Was ist VR? - Institut für Informatik

Termin 1:
Was ist VR?
Virtuelle Realität
Wintersemester 2007/08
Prof. Bernhard Jung
Übersicht über die Vorlesung
2V+2Ü (!)

Was ist VR?
Kurze Einführung in die MenschMaschine Interaktion
VR Input Devices
VR Output Devices (1)
VR Output Devices (2)
VR Software, Szenengraphen
Manipulation
Navigation
Kommunikation
Virtual Humans
Action Capture
Augmented Reality
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
1
Organisatorisches

Vorlesung

Di, 14:00-15:30
Raumverlegung: ab 16.10. in URZ-3409!
Prof. B. Jung
Übung

Di, 12:30-14:00
URZ-2310
Dipl.-Inf. Heni Beni Amor
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
Literatur

Sherman, W. & Craig, A. Understanding Virtual Reality. Morgan Kaufmann. 2002.
D. Bowman, E. Kruiff, J.J. LaViola & I. Poupyrev. 3D User Interfaces. Addison
Wesley. 2005.
M. Slater, A. Steed, Y. Chrysanthou. Computer Graphics and Virtual Environments.
From Realism to Real-time. Addison Wesley Publishing. 2001.
John A. Vince. Introduction to Virtual Reality. Springer-Verlag. 2004
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Virtuelle Realität
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Übersicht über Termin

VR – Beispiele in Freiberg
Was ist VR?

Definitionen
Historie der VR
Anwendungsgebiete der VR
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
VR im Tagebau
Studentenprojekt, TU BAF, SS06-WS06/07
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
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Virtual Workers
DFG-Projekt am Institut für Informatik
Neuartiges Verfahren zur Animation digitaler Menschmodelle
Virtuelle Menschen imitieren Aktionen von VR-Benutzern
Zielanwendungen in der Evaluation virtueller Prototypen
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
Projekt Virtual Workers: Klassifikation von Griffen
cylindrical
Prof. B. Jung
hook
spherical
palmar
lateral
tip
Virtuelle Realität
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Was ist Virtuelle Realität?
Technologie-zentrierte Sichtweise
VR is electronic simulations of environments
experienced via head mounted eye goggles and
wired clothing enabling the end user to interact in
realistic three-dimensional situations (Coates, 1992)
Trends: weniger Kabel, preiswerter
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
Virtual Reality - Vision:
Die “ultimative” Mensch-Maschine-Schnittstelle

Problem mit “gloves’n’goggles” - Sicht der VR:
Schnelle Weiterentwicklung der Technologie (z.B. Holodeck?)

Im weiteren Sinne: VR als neuartige Mensch-Maschine-Schnittstelle
An intuitive interface between man and machine is one which requires little
training ... and proffers a working style most like that used by the human
being to interact with environments and objects in his day-to-day life. In
other words, the human interacts with elements of this task by looking,
holding, manipulating, speaking, listening, and moving, using as many of
his natural skills as are appropriate, or can reasonable be expected to be
applied to a task (Stone,93)

C.f.: VR als Post-WIMP Interface (vanDam,97)
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
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Was ist VR?
Unter dem Begriff der Virtuellen Realität werden Techniken verstanden, die es erlauben,
einen Menschen unmittelbar in Computer-generierte Welten zu integrieren. Als die
Mensch-Maschine-Schnitttstelle der Zukunft angesehen, sprechen Techniken der Virtuellen
Realität mehrere Sinne des Menschen zugleich an, beispielsweise Gesichts-, Hör- und
Tastsinn. Anwendungen der Virtuellen Realität sind in Architektur, Design, Modellierung
chemischer Moleküle, Simulatortechnik, industrieller Automatisation und Medizintechnik zu
finden.
[Unter Virtueller Umgebung ist] eine vom Rechner generierte und kontrollierte Umgebung
für die Mensch-Maschine-Kommunikation gemeint ... . Diese ist allerdings dem intuitiven
Verständnis des Menschen wesentlich näher als abstrakte, über Menüs und Windows
erstellte „Desktop“-Schnittstellen.
[Astheimer et al., 1994]
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
Was ist VR?
Sherman & Craig, 2003

4 wesentliche Elemente der VR:

die virtuelle Welt, d.h. Inhalt des Mediums
Immersion (körperlich/mental)
Sensorisches Feedback
Interaktivität
Virtual Reality: a medium composed of interactive computer
simulations that sense the participant's position and replace or
augment the feedback to one or more senses -- giving the
feeling of being immersed or being present in the simulation.
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Virtuelle Realität
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3D-Computergraphik vs Virtuelle Realität
3D-Computergraphik
Virtuelle Realität
rein visuelle Präsentation
multimediale Präsentation
visuell, akustisch, haptisch
zeitunkritische Präsentation
Echtzeit-Präsentation
statische Szene oder
vorberechnete Animation
Echtzeitinteraktion
und -simulation
2D-Interaktion (zur Erstellung der Szene)
(Maus, Tastatur)
3D-Interaktion
(Körperbewegung, Hand-, Kopf- u.
Körpergestik)
+ Spracheingabe
) VR gekennzeichnet durch 3D-Präsentation und 3D-Interaktion
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
Dimensionen der Virtuellen Realität:
Zeltzer’s AIP-Würfel
autonomous agents
(1,0,0)
task-level interfaces
(1,1,0)
(holy grail of)
Virtual Reality
Autonomy
(1,0,1)
“Digital Shakespeare”
(1,1,1)
Interaction
(0,1,0)
complex work domains
e.g. conventional CAD
Presence
(0,0,1)
immersive interfaces
Prof. B. Jung
(0,0,1)
Virtuelle Realität
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Kategorien der VR

Nichtimmersive VR
Benutzer kann Blick von rechnergenerierter Präsentation
abwenden und auf Realität richten
Ausgabegeräte: 3D-Fenster auf Bildschirm, Großbildleinwand,
Responsive Workbench, etc.
Eingabegeräte: Maus, Space-Mouse, Tracker, Datenhandschuh,
...

Immersive VR
audiovisuelle Wahrnehmung ist ausschließlich rechnergeneriert
Ausgabegeräte: Head Mounted Display, Boom, Cave
Eingabegeräte: Tracker, Datenhandschuh, Phantoms, …
Bei HMD: Eingabegeräte müssen fest montiert/gehalten werden;
nachträgliches Greifen nicht möglich
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
Stereoskopische Präsentation
Binokulare Tiefenwahrnehmung
... nutzt Konvergenzwinkel zw. Augenachsen zur Bestimmung des Abstands beim nahen
Sehen
(ca. 10% der Bevölkerung verfügt über keine binokulare Tiefenwahrnehmung)
Stereoskopische Systeme
... präsentieren zwei perspektivisch verschobene Ansichten der Szene
(„Stereo Pairs“, stereoskop. Halbbilder)
Zeitparallele Systeme: simultane Präsentation der Halbbilder für linkes und rechtes Auge

Farbtrenntechnik: Halbbilder in Rot und Grün dargestellt; Grün-Rot-Brille;
Nachteil: keine Farbinformation

Verschiedene Polarisation

Verwendung von zwei Bildschirmen, z.B. HMD, Boom
Zeitmultiplexe Systeme: zeitlich versetzte Präsentation der Halbbilder für li. und re. Auge

Shuttersysteme
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Virtuelle Realität
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Stereoskopische Displays - Beispiele
head-set VR
("goggle-bound")
HMD (auch als see-through)
Boom
projection-based VR
Workbench
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CAVE
Virtuelle Realität
VR-Eingabegeräte: Beispiele
3D Positionsgeber
(Tracker)
Datenhandschuh
Tracked Wand (Joystick)
Prof. B. Jung
Datenanzug
Shape Tape
Virtuelle Realität
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Historische Entwicklung der VR

50er Jahre 180-Grad Kinos, 3D-Brille, erste Bewegungssimulatoren
(Flugsimulatoren)
1965 Sutherland: „The Ultimate Display“, 3D-Präsentation unter
Berücksichtigung der Körperstellung,
prototypisches HMD ca. 1970 fertiggestellt
70er Jahre 3D-Tracking (US Militär)
Ende 70er Jahre VR-Forschung an der Univerisity of North Carolina, Chapel Hill
(UNC) Forschungsschwerpunkte: 3D Hardware, Algorithmen für Visualisierung
Anwendung: Medizin
Mitte 80er Jahre VR-Forschung bei NASA AMES
Szenario: Virtuelle Raumstation / Teleoperation
1989 Data Glove ist marktreifes Produkt
Anfang 90er Jahre

HMD ist marktreif
VR-Forschung in Deutschland (GMD; Fraunhofer-Institute in Darmstadt, Stuttgart)
1992 Vorstellung der CAVE (projektionsbasierte VR); Vermarktung ab 1995
Mitte 1990er Jahre: Force-Feedback Geräte, elektromagnetisches
Positionstracking
seit ca 2000: optisches Tracking, z.T. Video; vermehrt Augmented Reality
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
Anwendungen

Architektur Walk-throughs

Benutzer bewegt sich durch
virtuelle Umgebung
auch im Web (VRML, Quicktime VR)
Erkundung großer Datenmengen
(Scientific Visualization)
z.B. interaktive Simulation im
NASA Virtual Wind Tunnel
- billiger und schneller als echter Windtunnel
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
10
Anwendungen

Telerobotik

Übertragung von Bewegungen
eines Teleoperateurs auf
Roboter
Virtuelle Schauspieler

z.B. Max Headroom
z.B. Gollum in Herr der Ringe
noch nicht Echtzeitfähig
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
Anwendungen - Virtuelles Prototyping

Design, Review, Analyse digitaler Produktmodelle in VR

Nutzen i. Vgl. zu physikalischen Prototypen

einfachere Modifizierbarkeit, Erprobung alternativer Entwürfe
Überprüfung des visuellen Designs, (De-) Montierbarkeit, Ergonomie
weniger physikalische Prototypen benötigt
Verkürzung des Produktentwicklungszyklus
Layout-Planung bei Volkswagen
Prof. B. Jung
Ergonomieuntersuchung mit Virtual Human
Virtuelle Realität
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Anwendungen

Collaborative Virtual Environments
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
Anwendungen

Interaktive Echtzeitsimulationen für das Training

Fahr- und Flugausbildung
Raumfahrt
Medizin
Militär
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
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Anwendungen

Second Life
Spiele

Social Virtual Environments

z.B. Second Life
Neue Benutzungsschnittstellen

z.B. Sony Eyetoy
z.B. Nintendo Wiimote
Wiimote
zur Steuerung
von PacSanta
TU BAF
Sony EyeToy
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
Intelligente Virtuelle Umgebungen
VR - Eine neue Epoche der Mensch-Maschine-Kommunikation (?)
nach [Astheimer et al., Informatik Spektrum 16:6, 1994]

von bisherigen WIMP (windows, icons, menues, and pointing devices) ...
.... zu zukünftigen SILK (speech, image, language, knowledge) Schnittstellen.
Stand heute: Post-WIMP Interfaces [van Dam, Comm. ACM 40:2, 1997]
Forschungsthemen

Unterlegung von 3D-Präsentationsdaten mit wissensbasierten Modellierungen
Virtuelle Assistenten, Intelligente Avatare, Believable Agents
Multimodale Mensch-Maschine Interaktion z.B. mit Sprache und Gestik
Situierte Kommunikation
Kognitive Aspekte und Human Factors von virtuellen Umgebungen
Konzeptbasiertes, räumliches und multimodales Schließen über 3D Umgebungen
3D-Simulationssysteme z.B. in der (kognitiven) Robotik, Artificial Life
Prof. B. Jung
Virtuelle Realität
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