Raum handeln und Aktionen durchführen
  • zusätzlich taktiles Feedback und Force Feedback möglich
  • mobil aufgrund der Bauweise
  • fördert den Immersionsgrad

Nachteile:

  • Es können nur Kräfte auf die Finger und nicht auf die ganze Hand ausgeübt werden

Einsatzgebiete:

  • Medizintechnik
  • Konstruktionsaufgaben aller Art
  • Militärbereich
  • Simulatoren
  • Entertainment (Spiele)

 

CyberForce
Der CyberForce ist wieder eine Erweiterung der CyberGlove- und CyberGrasp-Technologie. Konnte man mit dem CyberGrasp nur Kräfte auf die Finger ausüben, so ist es mit diesem Gerät möglich, die ganze Hand zu lenken.

Vorteile:

  • Benutzer kann im virtuellen Raum handeln und Aktionen durchführen
  • zusätzlich taktiles Feedback und Force Feedback möglich
  • die ganze Hand kann im Raum rotiert und gelenkt werden
  • sehr realistische Bewegung der menschlichen Hand im virtuellen Raum

Nachteile:

  • kleinerer Arbeitsbereich, da das Gerät fest stehen muss (Arbeitsradius: 55 cm)

Einsatzgebiete:

  • Medizintechnik
  • Konstruktionsaufgaben aller Art
  • Militärbereich
  • Simulatoren
  • Entertainment (Spiele)

 

Phantom
Das Phantom gehört zu der Gruppe der Finger basierenden Interfaces. Es existieren fünf verschiedene Versionen, angefangen bei einer Desktop-Variante bis hin zu einer Version, die nahezu unbeschränkte Armfreiheit ermöglicht. Alle Bauarten unterscheiden sich in ihrer Funktion nicht wesentlich, weswegen im weiteren Verlauf nicht weiter auf versionsbedingte Unterschiede eingegangen wird. Das Gerät verfügt über 6 Freiheitsgrade, womit sowohl Position als auch Orientierung von Objekten (z.B. virtuelle Werkzeuge) im Raum festgelegt werden können.

Vorteile:

  • simulieren von haptischem Feedback
  • ein Gerät mit sechs Motoren ermöglicht zusätzlich die Mitteilung von Momenten

Nachteile:

  • bei manchen Geräten eingeschränkte Bewegungsfreiheit

Einsatzgebiete:

  • haptischer virtueller Tisch

 

Olfaktorische Ausgabegeräte
Der Geruchssinn ist für eine sinnvolle Einbindung in VR-Systeme bisher immer noch zu wenig erforscht. Einen Versuch gab es 1997 von der Firma Digiscent. Diese brachte ein wenig marktreifes Gerät heraus und ging kurz darauf in Konkurs.

Die Firma ComScent Systems GmbH in München hat einen computergesteuerten Geruchsgeber namens Sniffman auf den Markt gebracht. Die Produktbeschreibung in einer Pressemitteilung lautet folgendermaßen:

Das Herzstück des Gebers besteht aus einem kleinen Halbleiterchip, der ähnlich wie ein Tintenstrahler über kleine Düsen verschiedene Geruchsstoffe freisetzen kann. Diese Geruchsstoffe gelangen auf ein kleines Plättchen, wo sie erwärmt und durch einen Luftzug nach außen befördert werden (…). In der Grundversion können 32 verschiedene Geruchsstoffe freigesetzt werden. Außerdem lässt sich der Chip leicht auf die doppelte Anzahl an Duftdüsen erweitern. Die Geruchsgrundstoffe befinden sich in kleinen Patronen, die von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden müssen. Neben den Grundgerüchen lassen sich auch spezielle Duftnoten, abgestimmt auf verschiedene Spiele, konstruieren. Dann gehört beispielsweise in Zukunft zu jedem Spiel ein eigener Geruchschip. Der wird dann in den Sniffman eingelegt und sorgt für das richtige Duftambiente beim Spiel.

Das Gerät wurde auf der Cebit 2003 vorgestellt.

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