Virtual und Augmented Reality (VR/AR): Grundlagen und Methoden der Virtuellen und Augmentierten Realität
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin, Germany
Springer Vieweg
[2019]
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| Ausgabe: | 2., erweiterte und aktualisierte Auflage |
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| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XV, 455 Seiten Illustrationen, Diagramme (farbig) 24 cm |
| ISBN: | 9783662588604 3662588609 |
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Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in Virtual und Augmented Reality. Ralf Dömer, Wolfgang Broll, Bernhard Jung, Paul Grimm und Martin Göbel 1.1 Worum geht es bei VR/AR?. 1.1.1 Die perfekte Virtuelle Realität. . 1.1.2 Die Simulation der Welt. 1.1.3 Suspension of Disbelief. 1.1.4 Motivation. 1.2 Was ist VR?. 1.2.1 Technologieorientierte Charakterisierungen der VR. 1.2.2 VR als innovative Form der Mensch-Maschine Interaktion. 1.2.3 Mentale Aspekte der VR-Erfahrung. 1.3 Was ist AR?. 1.4 Historische Entwicklung von VR und AR. . 1.5 VR-Systeme. 1.6 AR-Systeme. 1.7 Nutzung des Buches. 1.7.1 Aufbau des Buches. 1.7.2 Benutzungsanleitung. 1.7.3 Zielgruppen des Buches. 1.8 Zusammenfassung und
Fragen. Literaturempfehlungen. Literatur. 1 2 2 6 8 9 12 13 15 18 20 26 29 32 34 34 35 36 39 40 41 IX
X 2 3 Inhaltsverzeichnis Wahrnehmungsaspekte von VR. Ralf Dömer und Frank Steinicke 2.1 Menschliche Informationsverarbeitung. 2.2 Visuelle Wahrnehmung. . . . 2.2.1 Stereosehen . 2.2.2 Raumwahrnehmung. 2.3 Multisensorische Wahrnehmung. 2.3.1 Auditive Wahrnehmung. 2.3.2 Haptische Wahrnehmung. 2.3.3 Propriozeption und Kinästhesie. 2.3.4 Bewegungswahrnehmung . 2.3.5 Präsenz und Immersion . . . 2.4 Phänomene, Probleme, Lösungen. 2.4.1 Abweichende Betrachtungsparameter. 2.4.2 Doppelbilder. і. 2.4.3 Frame Cancellation. . 2.4.4 Vergence-Focus-Konflikt. 2.4.5 Diskrepanzen in der Raumwahmehmung . . 2.4.6 Diskrepanzen in der Bewegungswahmehmung. 2.4.7 Cybersickness. 2.4.8 Problem der vertikalen Parallaxe. 2.5 Nutzung von Wahmehmungsaspekten. . 2.5.1 Salienz. 2.5.2 Nutzerführung . 2.6 Zusammenfassung und Fragen.
Literaturempfehlungen. . . . . Literatur. . . . 43 Virtuelle Welten. . . Bernhard Jung und Amd Vitzthum 3.1 Einführung. 3.2 Szenengraphen. 3.3 3D-Objekte. 3.3.1 Oberflächenmodelle. 3.3.2 Festkörpermodelle. 3.3.3 Erscheinungsbild. 3.3.4 Optimierungstechniken für 3D-Objekte. 3.4 Animation und Objektverhalten. 3.4.1 Keyframe-Animation. 3.4.2 Physikbasierte Animation starrer Körper. 3.4.3 Objektverhalten. 3.4.4 Verhalten und Animation in Szenengraphen. 79 44 46 46 49 53 53 54 55 55 56 57 57 59 61 62 63 66 67 70 71 72 74 75 76 76 80 83 86 86 89 90 95 97 97 98 100 101
Inhaltsverzeichnis XI 3.5 Beleuchtung, Sound und Hintergründe _._ _ _ 101 3.5.1 Beleuchtung. .'.102 3.5.2 Sound. 103 3.5.3 Hintergründe. 104 3.6 Spezialsysteme. 105 3.6.1 Virtuelle Menschen. 105 3.6.2 Partikelsysteme. 107 3.6.3 Gelände . 109 3.6.4 Vegetation. .·;. 111 3.7 Zusammenfassung und Fragen. . . . 112 Literaturempfehlungen. . . . . I. . 114 Literatur. 114 4 VR/AR-Eingabegeräte und Tracking . . . 117 Paul Grimm, Wolfgang Broll, Rigo Herold und Johannes Hummel 4.1 Grundlagen. .7.7. . 118 4.2 Trackingverfahren . . 124 4.2.1 Akustisches Tracking.7. 125 4.2.2 Magnetfeldbasiertes Tracking . 125 4.2.3 Inertial-Tracker. 126 4.2.4 Laser-Tracking. 127 4.2.5 Positions-Tracking im Außenbereich. 128 4.3
Kamerabasiertes Tracking . . 130 4.3.1 Markenbasierte Verfahren . . 1. 131 4.3.2 Tracking mit Schwarzweißmarken._ _ _. 135 4.3.3 Merkmalsbasierte Tracking-Verfahren. 140 4.3.4 Visual SLAM-Verfahren . . 143 4.3.5 Hybride Tracking-Techniken. 144 4.4 Finger-Tracking. 145 4.5 Eye-Tracking . 149 4.5.1 Bewegungsabläufe des Auges. 149 4.5.2 Verfahren. 149 4.5.3 Funktionsweise eines Eye-Trackers. . 152 4.5.4 Kalibrierung. 152 4.5.5 Eye-Tracking in Head-Mounted Displays. 155 4.5.6 Remote-Eye-Tracker. 156 4.6 Weitere Eingabegeräte. . 156 4.6.1 3D-Mouse. 156 4.6.2 Mechanische Eingabegeräte. 157 4.6.3 Bewegungsplattformen. 158 4.7 Zusammenfassung und Fragen. 159 Literaturempfehlungen. 160 Literatur. 160
XII 5 6 Inhaltsverzeichnis VR/AR-Ausgabegeräte. . Paul Grimm, Wolfgang Broll, Rigo Herold, Dirk Reiners und Carolina Cruz-Neira 5.1 Grundlagen visueller Ausgabe. 5.2 Head-Mounted-Displays (HMDs). 5.2.1 VR-Brillen. 5.2.2 AR-Brillen. 5.2.3 Allgemeine Kenngrößen und Eigenschaften von HMDs. 5.2.4 Spezielle HMDs. . 5.3 Stationäre VR-Systeme. 5.3.1 Einseitige Displays. 5.3.2 Mehrseitige Displays. 5.3.3 Gekachelte Displays. 5.3.4 Verfahren zur Stereoausgabe. 5.4 Akustische Ausgabegeräte. 5.5 Haptische Ausgabegeräte. 5.6 Zusammenfassung und Fragen. Literaturempfehlungen. Literatur. Interaktionen in Virtuellen Welten. Ralf Dömer, Christian Geiger, Leif Oppermann, Volker Paelke und Steffi Beckhaus 6.1. Grundlagen aus der Mensch-Computer-Interaktion. 6.2 Systemsteuerung.
. 6.3 Selektion. 6.3.1 Zeigen in Virtuellen Welten. . 6.3.2 Interaktionsgestaltung . 6.3.3 Beispiele für Selektionstechniken. 6.4 Manipulation von Objekten. 6.5 Navigation. 6.5.1 Steuerungstechniken zur Bewegungskontrolle. 6.5.2 Walking - Technik zur natürlichen Bewegungskontrolle. 6.5.3 Leaning-Interfaces zur Bewegungskontrolle. 6.5.4 Teleportation als Technik der Bewegungskontrolle. 6.5.5 Routenplan- und zielbasierte Bewegungstechniken. 6.5.6 Entwurfskriterien für Navigationstechniken. 6.6 Prozesse für Design und Realisierung von Interaktion. 6.6.1 Besonderheiten von VR/AR-Benutzungsschnittstellen. 6.6.2 Nutzerorientierte Entwicklung von VR/AR-Interaktionen . 6.7 Nutzertests. . 163 165 170 170 173 179 186 188 189 191 194 201 211 212 215 216 216 219 220 222 224 225 227 229 231 234 236 238 240 242 242 243 244 244 246 249
Inhaltsverzeichnis 6.8 Ethische, soziale und rechtliche Aspekte von VR/AR. . 6.9 Zusammenfassung und Fragen. . . . . Literaturempfehlungen. . Literatur. . . . XIII 255 261 263 264 7 Echtzeitaspekte von VR-Systemen . . 267 Mathias Buhr, Thies Pfeiffer, Dirk Reiners, Carolina Cruz-Neira und Bernhard Jung 7.1 Latenz in VR-Sysţemen. . . 268 7.1.1 Welche Anforderungen an Latenz gibt es?. . 269 7.1.2 Wo entstehen eigentlich Latenzen? . 271 7.1.3 Ist die Latenz in einem VR-System konstant?. . 272 7.1.4 Welche Ansätze zur Latenzbestimmung gibt es?. 273 7.1.5 Zusammenfassung Latenz . . . 278 7.2 Effiziente Kollisionserkennung in Virtuellen Welten.;. . 279 7.2.1 Hüllkörper . :. . . 280 7.2.2 Techniken zur Strukturbildung. 286 7.2.3 Kollisionserkennung für große Umgebungen. . 291 7.2.4 Zusammenfassung und weitergehende Techniken. . 295 7.3 Echtzeit-Rendering Virtueller Welten . . 296 7.3.1 Algorithmische Strategien
. . ;. 297 7.3.2 Hardwarebezogene Strategien . . 304 7.3.3 Softwaresysteme für die Darstellung Virtueller Welten. . 309 7.4 Zusammenfassung und Fragen.311 Literaturempfehlungen . 312 Literatur. . . .··. ; 312 8 Augmentierte Realität. . Wolfgang Broll 8.1 Einführung. . . . , 8.1.1 Übersicht. . 8.1.2 Grundlegende Ausprägungen von AR. 8.2 Registrierung . . . 8.2.1 Geometrische Registrierung. 8.2.2 Photometrische Registrierung . 8.3 Visuelle Ausgabe . . 8.4 Spezielle AR-Techniken. . . 8.4.1 Head-Up-Inhalte. 8.4.2 Verdeckungen und Phantomobjekte. 8.4.3 Überblenden von Marken. 8.4.4 Virtuelle Löcher. 8.4.5
Röntgenblick. 315 315 316 320 325 325 329 332 337 337 337 339 339 340
Inhaltsverzeichnis XIV 8.5 Spezielle AR-Interaktionstechniken. 343 8.5.1 Interaktion durch Navigation. . 343 8.5.2 Selektion durch Blickrichtung. 343 8.5.3 Tangible User Interfaces. . 344 8.6 Applikationen. 345 8.7 Diminished und Mediated Reality. 347 8.7.1 Diminished Reality . 347 8.7.2 Mediated Reality. 351 8.8 Zusammenfassung und Fragen. 353 Literaturempfehlungen. 355 Literatur. 355 9 Fallbeispiele für VR/AR. 357 Ralf Dömer, Torsten W. Kuhlen, Geert Matthys, Manfred Bogen, Stefan Rilling, Andreas Gemdt, Janki Dodiya, Katharina Hertkom, Thomas Hulin, Johannes Hummel, Mikei Sagardia, Robin Wolff, Andreas-Christoph Bernstein, Sebastian Utzig, Tom Kühnert, Guido Brunnett, Lisa Blum, Christoffer Menk, Christian Bade, Werner Schreiber, Thomas Alexander, Michael Kleiber, Leif Oppermann, Gerd Bruder, Frank Steinicke, Raphael Zender und Christian Geiger 9.1 Einführung und Übersicht. 357 9.2 Die aixCAVE an der RWTH Aachen
University. 359 9.3 Virtuelle Realität in der Öl- und Gasindustrie. 362 9.4 Virtuelle Satellitenreparatur im Orbit. 365 9.5 Virtual Prototyping von Schuhen und Stiefeln. 367 9.6 Augmentierte Realität unter Wasser. 371 9.7 Einsatz von Spatial Augmented Reality in der Automobilindustrie . 373 9.8 Einsatz von Augmented Reality in der Fertigungsplanung. 376 9.9 Benutżerzentrierte Gestaltung eines AR-basierten Systems zur Télémaintenance. 378 9.10 Auto-AR -Visualisierung von 3D-Gebäudedaten vorOrt. 380 9.11 Effekte von Rendering-Parametem auf die Wahrnehmung von Größen und Distanzen. 382 9.12 Festplattentausch in der Ausbildung zumFachinformatiker. 385 9.13 Klettern in Virtueller Realität. 388 Literatur. 391
Inhaltsverzeichnis 10 XV Authoring von VR/AR-Anwendungen. Wolfgang Broll, Florian Weidner, Tobias Schwandt, Kai Weber und Ralf Dömer 10.1 Unterstützung von Autoren. 10.2 Grundlagen und Konzepte von Software zur Unterstützung von Autoren. 10.2.1 Unity. 10.2.2 Unreal Engine. 10.2.3 AR-Frameworks: ARCore und ARKit. 10.3 Beispiele für die Erstellung von VR/AR-Anwendungen. 10.3.1 Making Of: Immersive VR-Präsentation von CAD-Daten in der Oculus Rift mit Unity. 10.3.2 Making Of: Realisierung von Interaktion in VR mit der HTC Vive auf Basis der Unreal Engine. 10.3.3 Making Of: Eine Anwendung für Microsoft’s Hololens. 10.3.4 Making Of: Basics für die Erstellung einer nativen ARCore Applikation für Android. 10.4 Zusammenfassung und Fragen. Literaturempfehlungen. Literatur. 393 Mathematische Grundlagen von VR/AR. Ralf Dömer 11.1
Vektorräume. 11.2 Geometrie und Vektorräume. 11.3 Der affine Raum. 11.4 Der euklidische Raum. 11.5 Analytische Geometrie im R3. 11.6 Matrizen. 11.7 Affine Abbildungen und Wechsel von Koordinatensystemen. 11.8 Bestimmung von Transformationsmatrizen. 425 Über die Autoren. 437 Stichwortverzeichnis 445 11 394 395 398 401 405 408 408 411 413 418 421 422 422 425 427 428 429 431 432 433 435 |
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