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Termin 1:Was ist VR?

Virtuelle RealitätWintersemester 2007/08

Prof. Bernhard Jung

Prof. B. Jung Virtuelle Realität

Übersicht über die Vorlesung2V+2Ü (!)

Was ist VR?Kurze Einführung in die Mensch-Maschine InteraktionVR Input DevicesVR Output Devices (1)VR Output Devices (2)VR Software, SzenengraphenManipulationNavigationKommunikationVirtual HumansAction CaptureAugmented Reality

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Organisatorisches

VorlesungDi, 14:00-15:30Raumverlegung: ab 16.10. in URZ-3409!Prof. B. Jung

ÜbungDi, 12:30-14:00URZ-2310Dipl.-Inf. Heni Beni Amor


Literatur

Sherman, W. & Craig, A. Understanding Virtual Reality. Morgan Kaufmann. 2002.D. Bowman, E. Kruiff, J.J. LaViola & I. Poupyrev. 3D User Interfaces. AddisonWesley. 2005.

M. Slater, A. Steed, Y. Chrysanthou. Computer Graphics and Virtual Environments. From Realism to Real-time. Addison Wesley Publishing. 2001.John A. Vince. Introduction to Virtual Reality. Springer-Verlag. 2004

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Übersicht über Termin

VR – Beispiele in FreibergWas ist VR?

DefinitionenHistorie der VRAnwendungsgebiete der VR


VR im TagebauStudentenprojekt, TU BAF, SS06-WS06/07

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Virtual WorkersDFG-Projekt am Institut für Informatik

Neuartiges Verfahren zur Animation digitaler Menschmodelle Virtuelle Menschen imitieren Aktionen von VR-BenutzernZielanwendungen in der Evaluation virtueller Prototypen


Projekt Virtual Workers: Klassifikation von Griffen

cylindrical tipspherical lateralpalmarhook

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Was ist Virtuelle Realität?Technologie-zentrierte Sichtweise

Trends: weniger Kabel, preiswerter

VR is electronic simulations of environments experienced via head mounted eye goggles and

wired clothing enabling the end user to interact inrealistic three-dimensional situations (Coates, 1992)


Problem mit “gloves’n’goggles” - Sicht der VR:Schnelle Weiterentwicklung der Technologie (z.B. Holodeck?)Im weiteren Sinne: VR als neuartige Mensch-Maschine-Schnittstelle

C.f.: VR als Post-WIMP Interface (vanDam,97)

An intuitive interface between man and machine is one which requires little training ... and proffers a working style most like that used by the human being to interact with environments and objects in his day-to-day life. In other words, the human interacts with elements of this task by looking,

holding, manipulating, speaking, listening, and moving, using as many of his natural skills as are appropriate, or can reasonable be expected to be

applied to a task (Stone,93)

Virtual Reality - Vision:Die “ultimative” Mensch-Maschine-Schnittstelle

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Was ist VR?

Unter dem Begriff der Virtuellen Realität werden Techniken verstanden, die es erlauben,einen Menschen unmittelbar in Computer-generierte Welten zu integrieren. Als die Mensch-Maschine-Schnitttstelle der Zukunft angesehen, sprechen Techniken der VirtuellenRealität mehrere Sinne des Menschen zugleich an, beispielsweise Gesichts-, Hör- und Tastsinn. Anwendungen der Virtuellen Realität sind in Architektur, Design, Modellierungchemischer Moleküle, Simulatortechnik, industrieller Automatisation und Medizintechnik zufinden.

[Unter Virtueller Umgebung ist] eine vom Rechner generierte und kontrollierte Umgebungfür die Mensch-Maschine-Kommunikation gemeint ... . Diese ist allerdings dem intuitivenVerständnis des Menschen wesentlich näher als abstrakte, über Menüs und Windows erstellte „Desktop“-Schnittstellen.

[Astheimer et al., 1994]


Was ist VR?Sherman & Craig, 2003

4 wesentliche Elemente der VR:die virtuelle Welt, d.h. Inhalt des MediumsImmersion (körperlich/mental)Sensorisches FeedbackInteraktivität

Virtual Reality: a medium composed of interactive computersimulations that sense the participant's position and replace oraugment the feedback to one or more senses -- giving thefeeling of being immersed or being present in the simulation.

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3D-Computergraphik vs Virtuelle Realität

3D-Interaktion(Körperbewegung, Hand-, Kopf- u. Körpergestik)+ Spracheingabe

2D-Interaktion (zur Erstellung der Szene)(Maus, Tastatur)

Echtzeitinteraktionund -simulation

statische Szene odervorberechnete Animation

Echtzeit-Präsentationzeitunkritische Präsentation

multimediale Präsentationvisuell, akustisch, haptisch

rein visuelle Präsentation

Virtuelle Realität3D-Computergraphik

VR gekennzeichnet durch 3D-Präsentation und 3D-Interaktion


Dimensionen der Virtuellen Realität:Zeltzer’s AIP-Würfel

complex work domainse.g. conventional CAD

Interaction

immersive interfaces

Presence

Autonomy

(0,0,1)

(1,1,1)

(0,1,0)

(1,0,0)

(0,0,1)

(1,0,1)

(1,1,0)

“Digital Shakespeare”

autonomous agents

(holy grail of)Virtual Reality

task-level interfaces

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Kategorien der VR

Nichtimmersive VRBenutzer kann Blick von rechnergenerierter Präsentationabwenden und auf Realität richtenAusgabegeräte: 3D-Fenster auf Bildschirm, Großbildleinwand, Responsive Workbench, etc.Eingabegeräte: Maus, Space-Mouse, Tracker, Datenhandschuh, ...

Immersive VRaudiovisuelle Wahrnehmung ist ausschließlich rechnergeneriertAusgabegeräte: Head Mounted Display, Boom, CaveEingabegeräte: Tracker, Datenhandschuh, Phantoms, …Bei HMD: Eingabegeräte müssen fest montiert/gehalten werden; nachträgliches Greifen nicht möglich


Stereoskopische Präsentation

Binokulare Tiefenwahrnehmung... nutzt Konvergenzwinkel zw. Augenachsen zur Bestimmung des Abstands beim nahen

Sehen(ca. 10% der Bevölkerung verfügt über keine binokulare Tiefenwahrnehmung)

Stereoskopische Systeme... präsentieren zwei perspektivisch verschobene Ansichten der Szene

(„Stereo Pairs“, stereoskop. Halbbilder)

Zeitparallele Systeme: simultane Präsentation der Halbbilder für linkes und rechtes AugeFarbtrenntechnik: Halbbilder in Rot und Grün dargestellt; Grün-Rot-Brille;Nachteil: keine FarbinformationVerschiedene PolarisationVerwendung von zwei Bildschirmen, z.B. HMD, Boom

Zeitmultiplexe Systeme: zeitlich versetzte Präsentation der Halbbilder für li. und re. AugeShuttersysteme

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Stereoskopische Displays - Beispiele

HMD (auch als see-through) Boom

Workbench CAVE

head-set VR("goggle-bound")

projection-based VR


VR-Eingabegeräte: Beispiele

Shape TapeTracked Wand (Joystick)

Datenhandschuh

3D Positionsgeber (Tracker)

Datenanzug

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Historische Entwicklung der VR

50er Jahre 180-Grad Kinos, 3D-Brille, erste Bewegungssimulatoren(Flugsimulatoren)1965 Sutherland: „The Ultimate Display“, 3D-Präsentation unterBerücksichtigung der Körperstellung, prototypisches HMD ca. 1970 fertiggestellt70er Jahre 3D-Tracking (US Militär)Ende 70er Jahre VR-Forschung an der Univerisity of North Carolina, Chapel Hill (UNC) Forschungsschwerpunkte: 3D Hardware, Algorithmen für VisualisierungAnwendung: MedizinMitte 80er Jahre VR-Forschung bei NASA AMESSzenario: Virtuelle Raumstation / Teleoperation1989 Data Glove ist marktreifes ProduktAnfang 90er Jahre

HMD ist marktreifVR-Forschung in Deutschland (GMD; Fraunhofer-Institute in Darmstadt, Stuttgart)1992 Vorstellung der CAVE (projektionsbasierte VR); Vermarktung ab 1995

Mitte 1990er Jahre: Force-Feedback Geräte, elektromagnetischesPositionstrackingseit ca 2000: optisches Tracking, z.T. Video; vermehrt Augmented Reality


Anwendungen

Architektur Walk-throughsBenutzer bewegt sich durchvirtuelle Umgebungauch im Web (VRML, Quicktime VR)

Erkundung großer Datenmengen(Scientific Visualization)

z.B. interaktive Simulation imNASA Virtual Wind Tunnel- billiger und schneller als echter Windtunnel

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Anwendungen

TelerobotikÜbertragung von Bewegungen eines Teleoperateurs auf Roboter

Virtuelle Schauspielerz.B. Max Headroomz.B. Gollum in Herr der Ringenoch nicht Echtzeitfähig


Anwendungen - Virtuelles Prototyping

Design, Review, Analyse digitaler Produktmodelle in VR

Nutzen i. Vgl. zu physikalischen Prototypeneinfachere Modifizierbarkeit, Erprobung alternativer EntwürfeÜberprüfung des visuellen Designs, (De-) Montierbarkeit, Ergonomieweniger physikalische Prototypen benötigtVerkürzung des Produktentwicklungszyklus

Ergonomieuntersuchung mit Virtual HumanLayout-Planung bei Volkswagen

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Anwendungen

Collaborative Virtual Environments


Anwendungen

Interaktive Echtzeitsimulationen für das TrainingFahr- und Flugausbildung RaumfahrtMedizinMilitär

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Anwendungen

SpieleSocial Virtual Environments

z.B. Second Life

Neue Benutzungsschnittstellenz.B. Sony Eyetoyz.B. Nintendo Wiimote

Sony EyeToy

Second Life

Wiimotezur Steuerungvon PacSanta

TU BAF


Intelligente Virtuelle Umgebungen

VR - Eine neue Epoche der Mensch-Maschine-Kommunikation (?)nach [Astheimer et al., Informatik Spektrum 16:6, 1994]

von bisherigen WIMP (windows, icons, menues, and pointing devices) ....... zu zukünftigen SILK (speech, image, language, knowledge) Schnittstellen.Stand heute: Post-WIMP Interfaces [van Dam, Comm. ACM 40:2, 1997]

ForschungsthemenUnterlegung von 3D-Präsentationsdaten mit wissensbasierten ModellierungenVirtuelle Assistenten, Intelligente Avatare, Believable AgentsMultimodale Mensch-Maschine Interaktion z.B. mit Sprache und GestikSituierte KommunikationKognitive Aspekte und Human Factors von virtuellen UmgebungenKonzeptbasiertes, räumliches und multimodales Schließen über 3D Umgebungen3D-Simulationssysteme z.B. in der (kognitiven) Robotik, Artificial Life

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