Virtual Reality und Augmented Reality

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Virtual Reality und Augmented Reality
Virtual Reality
und Augmented Reality
Virtuelle Realität (VR)
Prinzipien und Geräte
Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Goethe-Universität, Frankfurt
Graphische Datenverarbeitung
VORLESUNG
u
Einleitung
u
Anwendungen
u
Virtuelle Realität
u
Grundlagen: Digitales Bild
u
Grundlagen: Bildverarbeitung
u
Mixed Reality
u
Exkursion
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
2
SS 2002
Übersicht
u
Begriff „Virtuelle Realität“
u
Präsenz und Immersion
u
Ausgabegeräte
u
Eingabegeräte
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
3
SS 2002
Historie
u
50er Jahre: 180 Grad Kinos, erste Flugsimulatoren
u
1965: Sutherland‘s erste 3D Präsentation unter
Berücksichtigung der Körperstellung, erstes HeadMounted Display (HMD)
70er Jahre: 3D Tracking (Militärisch motiviert)
u
u
Ende 70er Jahre: 3D Hardware, Visualisierung für
medizinische Anwendungen
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Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
Historie
u
1984: W. Gibson: „Neuromancer“, Roman prägt den
Begriff „Cyberspace“
u
Mitte 80er: VR Forschung bei der NASA, Ziel der
Telepräsenz
u
1989: Data Glove ist marktreif
Begriff „Virtual Reality“ von Jaron Lanier
Anfang 90er: HMD ist marktreif
u
u
Mitte 90er: Ein-und Ausgabegeräte, 3D Graphik, Weitung
des Begriffs „VR“
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Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
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SS 2002
Begriff „VR“
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Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
Begriff „VR“
Unter dem Begriff der virtuellen Realität werden
Techniken verstanden, die es erlauben, einen
Menschen unmittelbar in eine Computergenerierte Welt zu integrieren. Als die MenschMaschine-Schnittstelle der Zukunft angesehen,
sprechen Techniken der virtuellen Realität
mehrere Sinne des Menschen zugleich an.
Astheimer et. al., 1994
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Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
Begriff „VR“
3D-Computergraphik
= nichtimmersive VR
u Rein visuelle Präsentation
auf Bildschirmen
u zeitunkritisch
u Statische oder
vorberechnete Szenen
u 2D Interaktion (Maus,
Tastatur)
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VR
= immersive VR
u Multimedial
u
u
u
Echtzeit-Präsentation
Echtzeitinteraktion- und
Simulation
3D Interaktion (z.B.
Körperbewegung)
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
VR zielt auf Immersion
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Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
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Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
Übersicht
u
Begriff „Virtuelle Realität“
u
Präsenz und Immersion
u
Ausgabegeräte
u
Eingabegeräte
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Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
Präsenz und Immersion
u
Immersion: Eintauchen in die virtuelle Welt
u
Präsenz: Gefühl der Anwesenheit in der virtuellen
Welt
u
Quantifizierung:
n
n
n
Subjektive Maße (z.B. Fragebögen)
Physiologische Maße (z.B. Pupillengröße)
Performanzmaße (z.B. Ausweichreaktion)
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Faktoren für Präsenz und Immersion (1)
u
u
u
u
u
u
u
u
Perspektive („First-Person-Perspective“)
Reichhaltigkeit
Multimodalität
Konsistenz (in VR, zwischen VR u. Realität)
Grad der Wahrnehmung von Bewegung
Grad der Kontrolle
Antizipation
Modifizierbarkeit der Umgebung
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Faktoren für Präsenz und Immersion (2)
u
Isolierung
u
Selektive Aufmerksamkeit
u
Transparenz des Interfaces (z.B. berührungslos)
u
Realismus
u
Bedeutsamkeit
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3. Virtual Reality
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SS 2002
AIP Würfel nach Zeltzer
u
Präsenz
u
Autonomie
n
n
u
Gering: passive Objekte
Hoch: Autonome Agenten
Interaktion
n
n
Gering: Deterministische Abfolge
Hoch: Alle Parameter in Echtzeit verändern
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3. Virtual Reality
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SS 2002
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SS 2002
AIP Würfel nach Zeltzer
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3. Virtual Reality
Designprinzipien
u
Navigation
n
n
Geschwindigkeit vs. Situationsbewußtsein
Beispiel von Modi
u
u
u
n
n
n
Automatisch
Manuell
Point-of-Interest
Kollision mit Objekten führt zu Desorientierung
Sprünge müssen nachvollziehbar sein
Zeitverzögerung gering (Echtzeitforderung)
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Designprinzipien
u
Manipulation
n
n
n
u
Hohe zeitliche und räumliche Auflösung
Feedback (evtl. auch auditiv oder haptisch)
Evtl. mehrere Sichten
Inspektion
n
n
Realistische Beleuchtung, Schatten
Simplifikation des betrachteten Objektes
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Designprinzipien
u
Training
n
n
n
n
Aktive, closed-loop Interaktion
Simplifikation
Anbieten von Karten
Abhängigkeit von Lernziel beachten (z.B.
Konzeptlernen vs. Lernen motorischer Fertigkeiten)
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Designprinzipien
u
Suchen
n
n
n
n
Egozentrische Sicht schwierig
Zusatzinformationen geben (z.B. 2D Karten)
Highlighting von Objekten
Zoomfunktionen vs. Level-Of-Detail
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Verteilte virtuelle Umgebungen
u
Engl. „Distributed / Networked Virtual
Environment“
u
Alle Anwender im selben virtuellen Raum
u
Echtzeitinteraktion der Anwender
u
Aktionen werden in Echtzeit wahrgenommen
u
Repräsentation der Teilnehmer durch Avatare
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Probleme
u
Latenz
n
n
u
u
Bandbreite
Verläßlichkeit
n
n
u
Entfernung
Physikalische Datenleitung
Verlust
Korruption
Netzwerkprotokolle
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Kommunikationsarchitekturen
u
Client-Server
n
n
u
Ein Server
Mehrere Server
Peer-to-Peer
n
n
n
Verwendung von Broadcasting/ Multicasting (im
Internet z. Zt. problematisch)
Area-of-Interest Verfahren
Bessere Skalierbarkeit, Ausfallsicherheit
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Zustandsverwaltung
u
Trade-Off: Konsistenz – Durchsatz
u
Alle Welten der einzelnen Benutzer identisch vs.
Änderungen werden schnell propagiert
u
Zentrale Informationshaltung
n
n
n
Kommunikationsoverhead
Bottleneck bei Zentrale
Langsamster Host bestimmt Gesamtperformanz
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Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
Zustandsverwaltung
u
Hochfrequente Informationsverteilung
n
n
u
Unsynchronisierte, verlustbehaftete Kommunikation
Lock-Manager, Ownership – Konzepte zur Wahrung
der Konsistenz
Zustandsvorhersage
n
n
n
Dead Reckoning
Objekt-spezifische Vorhersagen
High-level Animationen (z.B. Winken)
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Übersicht
u
Begriff „Virtuelle Realität“
u
Präsenz und Immersion
u
Ausgabegeräte
u
Eingabegeräte
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Ausgabegeräte für VR
u
u
Kathodenstrahlröhren
LC - TFT - Displays
(Liquid Cristal -Thin Film Transistor – Display)
u
Projektive Systeme
Wearable Systems und Head Mounted Displays
u
Stereosehen
u
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Kathodenstrahlröhre
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Bildröhren
u
Delta-Bildröhre
n
Strahlerzeugung und Leuchtstoffbeschichtung für RGB
in Delta-Anordnung
n
Zuordnung über Lochmaske
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Bildröhren
u
Trinitron-Bildröhre
n
n
n
Nur eine Strahlerzeugung mittels elektronischem
Prisma Sehr gute Fokussierung des Strahls möglich
Gleichmäßige Bildschärfe
Nur eine, in horizontaler Richtung zylindrisch
gekrümmte Gittermaske (statt Lochmaske)
u
u
30% höhere Transparenz, d.h. Bildhelligkeit
Flacher Bildschirm
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Bildröhren
u
Penetronbildröhre (kaum genutzt)
n
n
n
n
Leuchtstoffschichten übereinander
Ansteuerung durch unterschiedliche Energien der
R,G,B - Elektronenstrahlen
Keine Lochmaske notwendig
Hohe Auflösungen möglich
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Kenngrößen
u
Fluoreszenz
n
n
u
Lichtemission unmittelbar nach Anregung des
Leuchtphosphors
Rascher Anstieg der Leuchtdichte während der
Ansprechzeit
Phosphoreszenz
n
Lichtemission nach Stop der Elektronenanregung
(nimmt exponentiell zu)
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Persistenz
u
Persistenz gibt die Dauer der Phosphoreszenz an
u
Geringe Persistenz (ca. 100 ms) bei geringen
Bildwiederholfrequenzen
u
In der Computergraphik: höchstens 3ms
Persistenz
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3. Virtual Reality
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SS 2002
LC Displays
u
u
LC: Liquid Crystal (Flüssigkristall)
Flüssigkristalle sind organische Moleküle (1888
entdeckt)
n
n
n
Smekmatische LC:
schichtförmig ausgerichtet
Nematische LC:
fadenförmig ausgerichtet
Cholesterinische LC:
Richtung ändert sich wellenförmig
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3. Virtual Reality
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SS 2002
LC Displays
u
u
u
Anlegen einer Spannung bewirkt Ausrichtung der
Moleküle
Polarisiertes Licht kann je nach Ausrichtung
passieren oder wird zurückgehalten
Verwendung von TFT (Thin-Film-Transistor)
Transistoren zur Ansteuerung von LC-Zellen
(TFT Display)
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SS 2002
Elektroluminiszenz-Display
u
Aufbau einer EL-Zelle mittels Luminiszenzschicht
(ab einem bestimmten Schwellwert steigt
Stromfluss lawinenartig, Lichtemission)
u
Ansteuerung der EL-Zellen analog zum TFTDisplay
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Vergleich
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Kategorien von Ausgabegeräten
u
Bildschirme
u
Projektive Systeme
n
n
u
Aufprojektion
Rückprojektion
Wearable Systeme
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Laserprojektionssystem
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3. Virtual Reality
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40
SS 2002
Dome
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3. Virtual Reality
Wearable Displays, Micro-Displays
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Dr. Ralf Dörner
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Head-Mounted Displays
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Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
Head-Mounted Display
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
43
SS 2002
Head-Mounted Display
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Head-Mounted Display
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
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3. Virtual Reality
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SS 2002
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SS 2002
Brillen-Displays
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3. Virtual Reality
Brillen-Displays
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Stereosehen (Prinzip)
u
u
Spezielle Ausgabegeräte, die binokulares Sehen
ermöglichen
Binokulare Tiefenwahrnehmung
n
Ca. 10% der Bevölkerung haben keine!
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Parallaxe
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Tiefen- und Raumwahrnehmung
Übersicht der Einzelfaktoren
Binokulare Faktoren
Konvergenz
Binokulare
Disparität
Monokulare Faktoren
Bewegungsfaktoren
Bildliche
Faktoren
Bewegungs- Kinetische
paralaxe
Faktoren
Relative Größe Schattenwurf Orientierung Texturgradient
Verdeckung
Schattierung
Elevation
Athmosphärische Perspektive
Farbe Lineare Perspektive
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SS 2002
Übung
1. In der Ebene sei eine perspektivische Transformation durch Augpunkt
A = (-5,0), Projektionsgerade y=0 und Fluchtpunkt F = (5,0) gegeben,
sowie ein Quadrat der Seitenlänge 4 mit linken, unterem
Eckpunkt P(-2, 2).
a) Konstruieren Sie zeichnerisch das perspektivisch transformierte Quadrat
b) Überprüfen Sie das Ergebnis aus durch Rechnung
2. Sind zwei 2D Punkte P und Q in homogenen Koordinaten gegeben, so
ist das Vektorprodukt (P x Q) der Normalenvektor N, woraus sich die
homogene Geradengleichung der Gerade durch P und Q als das
Skalarprodukt NT X = 0 ergibt. Ermitteln Sie die Gleichung einer
Gerade durch eine Kante des in der Aufgabe beschriebenen Quadrats
und transformieren Sie diese Gerade mit der gegebenen
perspektivischen Transformation! Welchen Satz über die
Transformation von Normalen machen Sie sich dabei zu Nutze?
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Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
Übung
3. Errechnen Sie jetzt zwei stereosskopische Bilder (einen weiteren Augpunkt
geeignet positionieren). Berechnen und skizzieren Sie das projektive Bild.
Unter welchen Bedingungen stellt sich positive Parallaxe ein? Wann
negative?
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Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
Trennen des
linken und rechten Stereobildes
u
räumliche Anordnung vor dem Auge (ortsmultiplex) Ł 2
Displays
n Helm
n Brille
u
zeitlich (zeitmultiplex)
Ł 1 Display zeigt linkes + rechtes Bild nacheinander
Ł Doppelte Refreshfrequenz
Ł Trennung vor den Augen nötig (AKTIV)
u
optisch
Ł Polarisation oder rot/grün bzw. blau/gelb Brillen
2 Displays
1 Display
aber eine Projektionsfläche
Ł Trennung erfolgt PASSIV
möglich
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Dr. Ralf Dörner
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Shutter-Brille
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Dr. Ralf Dörner
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3. Virtual Reality
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SS 2002
Shutter-Brille
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
Passiv-Stereo Rück-Projektion
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
56
SS 2002
Stereoskopische Displays
u
Verwendung eines aktiven Hilfsmittels
(z.B. Shutter-Brille)
u
Verwendung eines passiven Hilfsmittels
(z.B. Brille mit Polarisations- oder Rot-Grün Folien)
u
Verwendung keines vom Benutzer getragenen
Hilfsmittels: Autostereoskopie
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Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
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SS 2002
Linsenraster-Displays
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
Linsenraster-Displays
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
60
SS 2002
Parallax-Barrieren-Display
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Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
Parallax-Barrieren-Display
u
u
Schnelles Verschieben des Schlitzgitters
(Erzeugung von n Teilbildspaltenpaaren pro
Sekunde bei n Hz Bildwiederholfrequenz)
Typische Größen:
n
n
n
n
n
10 Bilder je 128x128 Pixel
Bildgröße: 105 x 100 mm
Betrachtungsabstand: mind. 30 cm
Betrachtungswinkel +/- 15 Grad
Bildfrequenz: 575 Hz
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Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
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SS 2002
Schwingspiegel - Display
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Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
Volumetrisches 3D Display
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
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SS 2002
Volumetrisches 3D Display
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
Holographie
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
65
SS 2002
66
SS 2002
Holographie
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
Holographie
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
Übersicht
u
Begriff „Virtuelle Realität“
u
Präsenz und Immersion
u
Ausgabegeräte
u
Eingabegeräte
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Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
68
SS 2002
Daten-Handschuh
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Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
70
SS 2002
Daten-Handschuh
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
Cyber-Grasp
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
71
SS 2002
Phantom
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
72
SS 2002
3D Scanner
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
74
SS 2002
Spacemouse
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
Weitere Eingabegeräte
u
u
u
u
u
u
u
Joystick
Rollkugel
Data-Suit
Lightpen
Datentablett
Tracker
...
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
3D Tracking
u
u
u
u
u
u
u
Klassische
Mechanische
Elektromagnetische
Akustische
Optische (LED, Video)
Radiowellenbasierende
Trägheitsbasierende
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Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
76
SS 2002
Häufigste 3D Tracker
u
Mechanische Tracker
n
n
u
Elektromagnetische Tracker
n
n
u
Hohe Genauigkeit
Störung im Bewegungsbereich / in der Freiheit
Schnelle Positionsbestimmung
Geringe Verzögerung
Optische Tracker
n
n
Schnelle Positionsbestimmung
Meßfehler durch Lichteinfall
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Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
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SS 2002
VR-Installationen
u
Kombinationen von
n
Eingabegeräten
n
Ausgabegeräten
n
Trackern
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
78
SS 2002
Sichtsysteme
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
79
SS 2002
80
SS 2002
Sichtsysteme
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
BOOM
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
81
SS 2002
BOOM
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
82
SS 2002
Virtual Table
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
83
SS 2002
Virtual Table
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
84
SS 2002
Virtual Table
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
85
SS 2002
Responsive Workbench
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
86
SS 2002
Virtual Glovebox
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
87
SS 2002
CAVE
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
88
SS 2002
CAVE
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
89
SS 2002
90
SS 2002
CAVE
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
CAVE
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
91
SS 2002
CAVE
© Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Dr. Ralf Dörner
Virtual Reality und Augmented Reality
3. Virtual Reality
92
SS 2002