Virtual und Augmented Reality (VR/AR): Grundlagen und Methoden der Virtuellen und Augmentierten Realität
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| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Berlin [u.a.]
Springer Vieweg
2013
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| Series: | eXamen.press
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INHALTSVERZEICHNIS
1 EINLEITUNG 1
RALF DOERNER, BERNHARD
JUNG, PAUL GRIMM,
WOLFGANG BROLL UND MARTIN
GOEBEL
1.1 WORUM GEHT ES BEI VR/AR? 1
1.1.1 DIE PERFEKTE VIRTUELLE
REALITAET 2
1.1.2 DIE SIMULATION
DER WELT 5
1.1.3 SUSPENSION OFDISBELIEF 7
1.1.4 MOTIVATION ; 8
1.2 WAS IST VR? 12
1.2.1 TECHNOLOGIEORIENTIERTE CHARAKTERISIERUNGEN DER VR 12
1.2.2 VR ALS INNOVATIVE
FORM DER MENSCH-MASCHINE INTERAKTION 15
1.2.3 MENTALE ASPEKTE DER
VR-ERFAHRUNG 17
1.3 HISTORISCHE ENTWICKLUNG
DER VR 19
1.4 VR/AR-SYSTEME 21
1.5 BENUTZUNG DES
BUCHES 25
1.5.1 AUFBAU DES BUCHES 25
1.5.2 BENUTZUNGSANLEITUNG 26
1.5.3 ZIELGRUPPEN DES BUCHES 26
LEHRENDE IM BEREICH VR/AR 27
STUDIERENDE 28
ANWENDER ODER SOLCHE,
DIE ES WERDEN WOLLEN 28
TECHNOLOGIEAFIINE 29
1.6 ZUSAMMENFASSUNG UND FRAGEN 29
LITERATUREMPFEHLUNGEN 30
LITERATUR 31
2 WAHRNEHMUNGSASPEKTE VON VR 33
RALF DOERNER UND FRANK STEINICKE
2.1 MENSCHLICHE INFORMATIONSVERARBEITUNG 33
2.2 VISUELLE WAHRNEHMUNG 35
2.2.1 STEREOSEHEN 36
2.2.2 RAUMWAHRNEHMUNG 39
VII
HTTP://D-NB.INFO/1044792248
VIII
INHALTSVERZEICHNIS
2.3 MULTISENSORISCHE WAHRNEHMUNG 43
2.3.1 AUDITIVE WAHRNEHMUNG 43
2.3.2 HAPTISCHE WAHRNEHMUNG 44
2.3.3 PROPRIOZEPTION UND KINAESTHESIE 44
2.3.4 BEWEGUNGSWAHRNEHMUNG 45
2.3.5 PRAESENZ UND IMMERSION 46
2.4 PHAENOMENE, PROBLEME, LOESUNGEN 46
2.4.1 ABWEICHENDE BETRACHTUNGSPARAMETER 47
2.4.2 DOPPELBILDER 48
2.4.3 FRAME CANCELLATION 50
2.4.4 VERGENCE-FOCUS-KONFLIKT 51
2.4.5 DISKREPANZEN IN DER RAUMWAHRNEHMUNG 52
2.4.6 DISKREPANZEN IN DER BEWEGUNGSWAHRNEHMUNG 55
2.4.7 CYBERSICKNESS 56
2.5 NUTZUNG VON WAHRNEHMUNGSASPEKTEN 57
2.5.1 SALIENZ 57
2.5.2 NUTZERFUHRUNG 60
2.6 ZUSAMMENFASSUNG UND FRAGEN 60
LITERATUREMPFEHLUNGEN 61
LITERATUR 61
\ *
3 VIRTUELLE WELTEN 65
BERNHARD JUNG UND ARND VITZTHUM
3.1 EINFUHRUNG 66
3.1.1 VORUEBERLEGUNG: ANFORDERUNGEN AN VIRTUELLE WELTEN 66
3.1.2 ERSTELLEN DER 3D-OBJEKTE 67
3.1.3 AUFBEREITUNG DER 3D-OBJEKTE
FUER VRVAR 67
3.1.4 INTEGRATION DER 3D-OBJEKTE IN VR/AR-LAUFZEITUMGEBUNGEN 68
3.2 SZENENGRAPHEN 68
3.3 3D OBJEKTE 71
3.3.1 OBERFLAECHENMODELLE 72
POLYGONBASIERTE REPRAESENTATIONEN 72
POLYGONE 72
POLYGONNETZE (POLYGON MESHES) 72
TRIANGLE STRIPS 73
3.3.2 FESTKOERPERMODELLE 74
BOUNDARY REPRESENTATION (B-REPS) 74
PRIMITIVE INSTANCING 75
3.3.3 ERSCHEINUNGSBILD 75
MATERIALIEN 75
TEXTUREN 76
SHADER 77
INHALTSVERZEICHNIS
IX
3.3.4 OPTIMIERUNGSTECHNIKEN FUER 3D-OBJEKTE 77
VEREINFACHUNG VON
POLYGONNETZEN 78
DARSTELLUNG UNTERSCHIEDLICHER DETAILGRADE 78
TEXTURE BAKING 78
BILLBOARDS 79
3.4 ANIMATION UND OBJEKTVERHALTEN 80
3.4.1 KEYFRAME-ANIMATION 80
3.4.2 PHYSIKBASIERTE ANIMATION STARRER KOERPER 80
3.4.3 OBJEKTVERHALTEN 82
3.4.4 VERHALTEN UND ANIMATION IN SZENENGRAPHEN 83
3.5 BELEUCHTUNG, SOUND
UND HINTERGRUENDE 83
3.5.1 BELEUCHTUNG 84
3.5.2 SOUND 84
3.5.3 HINTERGRUENDE 86
3.6 SPEZIALSYSTEME 86
3.6.1 VIRTUELLE MENSCHEN 86
3.6.2 PARTIKELSYSTEME 88
3.6.3 GELAENDE 90
3.6.4 VEGETATION 91
3.7 ZUSAMMENFASSUNG UND FRAGEN 93
LITERATUREMPFEHLUNGEN 94
LITERATUR 94
4 VR-EINGABEGERAETE 97
PAUL GRIMM,
RIGO HEROLD, JOHANNES HUMMEL
UND WOLFGANG BROLL
4.1 GRUNDLAGEN 98
4.1.1 ANZAHL DER FREIHEITSGRADE
PRO VERFOLGTEM KOERPER 100
4.1.2 ANZAHL DER
GLEICHZEITIG VERFOLGTEN KOERPER 100
4.1.3 GROESSE DER UEBERWACHTEN FLAECHE BZW. DES
UEBERWACHTEN VOLUMENS . 100
4.1.4 GENAUIGKEIT 101
4.1.5 WIEDERHOLRATE 101
4.1.6 LATENZ 102
4.1.7 DRIFT 102
4.1.8 EMPFINDLICHKEIT GEGENUEBER AEUSSEREN RAHMENBEDINGUNGEN 103
4.1.9 KALIBRIERUNG 103
4.1.10 USABILITY 103
4.2 OPTISCHES TRACKING 104
4.2.1 MARKENBASIERTE VERFAHREN 104
4.2.2 MARKENLOSE VERFAHREN 107
4.2.3 OUTSIDE-IN-VERFAHREN 107
4.2.4 INSIDE-OUT-VERFAHREN 109
4.2.5 VERGLEICH DER OPTISCHEN
TRACKING-SYSTEME 109
X INHALTSVERZEICHNIS
4.3 WEITERE EINGABEGERAETE 110
4.3.1 3D-MOUSE 110
4.3.2 MECHANISCHE EINGABEGERAETE 110
4.3.3 AKUSTISCHES TRACKING 111
4.3.4 ELEKTROMAGNETISCHES TRACKING 112
4.3.5 INERTIAL-TRACKER 112
4.3.6 BEWEGUNGSPLATTFORMEN 113
4.4 FINGER-TRACKING 114
4.5 EYE-TRACKING 117
4.5.1 BEWEGUNGSABLAEUFE DES
AUGES 117
4.5.2 VERFAHREN 117
4.5.3 FUNKTIONSWEISE EINES
EYE-TRACKERS 120
4.5.4 KALIBRIERUNG 121
4.5.5 EYE-TRACKING IN HEAD-MOUNTED DISPLAYS 122
4.5.6 REMOTE-EYETRACKER 123
4.6 ZUSAMMENFASSIMG UND
FRAGEN 124
LITERATUREMPFEHLUNGEN * 124
LITERATUR 125
5 VR-AUSGABEGERAETE 127
PAUL GRIMM,
RIGO HEROLD, DIRK
REINERS UND CAROLINA
CRUZ-NEIRA
5.1 VISUELLE AUSGABE 129
5.1.1 VERWENDETE TECHNOLOGIEN 129
5.1.2 RAEUMLICHE DARSTELLUNG 129
5.1.3 AUFBAU VON DISPLAYSYSTEMEN MIT
MEHREREN DISPLAYS 132
5.2 AUSGABE UEBER TILED DISPLAYS 134
5.2.1 GEOMETRISCHE KALIBRATION 137
5.2.2 HELLIGKEITSUNIFORMITAET 138
5.2.3 FARBUNIFORMITAET 141
5.2.4 HARD- UND SOFTWARE
FUER DIE BILDERZEUGUNG 141
5.2.5 FAZIT 142
5.3 HEAD-MOUNTED DISPLAYS 142
5.3.1 ALLGEMEINE KENNGROESSEN UND EIGENSCHAFTEN 142
5.3.2 DIREKTSICHT-HMDS 147
5.3.3 VIDEO-HMDS 149
5.3.4 SEE-THROUGH-HMDS 150
5.3.5 INTERAKTIVE HMDS 151
5.4 AKUSTISCHE AUSGABEGERAETE 154
5.5 HAPTISCHE AUSGABEGERAETE 154
5.6 ZUSAMMENFASSUNG UND FRAGEN 155
LITERATUREMPFEHLUNGEN 156
LITERATUR 156
INHALTSVERZEICHNIS XI
6 INTERAKTIONEN IN VIRTUELLEN WELTEN 157
RALF DOERNER, CHRISTIAN
GEIGER, LEIF OPPERMANN UND VOLKER PAELKE
6.1 GRUNDLAGEN AUS
DER MENSCH-COMPUTER-INTERAKTION 158
6.2 SELEKTION 160
6.2.1 ZEIGEN IN VIRTUELLEN
WELTEN 160
6.2.2 INTERAKTIONSGESTALTUNG 162
6.2.3 BEISPIELE FUER
SELEKTIONSTECHNIKEN 164
6.3 MANIPULATION VON
OBJEKTEN 165
6.4 NAVIGATION 168
6.4.1 STEUERUNGSTECHNIKEN ZUR BEWEGUNGSKONTROLLE 170
6.4.2 WALKING ALS
TECHNIK ZUR BEWEGUNGSKONTROLLE 171
6.4.3 LEANING-BASED INTERFACES ZUR
BEWEGUNGSKONTROLLE 173
6.4.4 ROUTENPLAN-UND ZIELBASIERTE BEWEGUNGSTECHNIKEN 175
6.4.5 ENTWURFSKRITERIEN FUER NAVIGATIONSTECHNIKEN 176
6.5 SYSTEMSTEUERUNG 176
6.6 PROZESSE FUER DESIGN UND
REALISIERUNG VON
VR-INTERAKTION 178
6.6.1 BESONDERHEITEN VON VR-BENUTZUNGSSCHNITTSTELLEN 179
6.6.2 NUTZERORIENTIERTE ENTWICKLUNG VON VR-INTERAKTIONEN 180
6.7 NUTZERTESTS 183
6.8 ZUSAMMENFASSUNG UND FRAGEN 190
LITERATUREMPFEHLUNGEN 191
LITERATUR 192
7 ECHTZEITASPEKTE VON VR-SY
STEMEN 195
MATHIAS BUHR, THIES
PFEIFFER, DIRK REINERS,
CAROLINA CRUZ-NEIRA
UND BERNHARD JUNG
7.1 LATENZ IN VR-SYSTEMEN 195
7.1.1 WELCHE ANFORDERUNGEN AN LATENZ
GIBT ES? 197
7.1.2 WO ENTSTEHEN
EIGENTLICH LATENZEN? 198
7.1.3 IST DIE
LATENZ IN EINEM VR-SYSTEM KONSTANT? 200
7.1.4 WELCHE ANSAETZE ZUR
LATENZBESTIMMUNG GIBT
ES? 200
LATENZBESTIMMUNG DURCH BERECHNUNG 200
BESTIMMUNG DER LATENZ VON TRACKING-SYSTEMEN 203
BESTIMMUNG DER ENDE-ZU-ENDE-LATENZ 205
7.1.5 ZUSAMMENFASSUNG LATENZ 205
7.2 EFFIZIENTE KOLLISIONSERKENNUNG IN VIRTUELLEN WELTEN 206
7.2.1 HUELLKOERPER 207
AXIS-ALIGNED BOUNDING BOX
(AABB) 209
BOUNDING SPHERES 210
ORIENTED BOUNDING BOXES (OBBS) 210
DISCRETE-ORIENTED POLYTOPE (K-DOPS) 212
XII INHALTSVERZEICHNIS
7.2.2 TECHNIKEN ZUR STRUKTURBILDUNG 213
BOUNDING VOLUME HIERARCHIES 213
RAUMZERLEGUNG UND BINARY
SPACE-PARTITIONING-TREES 214
7.2.3 KOLLISIONSERKENNUNG FUER
GROSSE UMGEBUNGEN 218
BROAD PHASE COLLISION DETECTION 218
NARROW PHASE COLLISION
DETECTION 220
7.2.4 ZUSAMMENFASSUNG UND WEITERGEHENDE TECHNIKEN 222
7.3 ECHTZEIT-RENDERING VIRTUELLER
WELTEN 223
7.3.1 ALGORITHMISCHE STRATEGIEN 224
VIEW VOLUME CULLING 224
HIERARCHICAL VIEW
VOLUME CULLING 226
OCCLUSION CULLING 226
BACKFACE CULLING 228
SMALL FEATURE CULLING 228
PORTAL CULLING 228
LEVEL OF DETAIL 229
7.3.2 HARDWAREBEZOGENE STRATEGIEN 230
OBJEKTGROESSE 231
INDIZIERUNG 231
CACHING 232
STRIPPING 233
MINIMIERUNG VON ZUSTANDSWECHSELN 234
7.3.3 SOFTWARESYSTEME FUER
DIE DARSTELLUNG VIRTUELLER
WELTEN 235
SZENENGRAPHEN 236
7.4 ZUSAMMENFASSUNG UND FRAGEN 237
LITERATUREMPFEHLUNGEN 238
LITERATUR 238
8 AUGMENTIERTE REALITAET 241
WOLFGANG BROLL
8.1 EINFUHRUNG 241
8.1.1 UEBERSICHT 241
VIDEOAUFHAHME 242
TRACKING 242
REGISTRIERUNG 243
DARSTELLUNG 243
AUSGABE 243
8.1.2 DEFINITION 245
8.1.3 GRUNDLEGENDE AUSPRAEGUNGEN VON AR 247
VIDEO SEE-THROUGH-AR 248
OPTISCHES SEE-THROUGH-AR 248
PROJEKTIONSBASIERTE AR 249
VERGLEICH DER UNTERSCHIEDLICHEN
AUSPRAEGUNGEN VON AR 250
INHALTSVERZEICHNIS XIII
8.2 TRACKING 252
8.2.1 MOBILES POSITIONS-TRACKING 253
8.2.2 SENSORBASIERTES MOBILES ORIENTIERUNGS-TRACKING 255
8.2.3 KAMERABASIERTES TRACKING
MIT MARKEN 256
EINSATZ DES MARKEN-TRACKINGS 256
GRUNDLEGENDE FUNKTIONSWEISE 257
INTRINSISCHE UND EXTRINSISCHE KAMERAPARAMETER 259
8.2.4 MERKMALSBASIERTE TRACKING-VERFAHREN 261
GEOMETRIEBASIERTES TRACKING 261
WEITERE MERKMALSBASIERTE TRACKING-VERFAHREN 261
8.2.5 HYBRIDE TRACKING-TECHNIKEN 263
8.3 REGISTRIERUNG 264
8.3.1 GEOMETRISCHE REGISTRIERUNG 264
8.3.2 PHOTOMETRISCHE REGISTRIERUNG 268
8.4 VISUELLE AUSGABE 270
8.4.1 HANDHELD-GERAETE 271
8.4.2 VIDEO.-SEE-THROUGH-DISPLAYS 271
8.4.3 OPTISCHE SEE-THROUGH-DISPLAYS 273
OPTISCHE
SEE-THROUGH-DISPLAYS MIT
SEMI-TRANSPARENTEN SPIEGELN . 274
PRISMENBASIERTE OPTISCHE SEE-THROUGH-DISPLAYS 275
RETINALE DATENBRILLEN 275
SEE-THROUGH-DISPLAYS MIT
INTEGRIERTEN OPTISCHEN ELEMENTEN 276
AUSWIRKUNGEN UNTERSCHIEDLICHER BAUWEISEN 278
AUSWIRKUNGEN UNTERSCHIEDLICHER DISPLAYKONFIGURATIONEN AUF
DIE
TIEFENWAHRNEHMUNG 281
8.4.4 PROJEKTIONSBASIERTE AUSGABE 281
8.5 SPEZIELLE AR-TECHNIKEN 282
8.5.1 HEAD-UP-INHALTE 283
8.5.2 VERDECKUNGEN UND PHANTOMOBJEKTE 283
8.5.3 UEBERBLENDEN VON MARKEN 285
8.5.4 VIRTUELLE LOECHER 285
8.6 SPEZIELLE AR-INTERAKTIONSTECHNIKEN 285
8.6.1 INTERAKTION DURCH NAVIGATION 286
8.6.2 SELEKTION DURCH BLICKRICHTUNG 287
8.6.3 TANGIBLE USER INTERFACES 287
8.7 APPLIKATIONEN 288
TRAINING UND WARTUNG 288
FERNSEHUEBERTRAGUNGEN 289
MILITAERISCHE APPLIKATIONEN 289
LEHRE, (AUS-) BILDUNG UND MUSEEN 289
ARCHITEKTUR UND STAEDTEPLANUNG 290
MEDIZIN 290
INFORMATION, NAVIGATION UND TOURISMUS 290
XIV
INHALTSVERZEICHNIS
ARCHAEOLOGIE UND GESCHICHTE 290
SPIELE UND UNTERHALTUNG 291
8.8 ZUSAMMENFASSUNG UND FRAGEN 291
MAGIC LENS 292
TRACKING 292 *
REGISTRIERUNG 292
DISPLAYS *. 292
TANGIBLE INTERFACES 292
PHANTOMOBJEKTE 292
LITERATUREMPFEHLUNGEN 293
LITERATUR 293
9 FALLBEISPIELE FUER VR/AR 295
RALF DOERNER, GEERT
MATTHYS, MANFRED BOGEN,
STEFAN RILLING,
ANDREAS GERNDT, JANKI DODIYA, KATHARINA
HERTKORN, THOMAS HULIN,
JOHANNES HUMMEL, MIKEL
SAGARDIA, ROBIN WOLFF,
TOM KUEHNERT,
GUIDO BRUNNETT, HAGEN BUCHHOLZ, LISA
BLUM, CHRISTOFFER MENK,
CHRISTIAN BADE, WERNER
SCHREIBER, MATTHIAS GREINER,
THOMAS ALEXANDER,
MICHAEL KLEIBER, GERD
BRUDER UND FRANK STEINICKE
9.1 EINFUHRUNG UND UEBERSICHT 295
9.2 DIE AIXCAVE
AN DER RWTH AACHEN UNIVERSITY 297
9.3 VIRTUELLE REALITAET IN DER OEL- UND GASINDUSTRIE 300
9.4 VIRTUELLE SATELLITENREPARATUR
IM ORBIT 303
9.5 VIRTUAL PROTOTYPING
VON SCHUHEN UND STIEFELN 306
9.6 AUGMENTIERTE REALITAET ZUM ANFASSEN 310
9.7 AUGMENTIERTE REALITAET UNTER WASSER 311
9.8 EINSATZ VON
SPATIAL AUGMENTED REALITY
IN DER AUTOMOBILINDUSTRIE 313
9.9 EINSATZ VON AUGMENTED
REALITY IN DER FERTIGUNGSPLANUNG 316
9.10 AUGMENTIERTE REALITAET UND PRINT 318
9.11 BENUTZERZENTRIERTE GESTALTUNG EINES AR-BASIERTEN
SYSTEMS ZUR
TELEMAINTENANCE 320
9.12 EFFEKTE VON RENDERING-PARAMETERN
AUF DIE WAHRNEHMUNG VON GROESSEN
UND DISTANZEN 322
LITERATUR 324
10 MATHEMATISCHE GRUNDLAGEN VON VR/AR 327
RALF DOERNER
10.1 VEKTORRAEUME 327
10.2 GEOMETRIE UND VEKTORRAEUME 329
10.3 DER AFFINE RAUM 330
10.4 DER EUKLIDISCHE RAUM 331
10.5 ANALYTISCHE GEOMETRIE
IM K
3
333
INHALTSVERZEICHNIS XV
10.6 MATRIZEN 334
10.7 AFFINE ABBILDUNGEN UND
WECHSEL VON KOORDINATENSYSTEMEN 335
10.8 BESTIMMUNG VON
TRANSFORMATIONSMATRIZEN 337
UEBER DIE
AUTOREN 339
SACHVERZEICHNIS 345
Das umfassende Lehrbuch bietet Studierenden eine anschauliche Begleit- und Nachschlaglektüre
zu Lehrveranstaltungen, die Virtual
Reality /Augmented Reality (VR/AR)
thematisieren, z.B. im
Bereich Informatik, Medien oder Natur- und Ingenieurwissenschaften. Der
modulare
Aufbau des
Buches gestattet es, sowohl die Reihenfolge derThemen den Anforderungen der jeweiligen
Unterrichtseinheit anzupassen als auch eine spezifische Auswahl für ein individuelles Selbststudium
zu treffen. Die Leser erhalten die Grundlagen, um selbst VR/AR-Systeme zu realisieren oder zu
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vertieftes Verständnis für die Nutzung von VR/AR zu entwickeln. Neben einem theoretischen
Fundament vermittelt das Lehrbuch praxisnahe Inhalte. So erhalten auch potenzielle Anwender in
Forschung und Industrie einen wertvollen und hinreichend tiefen Einblick in die faszinierenden
Welten von VR /AR sowie ihre Möglichkeiten und Grenzen. |
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