Virtuelle Realität

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Fallschirmspringer der US-Navy übt mit einem Head-Mounted Display (HMD) virtuell das Fallschirmspringen.

Als virtuelle Realität, kurz VR, wird die Darstellung und gleichzeitige Wahrnehmung der Wirklichkeit und ihrer physikalischen Eigenschaften in einer in Echtzeit computergenerierten, interaktiven virtuellen Umgebung bezeichnet.

Geprägt wurde der Begriff Virtual reality von dem Autor Damien Broderick in seinem 1982 erschienenen SF-Roman The Judas Mandala. 1987 erschien der Begriff erstmals als theoretisches Konzept im Oxford English Dictionary.[1]

Eine Vermischung der virtuellen Realität und der physischen Realität wird gemischte Realität (engl. Mixed Reality, auch Augmented Reality) genannt. Die Immersion in die VR kann zu temporären Erkrankungen führen, die der Seekrankheit ähneln und VR-Krankheit oder Simulator-Krankheit heißen.

Anforderungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Erstellen einer virtuellen Welt kann man einige Anforderungen definieren, die erfüllt werden sollten. Einige mögliche Anforderungen sind zum Beispiel Immersion, Plausibilität, Interaktivität und Wiedergabetreue.

Immersion beschreibt die Einbettung des Nutzers in die virtuelle Welt. Die Wahrnehmung der eigenen Person in der realen Welt wird vermindert und der Nutzer fühlt sich mehr als Person in der virtuellen Welt. Dies lässt sich durch eine anspruchsvolle und spannende Gestaltung der virtuellen Welt erreichen, z. B. durch eine hohe Anzahl der möglichen Aktionen in dem System.

Eine virtuelle Welt wird als plausibel angesehen, wenn die Interaktion in ihr logisch und stimmig ist. Dies betrifft einerseits das Gefühl des Nutzers, dass die eigenen Aktionen auf die virtuelle Umgebung Einfluss haben, jedoch auch, dass die Ereignisse in der Umgebung die Sinne des Nutzers beeinflussen, er also in der Welt agieren kann. Durch diese Interaktivität wird die Illusion geschaffen, dass das, was zu passieren scheint, tatsächlich passiert.[2]

Wiedergabetreue wird erreicht, wenn die virtuelle Umgebung genau und naturgetreu gestaltet wird. Dies geschieht, wenn die virtuelle Welt Eigenschaften einer natürlichen Welt abbildet, sie erscheint dem Nutzer dann glaubwürdig.

Ein häufiges Problem bei VR ist etwa motion sickness (etwa „Bewegungsübelkeit“): Benutzern kann schwindelig werden, wenn die real empfundene von der virtuell gesehenen Beschleunigung abweicht. Dies kann der Fall sein, wenn der reale zur Verfügung stehende Raum kleiner als der virtuelle Raum ist, in dem sich ein Benutzer bewegen kann.[3]

Meilensteine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der erste Entwurf eines VR-Systems stammt von Morton Heilig (1956), der eine Apparatur namens Sensorama entwickelte, die das „Cinema of the Future“ werden sollte.

Im Jahr 1965 entwickelte der Harvard-Student Ivan Sutherland das Konzept des „Ultimate Display“, welches die Basis für die heutige VR-Technik beschrieb. Drei Jahre später veröffentlichte Sutherland das Buch „A Head-Mounted-Three Dimensional Display“ welches grundlegend für die Entwicklung von Head-Mounted-Displays war. Dieses verwirklichte er durch das sogenannte „Sword of Damocles“, ein am Kopf getragenes visuelles Ausgabegerät, das am Rechner erzeugte Bilder auf einem augennahen Bildschirm darstellte und damit das Fenster in eine virtuelle Welt suggerieren sollte.

Eine Alternative zu den am Kopf befestigten HMDs wurde 1992 mit der Visual Experience CAVE an der University of Illinois entwickelt. Auf Grund der hohen Kosten, des hohen Platzbedarfs, des hohen Rechenaufwands und der eingeschränkten Bewegungsfreiheit des Nutzers kamen sie jedoch nur bei großen Unternehmen im Bereich des Produkt-Designs zur Anwendung.

Nintendo brachte 1995 den „Virtual Boy“ auf den Markt, jedoch bereiteten die zu geringen Rechnerkapazitäten und leistungsschwachen Grafikkarten noch große Probleme, sodass der Versuch an zu schlechter Bildqualität und Auflösung scheiterte. Im Jahr 2012 läutete das Startup Oculus VR mit der Vorstellung der Oculus Rift eine neue Ära im Bereich der Virtual Reality Entwicklung ein.

Hardware[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Virtual-Reality-Brillen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Um ein Gefühl der Immersion zu erzeugen, werden zur Darstellung virtueller Welten spezielle Ausgabegeräte benötigt. Bekannt sind vor allem das Head-Mounted Display, siehe z. B. Oculus Rift, Großbildleinwände oder die CAVE. 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. Man unterscheidet aktive (z. B. Shutterbrillen) und passive Technologien (z. B. Polfilter oder Infitec).

Für die Interaktion mit der virtuellen Welt werden spezielle Eingabegeräte benötigt. Zu nennen sind hier unter anderem 3D-Maus, Datenhandschuh und Flystick sowie das omnidirektionale Laufband, mit welchem das Gehen im virtuellen Raum durch reale Gehbewegungen gesteuert wird.

Der Flystick wird zur Navigation mit optischen Trackingsystem genutzt, wobei Infrarot-Kameras durch Erfassung von Markern am Flystick permanent die Position im Raum an das VR-System melden, damit sich der Benutzer ohne Verkabelung frei bewegen kann. Optische Trackingsysteme können auch für die Erfassung von Werkzeugen und kompletten Menschmodellen eingesetzt werden, um diese innerhalb des VR-Szenarios in Echtzeit manipulieren zu können.

Einige Eingabegeräte vermitteln dem Benutzer eine Kraftrückkopplung auf die Hände oder andere Körperteile (Force Feedback), so dass der Mensch sich durch die Haptik und Sensorik als weitere Sinnesempfindung in der dreidimensionalen Welt orientieren und realitätsnahe Simulationen durchführen kann.

360-Grad-Kamera[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

VR-Kameras geben dem Benutzer die Möglichkeit, Erlebtes in einen 360-Grad-Film zu verpacken. Dieser kann im Nachhinein ganz einfach über eine Smartphone-VR-Brille oder einer Gamingbrille am PC abgespielt werden. Dem Zuschauer gibt sie das Gefühl von Nähe zum Geschehen. 360-Grad-Kameras sind seit 2015 auf dem deutschen Markt erhältlich und erzeugen seitdem ein wachsendes Interesse. Auch in der Filmbranche sind die virtuellen Filme angekommen. In Filmtrailern und Kurzclips werden echte 360-Grad-Kameraaufnahmen mit virtuellen Elementen vermischt. So ist es möglich, auch echte Videoausschnitte mit Programmen, wie etwa Aftereffects, zu bearbeiten und Realität und Fiktion zu verschmelzen.

360-Grad-Kamera-Techniken[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Virtual-Reality-Kameras gibt es in verschiedenen Formaten. Ausschlaggebend dabei ist die Linsenanzahl, welche in der Kamera verbaut ist. Kameras mit einer Linse besitzen das Fisheye-Prinzip. Dabei filmen die Kameras im Winkel von 360°x235°, sodass kein vollständiges 360-Grad-Bild entsteht und eine schwarze Stelle im Bild auf der VR-Brille zu erkennen ist. Weitere Kameramodelle besitzen 2 Linsen, welche dicht gegenüberliegend verbaut sind. Diese VR-Kameras erzeugen ein vollsphärisches und lückenloses Bild. Bei dieser Technik werden die Bilder über eine spezielle Software zusammengefügt. 360-Grad-Kameras mit zwei Linsen weisen derzeit noch Probleme auf, was das Zusammennähen, der zwei aufgenommenen Bilder angeht. Das heißt die Naht, die beide Bilder zu einem zusammenfügen soll, ist leider oft noch sichtbar.

Weitere Kameramodelle haben mehr als zwei Linsen. Modelle wie die Panono besitzen eine Vielzahl von Kameralinsen. Diese werden wie bei Dual-Lense-Kameras über Kamerasoftware gestiched. Auch die ersten 3D-360-Grad-Kameras sorgen für VR-Ansichten in 3D, was die Aufnahmen noch realistischer wirken lässt.

Software[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Interaktion mit Flystick und 6DoF Force-feedback in Mehrseitenprojektion

Man benötigt zur Erzeugung virtueller Realität speziell für diesen Zweck entwickelte Software. Diese Programme müssen komplexe dreidimensionale Welten in Echtzeit, d. h. mit mindestens 25 Bildern pro Sekunde, in Stereo (getrennt für linkes und rechtes Auge) berechnen können. Dieser Wert variiert je nach Anwendung – eine Fahrsimulation beispielsweise erfordert mindestens 60 Bilder pro Sekunde, um Übelkeit (Simulatorkrankheit) zu vermeiden.

In den 1990er Jahren waren die Rechenleistung als auch die Hardware meist noch nicht ausreichend für den produktiven Einsatz und für realistische Simulationen, deshalb wurden hier meist spezielle Grafikworkstations eingesetzt. Zu Anfang dieses Jahrtausends sind, durch deutlich leistungsfähigere Rechner und Grafikprozessoren, die Möglichkeiten der Interaktion in den Szenarien deutlich gestiegen.

Für die Modellierung von dreidimensionalen, virtuellen Objekten kommen Programme wie Maya, 3D Studio Max, Blender, SketchUp, Softimage XSI, Cinema 4D, LightWave 3D und andere CAD- oder 3D-Programme zur Anwendung. Zusätzliche Software wird für die Bild- und Tonbearbeitung benötigt. Um die dort modellierten Objekte zu interaktiven Simulationen zusammenzusetzen, nutzt man Autorensysteme, wie z. B. World Tool Kit oder World Up.

Zur Darstellung von interaktiven, grafischen 3D-Szenen im Internet dient die Computersprache VRML/X3D sowie die JavaScript-API WebVR.

Anwendungen im technischen Bereich[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine 3D-Powerwall von Daimler
Flugsimulator

Virtuelle Realität lässt sich in vielen Bereichen einsetzen. Ein sehr bekanntes Einsatzgebiet ist die Pilotenausbildung in Flugsimulatoren. Auch in der Industrie wird diese Technologie verstärkt eingesetzt, vor allem zur Erstellung von virtuellen Prototypen, Produktionsplanungen, virtuellem Training, für ergonomische Bewertungen und räumliche Studien in der Geologie. Weitere Einsatzgebiete sind Visualisierungen in Architektur, Medizin, Chemie, Energie und Edutainment (z. B. Virtual Cultural Heritage). Der therapeutische Einsatz von virtueller Realität wird unter dem Stichwort virtuelle Rehabilitation untersucht. In der Industrie werden sowohl „Powerwall“ als stereoskopische 3D-Wand als auch Mehrseitenprojektionen wie CAVE zum vollständigen Eintauchen in die grafische Simulation genutzt. In den letzten Jahren haben sich in Deutschland und Frankreich eine Reihe von Firmen etabliert, die Virtual-Reality-Software für Industrieunternehmen anbieten, etwa ICIDO, VISENSO und andere.

Anwendungen in der Raumplanung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist der Einsatz bei Planungen von Infrastrukturmaßnahmen, die das Landschaftsbild verändern. Die Umwelt kann so nachgebildet werden, dass die Bürger nicht nur sehen, sondern erleben können, was sich durch ein Vorhaben verändert. Sie können selbst entscheiden, welchen Standpunkt sie für die Betrachtung einnehmen, entweder per Gamepad oder bei der Internetversion mit Pfeiltastennavigation. Zu sehen sind:

  • der genaue Standort und ggf. Alternativen
  • die Umgebung mit der existierenden Bebauung, dem Verkehrsnetz und den Sehenswürdigkeiten zur Orientierung
  • Straßen mit fließendem Verkehr, einstellbar nach Tageszeit (auf Basis von Verkehrszählungen oder Prognosen)
  • Schattenwurf im Tages-, Monats- und Jahresverlauf.

Die 3D-Darstellung ist geeignet für den stationären Einsatz, z. B. in Veranstaltungen zur Bürgerbeteiligung oder zur Erläuterung in politischen Gremien und als Tool zur Information und Konsultation (z. B. bei Genehmigungsverfahren) im Internet.

Virtuelle Realität im Arbeitsschutz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Virtuelle Realität kann natürliche Arbeitssysteme simulieren. Beschäftigte erleben realitätsnah in einer virtuellen Arbeitsumgebung den Umgang mit simulierten Anlagen, Maschinen und Arbeitsmitteln. Die virtuelle Arbeitsumgebung erscheint dabei in ihrer natürlichen Größe, technische Prozesse laufen kontinuierlich und in Echtzeit. Bewegungen in dieser Umgebung lassen sich von Maschinen und/oder Personen direkt steuern. Perspektive, Blickwinkel und Akustik ändern sich abhängig davon, wo der Mensch steht und wie er sich bewegt.

Mit VR lassen sich alle Phasen des Produktlebenszyklus simulieren, analysieren und optimieren: von der Konstruktion über den Einsatz bis hin zur Entsorgung. Mit VR im Arbeitsschutz kann man

  • die Gebrauchstauglichkeit (Usability) von Produkten und Prozessen bereits während ihrer Entwicklung und Konstruktion überprüfen und verbessern. Das vermeidet Fehlentwicklungen und nachträglichen Veränderungsaufwand.
  • Gestaltungslösungen zur Mensch-System-Interaktion und ihren Einfluss auf menschliches Verhalten systematisch und empirisch untersuchen. Dies reduziert Umbauten an Maschinen und aufwendige Feldstudien.
  • potenziell gefährliche Produkte, Prozesse und Schutzkonzepte gefahrlos testen. Dies verhindert tatsächliche Gefährdungen während der Mensch-System-Interaktion.
  • Ursache-Wirkungs-Beziehungen nach Unfällen an und mit Produkten ermitteln. Dies spart materiellen, personellen, zeitlichen und finanziellen Aufwand für Vor-Ort-Untersuchungen

Virtual Reality in Unterhaltungsmedien[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Virtual Reality ist zunehmend auch im Unterhaltungsmarkt zu finden. So gibt es Fitnessgeräte mit VR-Unterstützung sowie Simulatoren, die einen virtuellen Flug durch Städte ermöglichen. Darüber hinaus gibt es Achterbahnen, bei denen die Teilnehmer während der Fahrt eine VR-Brille tragen.[4]

Auch in Handel und Industrie gibt es zahlreiche Überlegungen, mittels Virtual-Reality-Kunden zu gewinnen oder zu binden. Laut einer Studie der Unternehmensberatung Deloitte wollen deutsche Unternehmen im Jahr 2020 rund 850 Millionen Euro in Virtual- oder Mixed-Reality-Lösungen investieren.[5] Anwendungsbereiche könnten sein:

  • Shopping: Laut einer Umfrage eines Meinungsforschungsinstituts kann sich schon mehr als die Hälfte der Deutschen vorstellen, dass VR-Erlebnisse beim Einkaufen nützlich sind. Man könnte beispielsweise Kleidungsstücke virtuell anprobieren, durch virtuelle Showrooms schlendern oder sich Zusatzinfos über das jeweilige Produkt einblenden lassen.[6]
  • Events: Als erste professionelle Sport-Liga bietet die US-amerikanische NBA seit der Saison 2016/17 Live-Spiele in VR für ihre zahlenden Zuschauer an.[7] Für die Zukunft wäre es sogar vorstellbar, dass millionenfach VR-Tickets für ein Spiel verkauft werden, die Zuschauer ihren Platz aber zuhause auf dem Sofa einnehmen. Das Gleiche gilt auch für Musik-Konzerte oder andere Großveranstaltungen.

Virtual Reality in Filmen (Auswahl)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Unterschiedliche Konzepte virtueller Realität bilden die Grundlage für zahlreiche Filme. In den Verfilmungen des Romans Simulacron-3Welt am Draht (1973) und The 13th Floor (1999) – verwischen die Grenzen zwischen Realität und virtueller Realität. Beide Filme stellen die Frage nach der Möglichkeit, dass das Leben an sich nur eine Simulation ist. In der Disney Produktion Tron aus dem Jahre 1982 wird der Hauptdarsteller direkt körperlich in eine virtuelle Realität im Inneren eines Computers gezogen und muss in ihr um sein Überleben kämpfen. Seine Gegner sind personalisierte Funktionseinheiten des Rechners. Der 1992 entstandene Film Der Rasenmähermann zeigt Pierce Brosnan als einen Wissenschaftler, der versucht, den geistig zurückgebliebenen Gemeindegärtner mittels VR intelligenter zu machen. In den Filmen Last Action Hero (1993), Enthüllung (1994), Brainscan (1994) oder Vernetzt – Johnny Mnemonic (1995) tauchen Protagonisten in VR ein. Der Film eXistenZ (1999) basiert auf einer Erzählstruktur, die seine Protagonisten in einer stark verschachtelten virtuellen Realität zunehmend orientierungslos zeigt. 1999 erschien der erste Teil der Matrix Reihe. In dieser lebt nahezu die gesamte Erdbevölkerung in VR, wobei die Menschen nicht davon wissen, dass sie nur in einer simulierten Welt leben; in Animatrix sind insbesondere in der Episode „Matriculated“ virtuelle Welten zu sehen. In der Trilogie ist die Zion-Realität der Matrix einer anderen Realität übergeordnet. In dem kanadischen B-Movie Tribulation missioniert ein Sektenguru weitere „Schafe“, indem er sie mittels Helmdisplay in eine VR eintauchen lässt.

Virtuelle Realität für Videospiele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sony Playstation VR (Virtual Reality) auf der Messe Gamescom

Die Verwendung von Grafiken, Sound und Eingabetechnologien in Videospielen können mit der Hilfe von Virtual Reality implementiert werden. Mehrere Virtual-Reality-Head-Mounted-Displays (HMD) wurden hierfür während der frühen 1990er Jahre für Spielekonsolen auf den Markt gebracht. Dazu gehörten das von Nintendo entwickelte Virtual Boy, die iGlasses, entwickelt von Virtual I-O, der Cybermaxx von Victormaxx und der von Forte Technologies hergestellte VFX1 Headgear.[8] Trotz vieler Bemühungen Virtual Reality als einen profitablen Markt zu etablieren, scheiterte man aufgrund der Tatsache, dass die Technologie für den Verbrauchermarkt noch nicht ausgereift war. So waren frühe Designs nicht nur sehr teuer, sondern auch zu groß und die Steuerung wenig intuitiv für Spieler. Modernere und erfolgreichere Beispiele für Virtual Reality in der Videospielindustrie umfassen die Wii-Fernbedienung, das Microsoft Kinect und die PlayStation Move/PlayStation Eye, von denen alle in der Lage sind, Gesten- und Bewegungsinputs des Spielers auf der Spielekonsole darzustellen. Dennoch waren diese konservativen Implementationen von Virtual Reality noch weit entfernt von den Grundideen, die man in den 1990er Jahren erstrebte.[9]

Mehrere Unternehmen arbeiten an einer neuen Generation von Virtual-Reality-Headsets: Oculus Rift ist ein primär für Spielzwecke entwickeltes Head-Mounted-Display von Oculus VR, einem amerikanischen Technologieunternehmen, welches für 2 Mrd. US-$ von Facebook im Jahr 2014 aufgekauft wurde. Nach einer erfolgreichen Kickstarter Kampagne war das Oculus Rift teilweise für ein wiedererwecktes Interesse an Virtual-Reality-Gaming verantwortlich und mehrere Großunternehmen arbeiten nun an ihren eigenen Virtual-Reality-Headsets. Einer der Konkurrenten des Oculus Rift ist diePlaystation VR (Codename Morpheus) von Sony Computer Entertainment, die als Plattform eine PlayStation 4 statt eines PC benötigt. Im Jahre 2015 kündigte Valve Corporation eine Partnerschaft mit HTC an, in Form des HTC Vive, einem VR-Headset, das die Position des Benutzers in einem 4,5 × 4,5 Meter Areal verfolgen kann (room-scale VR).[10] Alle diese Virtual-Reality-Headsets sind angebundene Headsets (Head-Mounted Display), die durch die Verwendung von speziellen, gekrümmten Linsen einen etwa handflächengroßen Bildschirm vergrößern und strecken, um das Blickfeld des Benutzers zu füllen. Zahlreiche weitere Virtual-Reality-Headsets sind ebenfalls in Entwicklung, doch ein Durchbruch im Verbrauchermarkt ist aufgrund der Kostenineffizienz und mangelnder Drittanbieter-Software noch nicht abzusehen.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Virtual reality – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Vor dem Internet kam der Dungeon Telepolis, 20. Oktober 2013, abgerufen am 21. Oktober 2013
  2. Mel Slater: Place Illusion and Plausibility Can Lead to Realistic Behaviour in Immersive Virtual Environment. Abgerufen am 8. Januar 2016 (PDF, englisch).
  3. Walking in Telepresence: Motion Compression, youtube.com, 28. November 2013, abgerufen am 10. Mai 2016
  4. Ausprobiert: Mit VR-Brille auf dem Kopf Achterbahn fahren, c't, 18. September 2015, abgerufen am 10. Mai 2016
  5. Virtual Reality: Mode oder Mega-Trend?, 19. Oktober 2016, abgerufen am 21. Dezember 2016
  6. Virtual Reality: Mode oder Mega-Trend?, 19. Oktober 2016, abgerufen am 21. Dezember 2016
  7. NBA Digital and NextVR to deliver one live game per week in virtual reality, 20. Oktober 2016, abgerufen am 21. Dezember 2016
  8. 6 Virtual Reality Devices From the Past vom 25. März 2015
  9. A look back at the doomed virtual reality boom of the 90s vom 28. Januar 2015
  10. Comparison of best VR headsets: Morpheus vs. Rift vs. Vive vom 14. August 2015