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 z. B. das Einblenden von Entfernungen bei Freistößen mithilfe eines Kreises oder einer Linie.

Inhaltsverzeichnis

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. Z. B. 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.

Head-up-Display einer F/A-18C

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, die etwa Freund und Feind oder Brandherde anzeigen können, verwendet werden.

Hydrologie, Ökologie, Geologie [Bearbeiten]

Systeme können für die Prospektion, für die Darstellung und die interaktive Analyse von Karten und Geländemerkmalen genutzt werden, um z. B. Bodenschätzen 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 z. B. bei Spielen ( ARQuake, EyePet (für PS3)).

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, z. B. von Leitlinien direkt auf die Fahrbahn, sowie Erweiterungen, wie z. B. „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 auch virtuelle Schaufenster, Plakate oder Verkehrsschilder nutzen.

Probleme [Bearbeiten]

Auftretende Probleme bei der erweiterten Realität werden hier näher erläutert. Ein Problem ist die Performance von erweiterter Realität. Besonders die Nachführung der Bilder bei Bewegungen ist hier gemeint. Auch die Sensoren werden durch die Bewegung beeinträchtigt. So gibt es Rauschen, Drift und Abschattung des Trackingsystems (z. B. bei GPS, INS). Eine Kombination von z. B. GPS mit Trägheits- und optischer Navigation ist daher bei fortgeschrittenen Systemen üblich. Ein weiteres Problem stellt auch 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 sehr viele Anwendungen ungeeignet.

Software [Bearbeiten]

  • ARToolkit, eine plattformübergreifende Bibliothek zur Erstellung von Augmented Reality Anwendungen.
  • ARToolKit Pro, auf dem ARToolkit aufbauende kommerzielle Versionen für Desktop, Web und mobile Plattformen.
  • AndAR, eine Portierung des ARToolkit auf die Android Plattform.
  • ARToolkitPlus – Erweiterung des ARToolkit
  • GE – Plug Into the Smart Grid – Augmented Reality (engl.), eine vertonte 3D-Animation wird im Webcambild auf ein vor der Webcam gehaltenes Blatt Papier projiziert (benötigt Flash, Adobe Reader, Webcam und Drucker).
  • mixare – Open Source (GPLv3) Augmented Reality Engine für Android und iPhone. Funktioniert als eigenständige App und kann vor allem für die Entwicklung eigener Applikationen verwendet werden.
  • / metaio , eine kommerzielle, komplexe und leistungsfähige Softwareplattform für professionelle Anwendungen im Bereich Augmented Reality. Bespielt in verschiedenen Produktvarianten gleichzeitig industrielle Anwendungen, Desktop und Web-Anwendungen sowie die mobilen Plattformen iPhone / Android/ Windows Mobile und Symbian.
  • / PLAKAR , eine kostenlose iOS und Android App für die Augmentierung diverser Werbeträger wie Plakate, Freecards, Anzeigen etc. Findet seine Anwendung auch im redaktionellen Bereich. Zur Zeit vornehmlich augmentierte Video-Overlays. Benutz markerlose Bilderkennung.

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

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.
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