Als virtuelle Realität (virtual reality, VR), wird die gleichzeitige Darstellung und Wahrnehmung einer scheinbaren Wirklichkeit und ihrer physikalischen Eigenschaften in einer in Echtzeit computergenerierten, interaktiven virtuellen Umgebung bezeichnet.
Im Gegensatz zur gemischten Realität, liegt hier der Fokus darauf eine vollständig virtuelle Umgebung zu erschaffen.
virtuell
„nicht echt, nicht in Wirklichkeit vorhanden, aber echt erscheinend“
„Virtualität ist die Eigenschaft einer Sache, nicht in der Form zu existieren, in der sie zu existieren scheint, aber in ihrem Wesen oder ihrer Wirkung einer in dieser Form existierenden Sache zu gleichen. Virtualität meint also eine gedachte Entität, die in ihrer Funktionalität oder Wirkung vorhanden ist.“
Es können verschiedenste Anforderungen beim Erstellen einer virtuellen Welt definiert werden.
Beispielhafte Anforderungen sind Immersion, Plausibilität, Interaktivität und Wiedergabetreue.
Immersion
Einbettung des Nutzers in die virtuelle Welt
Verminderung der Wahrnehmung der eigenen Person in der realen Welt
anspruchsvolle und spannende Gestaltung der virtuellen Welt
-> Nutzer fühlt sich mehr als Person in der virtuellen Welt
Plausibilität
Interaktion logisch und stimmig
Umgebung logisch und stimmig
-> Illusion von Realität
Interaktivität
Eigenen Aktionen haben Einfluss auf die virtuelle Umgebung
Ereignisse der Umgebung beeinflussen die Sinne des Nutzers
-> Nutzer kann in der virtuellen Welt agieren
Wiedergabetreue
virtuelle Umgebung genau und naturgetreu gestaltet
virtuelle Welt bildet Eigenschaften einer natürlichen Welt ab
-> Nutzer erscheint die virtuelle Welt glaubwürdig
motion sickness (~ „Bewegungsübelkeit“):
Ein häufiges Problem bei VR ist, dass Benutzern schwindelig werden kann, wenn die real empfundene von der virtuell gesehenen Beschleunigung abweicht. Dies kann beispielsweise eine Folge der Differenz zwischen dem real verfügbaren Raum und dem virtuellen genutzten Raum sein.
Dafür gibt es in verschiedenen Systemen verschiedene Lösungen, wie abweichende Steuerung des virtuellen Charakters oder die Einschränkung auf einen kleineren Bewegungsraum. Diese verursachen jedoch meist wiederum eine Minderung der Immersion oder anderer Anforderungen.
Um einen räumlichen Eindruck zu vermitteln, werden zwei Bilder aus unterschiedlichen Perspektiven erzeugt und dargestellt (Stereoprojektion).
Um das jeweilige Bild dem richtigen Auge zuzuführen, existieren verschiedene Technologien.
Virtual-Reality-Headsets
Durch zwei Linsen im Headset, soll dem Nutzer das passende Bild in das jeweilige Auge projiziert werden.
Angebundene VR-Headsets:
Um maximale Leistung zu erhalten, sind angebundene VR-Headsets nötig.
Verbindung mit Rechner verpflichtend
Rechenaufwand auf dem verbundenen PC
Typische Bestandteile:
Zwei kleine, hochauflösende OLED- oder LCD-Monitore, die für beide Augen ein separates Bild liefern
Gyroskope und Bewegungssensoren zur Positions- und Rotationsverfolgung des Nutzers
Eine simple Alternative sind VR-Headsets, welche lediglich eine Halterung für Handys darstellen.
Dabei werden die beiden separaten Bilder auf einem Handybildschirm dargestellt, wodurch jedoch der selbe Effekt erzielt wird.
Wenn kein VR-Headset genutzt wird, kann beispielsweise das CAVE-System zur Anwendung kommen.
CAVE steht für „Cave Automatic Virtual Environment“ (Höhle mit automatisierter, virtueller Umwelt), was die eigene Funktionsweiße gut umschreibt.
Bei einem solchen System wird durch Projektionen oder Bildschirme die virtuelle Welt direkt an Wänden, Decke und Boden des Raumes dargestellt.
Um bei einem CAVE-System, aber auch bei anderen Ausgabegeräten, die Umgebung dreidimensional darzustellen, werden zum Beispiel folgende Techniken zur Stereoprojektion angewendet:
Shuttertechnik
Shutterbrillen:
Gläser, aus zwei verschiedenen Flüssigkristallflächen, die elektronisch durchlässig und undurchlässig geschaltet werden können
Damit lässt sich wahlweise das linke oder das rechte Auge abdunkeln.
Dazu wird abwechselnd das linke und rechte Bild angezeigt.
Von der Brille wird dabei synchron nur das passende Bild zum entsprechenden Auge durchgelassen
Zur Aufrechterhaltung des Polarisationsstatus des Lichts wird eine metallisch beschichtete Leinwand benötigt.
Eine normale weiße Leinwand würde das Licht wieder zerstreuen und die Kanaltrennung wäre aufgehoben.
Der Vorteil dieser Projektionstechnik liegt in der hohen Farbtreue der gezeigten Bilder.
Nachteile sind zum einen der Lichtabfall durch die verwendeten Filter und die extra für dieses Verfahren erforderliche metallische Leinwand.
Es arbeitet nach einem Lichtwellenlängenfiltersystem (Wellenlängenmultiplex).
Für jedes Auge wird jeweils ein Teil der vom Auge als Rot-Grün-Blau empfundenen Wellenlängen durchgelassen und der des anderen Auges sehr effektiv blockiert.
Hierbei werden die Grundfarben der Bilder also für das linke und rechte Auge auf jeweils unterschiedliche überlappungsfreie Wellenlängenbereiche reduziert.
Prinzip des Wellenlängenmultiplex-Verfahrens - Farbtriplets
Um die beiden Farbtriplets, die den Betrachter sequentiell (= als Multiplex) erreichen, voneinander zu trennen, wird eine Interferenzbrille verwendet. Die Gläser dieser Brille sind mit dielektrischen Materialien mehrfachbeschichtet. Die Mehrfachbeschichtung wirkt ähnlich einem Saugkreis in der Funktechnik: nur in Resonanz befindliche Schwingungen werden durchgelassen. So können die Farbtriplets für beide Augen exakt ausgefiltert werden.
scheinbar farbneutral, d. h., es kommt zu keinen sichtbaren Farbänderungen
In manchen Fällen kann es zu stärkeren Farbfehlern kommen, welche jedoch mit elektronischer Farbkorrektur in der Signalverarbeitung des Projektors behoben werden können.
Kopfneigung ohne Qualitätsverluste
keine Silberleinwand nötig
nur ein Projektor nötig
Streulicht, z.B. durch eine unvollständige Abdunkelung, wird ausgeblendet -> projiziertes Bild wirkt brillanter
Nachteile:
Brillengläser und Filter bestehen aus in einem Vakuumverfahren beschichtetem Glas -> vergleichsweise teuer
Zur Interaktion mit der virtuellen Welt, sowie der ausführenden Software gibt es verschiedenste spezielle Eingabegeräte.
Einige Eingabegeräte wirken eine Kraftrückkopplung auf den Nutzer (Force Feedback), sodass die Haptik als weitere Sinnesempfindungen zu einer realitätsnahen Simulationen beiträgt.
Ein beispielhafter Auszug:
Optische Sensoren
VR-Kontroller werden oft mit einem optischen Trackingsystem genutzt.
Dabei, meist mithilfe von Infrarot-Kameras, wird kontinuierlich durch die Erfassung von Markern die Position des Nutzers im Raum bestimmt, damit dieser sich möglichst ohne Verkabelung frei bewegen kann.
Ein „Motion controller“ ist ein Eingabegerät dass Beschleunigungsmesser oder andere Sensoren verwendet, um Bewegungen zu verfolgen um die Steuerung in einer virtuellen Umgebung zu übernehmen.
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