Erweiterte Realität

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Augmented-Reality-Beispiel „Wikitude AR Travel Guide“ auf einem G1-Google-Smartphone (Android)

Unter erweiterter Realität (auch englisch augmented reality [ɔːɡˈmɛntɪd ɹiˈælɪti], kurz AR [eɪˈɑː]) versteht man die computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung. Diese Information kann alle menschlichen Sinnesmodalitäten ansprechen. Häufig wird jedoch unter erweiterter Realität nur die visuelle Darstellung von Informationen verstanden, also die Ergänzung von Bildern oder Videos mit computergenerierten Zusatzinformationen oder virtuellen Objekten mittels Einblendung/Überlagerung. Bei Fußball-Übertragungen ist erweiterte Realität beispielsweise das Einblenden von Entfernungen bei Freistößen mithilfe eines Kreises oder einer Linie.

Definition und Abgrenzung[Bearbeiten]

Im „Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum“ (nach Paul Milgram et al., 1994[1]) sind die erweiterte Realität (augmented reality, AR) und erweiterte Virtualität (augmented virtuality) Teil der sogenannten gemischten Realität (mixed reality). Während der Begriff Augmented Virtuality kaum von der Fachwelt benutzt wird, werden Augmented Reality und Mixed Reality, selten auch Enhanced Reality, meist synonym verwendet. Im Gegensatz zur virtuellen Realität, bei welcher der Benutzer komplett in eine virtuelle Welt eintaucht, steht bei der erweiterten Realität die Darstellung zusätzlicher Informationen im Vordergrund. Für die visuelle Modalität führt dies zu wesentlich härteren Anforderungen an die Positionsbestimmung (Tracking) und Kalibrierung.

Unter einem AR-System (kurz ARS) versteht man das System der technischen Bestandteile, die nötig sind, um eine Augmented-Reality-Anwendung aufzubauen: Kamera, Trackinggeräte, Unterstützungssoftware usw.

Die Literatur verwendet meist die Definition der erweiterten Realität von Azuma:[2]

  • Die virtuelle Realität und die Realität sind miteinander kombiniert (teilweise überlagert).
  • Interaktivität in Echtzeit
  • Reale und virtuelle Objekte stehen 3-dimensional zueinander in Bezug.

Diese Definition hat zwei Nachteile:

  • sie stützt sich allein auf technische Merkmale
  • sie beschränkt sich auf nur einen Teilaspekt von AR.

Andere Arbeiten definieren AR als eine Ausweitung der Sinneswahrnehmung des Menschen durch Sensoren von Umgebungseigenschaften, die der Mensch selbst nicht wahrnehmen kann: Radar, Infrarot, Distanzbilder, usw.

Von der Trendforschung wurde zudem der Begriff Outernet eingeführt.

Anwendungen[Bearbeiten]

Allgemeines[Bearbeiten]

Erweiterte Realität könnte in praktisch allen Bereichen des Alltags zum Einsatz kommen. Monteure könnten sich den nächsten Arbeitsschritt direkt in ihr Sichtfeld einblenden lassen; Soldaten oder Katastrophenhelfer könnten sich Ziele und Gefahrenzonen im Gelände anzeigen lassen und Designer könnten mit tatsächlich und virtuell anwesenden Kollegen am selben dreidimensionalen Modell arbeiten. Mit fortschreitender Technologie lassen sich futuristische Anwendungsszenarien erschließen: Elektronische Geräte, die nur virtuell existieren, aber auf echte Berührungen reagieren, künstliche Sinneserweiterungen wie den „Röntgenblick“ und Computerspiele in freiem Gelände.

Ein Beispiel für eine AR-Anwendung sind die in Echtzeit eingeblendeten virtuellen Marken bei Sportübertragungen: Verschiedene Entfernungen der Konkurrenten beim Skispringen, Weitwurf, usw. (Man beachte, dass dieses Beispiel oft keine Augmented-Reality-Anwendung nach der obigen Definition ist, da manchmal das interaktive Element fehlt.)

Google arbeitet an einem Produkt, das unter dem Namen Google Glass bereits vorgestellt wurde. Es handelt sich um eine Brille mit Mikrodisplay und Kamera, die über Spracheingabe bedient werden kann. Zu den Funktionen des Geräts gehört etwa, dass der Träger der Brille Informationen seiner Umgebung ins Internet überträgt und seinerseits entsprechende Hinweise, beispielsweise in Form von Navigationshinweisen, aus dem Internet erhält. Weiterhin stehen auch die bekannten Möglichkeiten von Smartphones und Videokonferenzen zur Verfügung.[3]

Hilfestellung bei komplexen Aufgaben, v. a. in Konstruktion, Wartung und Medizin[Bearbeiten]

Durch Anzeigen von Zusatzinformationen kann eine Hilfestellung bei komplexen Aufgaben geschehen. Zum Beispiel werden für einen Mechaniker die Teile eines Gerätes „beschriftet“, und er bekommt Arbeitsanweisungen. In der Medizin kann erweiterte Realität genutzt werden, um die Darstellung nicht sichtbarer Elemente zu ermöglichen. beispielsweise intraoperativ in der Medizin, als „Röntgenblick“ für den Operateur, basierend auf vorheriger Tomographie oder aktuellen Bilddaten von Ultraschallgeräten oder offenen Kernspintomografen.

Industrielle Anwendungen[Bearbeiten]

Mit Augmented Reality können digitale Planungsdaten effizient mit vorhandenen realen Geometrien abgeglichen werden. Die Technologie ermöglicht ferner den breiten Einsatz von digitalen Absicherungsmethoden bei der Kombination von digitalen Daten mit realen Prototypen bzw. Konstruktionen.

Navigation[Bearbeiten]

Erweiterte Realität kann grundsätzlich die Navigation im Gebäude (bei der Wartung von Industrieanlagen), im Freien (für Militär oder Katastrophenmanagement), im Auto (Projektion von Navigationshinweisen an die Windschutzscheibe, so dass beispielsweise Abbiegehinweise auf der Fahrbahn erscheinen) oder im Flugzeug (Head-Up-Displays in Kampfflugzeugen sind eine der frühesten AR-Anwendungen überhaupt) genutzt werden.

Militär und Katastrophenmanagement[Bearbeiten]

Im Bereich Militär und Katastrophenmanagement können tragbare Systeme verwendet werden, die etwa Freund und Feind oder Brandherde anzeigen.

Hydrologie, Ökologie, Geologie[Bearbeiten]

Systeme können für die Prospektion, für die Darstellung und die interaktive Analyse von Karten und Geländemerkmalen genutzt werden, um beispielsweise Bodenschätze auszubeuten.

Architektur[Bearbeiten]

Erweiterte Realität eignet sich ebenfalls für die Visualisierung von Architektur. So können zerstörte historische Gebäude oder auch zukünftige Architekturprojekte dargestellt werden[4]

Simulation[Bearbeiten]

Auch für Flug- und Fahrsimulatoren kann erweiterte Realität eingesetzt werden.

Zusammenarbeit verteilter Teams[Bearbeiten]

Die Zusammenarbeit örtlich verteilter Teams kann erleichtert werden. Zum Beispiel durch Video-Konferenzen mit realen und virtuellen Teilnehmern. Aber auch die gemeinsame Arbeit an simulierten 3D-Modellen wird so unterstützt.

Unterhaltung[Bearbeiten]

Eine Erweiterung in Museen und Ausstellungen durch Virtuelle Objekte ermöglicht Besuchern zugang zu mehr Informationen. Ebenfalls nutzbar ist die erweiterte Realität in der Unterhaltungsindustrie, wie beispielsweise bei Spielen (ARQuake, EyePet (für PS3)). Ein populäres Beispiel ist das Spiel Ingress, das seit 2012 von Google entwickelt wird und auf Android Geräten läuft. Seit Juli 2014 ist Ingress auch für iOS erhältlich.

Werbung[Bearbeiten]

Zunehmend setzen Unternehmen in ihrer Werbung auf AR-Komponenten, um dem Kunden einen Mehrwert zu bieten. So veröffentlichte beispielsweise die Möbelhauskette IKEA 2013 einen Katalog, in dem ausgewählte Möbelstücke per Smartphone-App eingescannt und virtuell an einen beliebigen Platz in der Wohnung projiziert werden konnten.[5]

Zukünftige Anwendungen[Bearbeiten]

Als zukünftige Anwendungen werden einige Beispiele hier aufgeführt. Zum einen kann eine Erweiterung von PC-Betriebssystemoberflächen in die reale Umwelt geschehen. Programmfenster und Icons werden dann als virtuelle Geräte im realen Raum dargestellt und durch Blicke oder Zeigen mit dem Finger bedient. Dies kann generell zum Ersatz herkömmlicher Bildschirme (Ersatz von Handy- und Navigatorbildschirmen und Einblendung der Informationen direkt in die Umwelt, beispielsweise von Leitlinien direkt auf die Fahrbahn, sowie Erweiterungen, wie beispielsweise „Röntgenblick“ zur Darstellung verdeckter Ziele), Gerätebedienfelder, oder zu völlig neuen Gerätetypen führen. Außerdem kann erweiterte Realität für Multimediale Anwendungen, wie pseudo-holografische virtuelle Bildschirme, virtuelle „Holodecks“, virtuelles Surround-Kino genutzt werden. Aber auch zur Verschönerung der alltäglichen Umwelt, wie durch die Darstellung virtueller Pflanzen, Tapeten, Ausblicke, Kunstwerke, Dekorationen, Beleuchtung usw., wären Anwendungen denkbar. Bei allgemeiner Verbreitung von AR-Systemen könnte man auch virtuelle Schaufenster, Plakate oder Verkehrsschilder nutzen.

Probleme[Bearbeiten]

Technik[Bearbeiten]

Ein Problem ist die technische Belastung bei erweiterter Realität, besonders die Nachführung der Bilder bei Bewegungen. Auch die Sensoren werden durch die Bewegung beeinträchtigt. So gibt es Rauschen, Drift und Abschattung des Trackingsystems (beispielsweise bei GPS, INS). Eine Kombination von beispielsweise GPS mit Trägheits- und optischer Navigation ist daher bei fortgeschrittenen Systemen üblich.

Ein weiteres Problem stellt die Energieversorgung dar. Die momentan verfügbaren Akkus reichen noch nicht aus, um mobile Augmented-Reality-Systeme längere Zeit zu versorgen. Auch die Verfügbarkeit von Daten, Authoring und die hohe Komplexität von Daten können zu Problemen führen. Um die Einbettung der virtuellen Szene in die reale Szene möglichst überzeugend zu leisten, sind Daten notwendig, die die Umgebung auch in ihrer Geometrie beschreiben. Darauf aufbauend können dann virtuelle Schnitte durch reale Objekte gezeichnet und die Verdeckung der virtuellen Objekte durch die realen Objekte berechnet werden. Diese Geometriedaten sind jedoch nicht immer verfügbar oder aktuell. Die vollständige Integration virtueller Objekte in reale Szenen erfordert das Ausblenden von Hintergrundteilen, damit die Objekte nicht durchsichtig erscheinen. Systeme, die die direkte Sicht vollständig durch Kamerabilder ersetzen (EyeTap) haben dieses Problem nicht, sind aber für viele Anwendungen ungeeignet.

Soziale Aspekte[Bearbeiten]

Da neben Gebäuden, Denkmälern und anderen statischen Objekten mit immer besserer Hardware und Software auch Personen durch Gesichtserkennungs-, Spracherkennungs- oder Software die Kleidung identifiziert, erkannt und in Anwendungen für erweiterte Realität eingebunden werden könnten, ist mit weitreichenden Auswirkungen auf die Gesellschaft zu rechnen.[6]

Forschung im deutschsprachigen Raum[Bearbeiten]

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Wichtige Publikationen:

  • R. Azuma: A Survey of Augmented Reality. In: Presence: Teleoperators and Virtual Environments. 6, Nr. 4, 1997, S. 355–385 (PDF-Datei; 479 kB).
  • R. Azuma, Y. Baillot, R. Behringer, S. Feiner, S. Julier, B. MacIntyre: Recent advances in augmented reality. In: IEEE Computer Graphics and Applications. 21, Nr. 6, 2001, S. 34–47 (PDF-Datei; 2,2 MB).
  •  T.P. Caudell, D.W. Mizell: Augmented reality: an application of heads-up display technology to manual manufacturing processes. In: Proceedings of the Twenty-Fifth Hawaii International Conference on System Sciences, 1992. vol.2, 1992, S. 659–669, doi:10.1109/HICSS.1992.183317.
  •  Pierre Wellner, Wendy Mackay, Rich Gold: Back to the real world. In: Communications of the ACM. 36, Nr. 7, 1993, S. 24–26, doi:10.1145/159544.159555.
  •  Paul Milgram, Haruo Takemura, Akira Utsumi, Fumio Kishino: Augmented reality: a class of displays on the reality-virtuality continuum. In: Proceedings of SPIE 2351, Telemanipulator and Telepresence Technologies. 1995, S. 282–292, doi:10.1117/12.197321 (PDF-Datei; 45 kB).

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Erweiterte Realität – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: augmented – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Paul Milgram, Haruo Takemura, Akira Utsumi, Fumio Kishino: Augmented reality: a class of displays on the reality-virtuality continuum. In: Proceedings of SPIE 2351, Telemanipulator and Telepresence Technologies. 1995, S. 282–292, doi:10.1117/12.197321 (PDF-Datei; 45 kB).
  2. R. Azuma: A Survey of Augmented Reality. In: Presence: Teleoperators and Virtual Environments. 6, Nr. 4, 1997, S. 355–385 (PDF-Datei; 479 kB).
  3. Project Glass: Googles revolutionäres Konzept einer Augmented-Reality-Brille, t3n, 5. April 2012. Abgerufen am 5. April 2012.
  4. Youtube Video: Augmented Reality für Architekten, Incloud, 25. April 2012. Abgerufen am 26. April 2012.
  5. "Von IKEA bis Toyota - interaktive Printwerbung" xposeprint.de, 13. September 2013. Abgerufen am 17. Januar 2014.
  6. Universität Oldenburg "Augmented Reality" IuG © 2011, gesichtet am 23. Dezember 2013