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Inhaltsverzeichnis:

  1. Einleitung

  2. Technische Geräte
    1. 3D-Brille
    2. Datenhelm
    3. Datenhandschuh
    4. Head-Coupled-Device
    5. CAVE

  3. Anwendungsmöglichkeiten
    1. Industrielles Design und Produktion
    2. Militärische Nutzung
    3. Medizinische Nutzung
    4. Anwendung im Bildungsbereich
    5. VR-Systeme im Unterhaltungsbereich

  4. Auswirkungen von VR-Systemen

  5. Schlußbemerkung

  6. Literaturverzeichnis



1. Einleitung

Mit dem Begriff "Virtual Reality", bzw. "Virtuelle Realität" (kurz: VR) wird eine Technik beschrieben mit der es einem Benutzer durch bestimmte Geräte ermöglicht wird sich interaktiv in einer vom Computer generierten Umgebung zu bewegen. Der Begriff "Virtual Reality" wurde 1989 durch den Wissenschaftler und Techniker Jaron Lanier geprägt. Lanier definiert "Virtual Reality" kurz als eine "interaktive Simulation von realistischen oder imaginären Umgebungen".
Aber es gibt noch mehrere Synonyme für den Begriff "Virtual Reality". Der Begriff Cyberspace wird auch sehr häufig benutzt, er geht auf den Schriftsteller William Gibson zurück und kennzeichnet in dessen 1984 erschienener Science-Fiction-Erzählung "Neuromancer" ein globales halluzinatorisches Computer-Informationssystem.
Weiterhin werden auch, je nach Anwendungsbereich, Begriffe wie "Virtual Environment", "Virtual World", "Artificial Reality" oder auch das Kunstwort "Virtuality" verwendet.
Der Bereich der virtuellen Realität ist noch relativ jung, obwohl schon Ende der 60er Jahre erste Schritte in diese Richtung gemacht wurden, wurde das öffentliche Interesse erst vor einigen Jahren geweckt (insbesondere durch Anwendungen im Unterhaltungsbereich).
Im Folgenden soll ein überblick über die technischen Geräte, welche zur Zeit im Bereich der "Virtual Reality" zu finden sind, gegeben werden und einige wesentliche Anwendungen der neuen Technik aufgezeigt werden.


2. Technische Geräte

Ein grafikorientiertes VR-System besteht im allgemeinem aus einem Display für den Benutzer, einem Bewegungssensor um Interaktion zu ermöglichen, einem Computer zur Generierung der virtuellen Umgebung, eine Datenbank für die 3D-Objekte und natürlich der Software.
Man benötigt einerseits Geräte um dem Benutzer ein drei-dimensionales Bild der virtuellen Umgebung zu vermitteln und andererseits Geräte um eine Interaktion mit der virtuellen Umgebung zu erlauben.

2.1 3D-Brille

Eine Möglichkeit zur Visualisierung ist eine 3D-Brille in Verbindung mit einem Monitor oder einem Projektor. Die Gläser dieser Brille bestehen aus Flüssigkristall, welche bei entsprechender Ansteuerung durchsichtig oder undurchsichtig gemacht werden können. Man hat somit für jedes Auge einen Flüssigkristallverschluß, dabei wird ein Verschluß immer entgegengesetzt zum anderen geschlossen oder geöffnet. Der Computer erzeugt immer zwei Bilder der gleichen Szene, allerdings aus einer geringfügig anderen Perspektive. Durch die Syncronisation von Brille und Computer wird nun erreicht, daß jedes Auge ein etwas anderes Bild auf dem Bildschirm sieht. Hierdurch entsteht die Illusion einer drei-dimensionalen Ansicht des Computerbildes.

2.2 Datenhelm

Eine andere Möglichkeit der Visualisierung ist ein Datenhelm, ein sogenanntes HMD (Head-Mounted-Display). Dieses Gerät (manchmal auch als "Visette" oder "BOOM" [binocular omni-orientation monitor] bezeichnet) besteht aus zwei kleinen Bildschirmen (jeweils einer pro Auge). Jeder Bildschirm zeigt dabei wiederum die virtuelle Umgebung aus einer etwas anderen Richtung, um einen drei-dimensionalen Effekt zu erzeugen. Das Gesichtsfeld liegt bei den heute erhältlichen Modellen zwischen 60 und 90. Solche Geräte gibt es auch in einer Ausführung bei der die Bildschirme transparent sind, somit bleibt auch die reale Umgebung noch sichtbar (Augmented Reality).

2.3 Datenhandschuh

Um eine Interaktion mit virtuellen Objekten zu ermöglichen wird im allgemeinen ein Datenhandschuh benutzt. Dieser besteht einerseits aus Sensoren um die Bewegung der Finger zu erfassen und andererseits aus einem Positionssensor (entweder elektromagnetisch, optisch oder Ultraschall) um die Position der Hand zu ermitteln. Man hat auch die Möglichkeit einen Datenhandschuh mit Druckgebern auszurüsten, dadurch erhält man beim Anfassen eines virtuellen Objektes das Gefühl dieses Objekt wirklich berührt zu haben.
Es gibt auch ein System, bei dem sich der ganze Körper in einem "Datenanzug" befindet, um so alle Bewegungen des Körpers zu erfassen und in die virtuelle Umgebung umzusetzen.

2.4 Head-Coupled-Display

Bei manchen Anwendungen (insbesondere im industriellen Bereich) ist es aber zu umständlich sich immer den Datenhelm aufzusetzen und den Handschuh anzuziehen, deshalb wurde eine Kombination aus beiden entwickelt, das HCD (Head-Coupled-Display). Hierbei ist der Datenhelm auf eine Art Ständer montiert. Daran befindet sich ein beweglicher Arm, welcher mittels eines Griffes bewegt werden kann und so den Datenhandschuh ersetzt.

2.5 CAVE

Eine ganz andere Möglichkeit um in eine virtuelle Welt einzutauchen ist der CAVE (Cave Automatic Virtual Environment). Hierbei steht der Benutzer in einem kleinen Raum. Auf die Wände und den Boden wird die von mehreren Computern erzeugte virtuelle Umgebung projiziert. Der drei-dimensionale Eindruck wird mit Hilfe der schon erwähnten 3D-Brille erzeugt. Manipulationen innerhalb der virtuellen Umgebung werden mit einer Art Zeigestock (oder Datenhandschuh) ausgeführt.

Alle Methoden haben eins gemeinsam, der oder die Computer berechnen immer zwei Bilder der virtuellen Umgebung, für jedes Auge eins, um eine drei-dimensionale Ansicht zu erzeugen. Um dabei einen flüssigen Bewegungsablauf zu erzeugen, müssen 20 bis 30 Bilder pro Sekunden berechnet werden. Die virtuelle Umgebung wird dabei aus einzelnen Polygonen (im allgemeinen Drei- oder Vierecke) zusammengesetzt. Je mehr Polygone für ein Bild verwendet werden, desto realer wirkt es.
1980 lag die Anzahl der Polygone pro Bild (25 Bilder pro Sekunde) bei ca. 100, heute liegt der Standard bei 20.000 (Tendenz steigend). Aber auch mit 20.000 Polygonen wirkt die virtuelle Umgebung immer noch sehr grob. Eine bessere Auflösung läßt sich nur erreichen, indem man entweder leistungsfähigere Computer verwendet (was zur Zeit nicht möglich ist) oder indem man die Bildwiederholungsrate senkt. Allerdings sind bei weniger als 20 Bildern pro Sekunde Bewegungen nicht mehr flüssig. Ein anderes Problem, welches bei Datenhelmen auftritt, sind Verzögerungen bei der Berechnung, beispielsweise wenn der Anwender seine Kopf sehr schnell bewegt. Durch diese Verzögerungen kommt es zu einer Fehlinterpretation zwischen Gleichgewichtssinn und visueller Information, dies hat zur Folge, daß der Anwender bei längerer Benutzung sozusagen seekrank wird (übelkeit, Schwindelgefühle, usw.), aber auch Symptome wie Streß oder ein "gestörtes Sichtfeld" können auftreten. Je nach Anwendung und Ausrüstung können sich solche Symptome schon nach weniger als zehn Minuten einstellen. Diese "Nachwirkungen", oft als Simulatorkrankheit bezeichnet, sind allerdings nur von kurzer Dauer.
Alle Geräte und die benötigte Software sind schon auf dem Markt erhältlich, nur das CAVE-System gibt es bisher nur als Prototyp, doch mehrere große Firmen planen den Einsatz dieses Systems und entwickeln teilweise selber solche Systeme.
Die für professionelle und semi-professionelle Anwendungen erhältliche Software liegt preislich im Bereich ab 5.000 DM. Ein Datenhandschuh ist mittlerweile schon für deutlich unter 1.000 DM zu haben, ein Datenhelm dagegen kann, je nach Qualität, im Bereich von einigen tausend bis mehreren zehntausend liegen. Einfache 3D-Brillen sind schon für 50 DM zu bekommen, professionelle Modelle liegen im 1000 DM-Bereich.


3. Anwendungsmöglichkeiten

Die Anwendungsgebiete der virtuellen Realität sind sehr Vielfältig. Ob es nun der industrielle Einsatz oder der Einsatz im Computerspielebereich ist, überall wo man etwas visualisieren will oder kann, können VR-Systeme benutzt werden um diese Visualisierung zu verbessern oder überhaupt erst zu ermöglichen.

3.1 Industrielles Design und Produktion

Schon heute werden in der Automobil- und Flugzeugindustrie die Möglichkeiten der virtuellen Realität, vorallem im Bereich des Prototypen-Designs und der Produktion, genutzt. Man wird durch die Verwendung von VR-Systemen in die Lage versetzt schon während der Designphase das Produkt, z.B. ein Fahrzeug, betreten zu können oder Simulationen durchzuführen. Beispielsweise lassen sich sehr gut ergonomische Aspekte des Produktes untersuchen. Durch die Technik der VR können Planungsfehler schon sehr früh erkannt werden. Neue Ideen und Verbesserungen können schneller implementiert werden und direkt getestet werden ohne das ein physikalischer Prototyp erstellt werden muß (Rapid Prototyping), was je nach Produkt sehr Kostenintensiv sein kann. Diese kostenintensive Herstellung von Modellen zu verringern oder ganz zu eliminieren ist das Ziel der an VR interessierten Firmen. Aber auch Produktionsabläufe lassen sich testen, bevor es überhaupt einen realen Prototypen gibt.
Auch ein Einsatz in der Produktion ist möglich, die Firma Boeing z.B. plant den Einsatz von portablen VR-Systemen um es Technikern und Ingenieuren während der Arbeit am Flugzeug zu ermöglichen sich mit Hilfe eines Datenhelms Baupläne und sonstige Information "einblenden" zu lassen.
Ein weiteres aktuelles Beispiel für den industriellen Einsatz von VR-Systemen besteht im Zusammenhang mit dem Weltraumteleskop "Hubble". Das Teleskop wurde im April 1990 gestartet, aber die Bilder die Hubble lieferte waren nicht optimal, also wurde von der Firma Lockheed eine Korrektureinheit namens COSTAR (Corrective Optics Space Telescope) für die Optik des Teleskops entwickelt. Da sich das Teleskop ja schon im Weltraum befand, hatte man keine Möglichkeit COSTAR (bezüglich Funktionalität und Installierbarkeit) zusammen mit Hubble zu testen. Durch den Einsatz von VR-Systemen ist diese Möglichkeit, zumindest virtuell, gegeben. Somit konnte COSTAR nicht nur mit Hilfe von VR-Systemen entwickelt werden, sondern auch der Einbau in das Hubble-Teleskop konnte simuliert werden ohne das ein reales Modell erstellt werden mußte. Im Dezember 1993 wurde COSTAR erfolgreich in das Hubble-Teleskop eingebaut.

3.2 Militärische Nutzung

Das Militär ist natürlich auch an den Möglichkeiten interessiert welche durch die neue VR-Techniken gegeben werden. Die Entwicklung von neuen Systemen wird deshalb intensiv vom Militär gefördert und auch selber betrieben. Die Pionierarbeit bezüglich der Erforschung von VR-Displaysystemen wurde 1960 von dem Wissenschaftler Ivan E. Sutherland geleistet, das Forschungsprojekt wurde dabei von der ARPA (Pentagon's Advanced Research Projects Agency) finanziert.
Genau wie in anderen Industriezweigen, verwendet das Militär VR-Systeme im Bereich des Designs und der Produktion, aber auch zu Ausbildungs- und Trainingszwecken (z.B. als Flugsimulatoren) werden Systeme eingesetzt.

3.3 Medizinische Nutzung

Auch im medizinischen Bereich plant man VR-Systeme zur Ausbildung einzusetzen, z.B. um Chirurgen in neue Operationstechniken einzuweisen. Außerdem sollen durch die virtuelle Realität auch "Fernoperationen" möglich gemacht werden. Bei diesen Tele-Operationen soll einem Chirurgen die Möglichkeit gegeben werden mittels eines VR-System von einem anderen Ort aus einen Patienten zu operieren. Forschungen in dieser Richtung werden auch vom Militär (ARPA) unterstützt, da hierdurch auch die Möglichkeit besteht Verletzte an der Front von einem Arzt, der sich woanders befindet, mittels VR zu diagnostizieren und zu behandeln.
Mittlerweile existieren sogar schon "benutzbare" Prototypen von solchen Tele-Operations-Systemen (Tele-Manipulatoren).
Ein weiteres Gerät welches in manchen Krankenhäusern sogar schon regelmäßig eingesetzt wird, ist das 3D-Video-Endoskop. Dieses Endoskop vermittelt dem Chirurgen mittels einer 3D-Brille ein "räumliches" Bild, welches durch einer Mini-Stereokamera auf einem Monitor dargestellt wird. 1992 wurde dieses Gerät erstmals bei einer Operation am Menschen eingesetzt (Prof. G. Buess, Universitätsklinik Tübingen, nahm dieses Endoskop zu Hilfe, um eine Gallenblase zu entfernen). Der Vorteil liegt darin, daß keine großen Operationsschnitte gemacht werden müssen (Minimal Invasive Chirurgie). Dieses 3D-Video-Endoskop, welches von der Opticon GmbH entwickelt und hergestellt wird, wurde 1993 mit dem Innovationspreis der deutschen Wirtschaft ausgezeichnet.

3.4 Anwendung im Bildungsbereich

Auch im Bildungsbereich (insbesondere im naturwissenschaftlichen Bereich) bietet die Technik der virtuellen Realität eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten.
Ein Beispiel hierfür ist ein von der NASA entwickeltes virtuelles Physiklabor für High-School Studenten. Der Student hat in diesem virtuellen Labor die Möglichkeit physikalische Größen, wie Gravitation, Reibung, Masse und Zeit, bezüglich seiner Person zu ändern und kann so verschiedene Versuche durchführen.

3.5 VR-Systeme im Unterhaltungsbereich

Die Unterhaltungsindustrie ist aber mit eine der größten treibenden Kräfte in der Entwicklung von VR-Systemen. Insbesondere VR-Systeme für den Spielhallenbereich werden entwickelt und sind teilweise schon seit mehreren Jahren im Einsatz. Vor drei Jahren wurde in Chicago der erste VR-Park eröffnet. Bei dem Spiel namens Battletech zwei Gruppen (jeweils max. 8 Spieler) in einem virtuellen Krieg gegeneinander antreten, jeder Spieler steuert dabei einen Kampfroboter. Der Preis für 12 Minuten Spielzeit beträgt dabei pro Person umgerechnet 10 DM.
Auch verschiedene andere Simulatoren sind schon seit mehreren Jahren in Betrieb, z.B. das Expality (Amiga-Virtuality-Machine [siehe Bild des Datenhelms]) ein Spielhallengerät für Flug- und Raumschiffsimulationen.
Ein anderes großes Projekt welches die Filmgesellschaft Paramount Pictures Corp. und die Computerspielfirma Spectrum Holobyte planen ist die Errichtung von mehreren Star Trek Spiel- hallen. Hierbei soll es dem Spieler möglich sein, virtuell durch die Enterprise (das Raumschiff der Star Trek Serie) gehen zu können und dabei mit den Charakteren der Enterprise zu interagieren. In Planung befinden sich 50 dieser Star Trek Spielhallen, von denen die erste schon Ende dieses Jahres in Amerika eröffnet werden soll.
Aber auch VR-System für den Heimanwender sind in Planung. Die Computerfirma SEGA beispielsweise will in nächster Zeit (Frühjahr 1994) ein Low-End-VR-System herausbringen. Die Konkurrenzfirma Nintendo arbeitet zusammen mit der Firma Silicon Graphics an einer 64-Bit 3D-Spielekonsole welche Ende 1995 für einen Preis von ca. 500 DM erhältlich sein soll. Weiterhin befinden sich schon Systeme in Planung, welche das Tele-Shopping revolutionieren sollen, der "Kunde" hat hierbei die Möglichkeit durch ein virtuelles Kaufhaus zu gehen, sich verschiedene Produkte anzusehen und bei der jeweiligen Firma bestellen zu können. Ein System welches als Basis für solche Anwendung dienen soll, wurde Ende 1993 auf der VR-Konferenz in Wien ("Virtual Reality Vienna '93") unter dem Namen "Virtual Polis" vorgestellt.


4. Auswirkungen von VR-Systemen

Vorallem im Bezug auf die Verwendung von VR-Systemen im Unterhaltungsbereich stellt sich die Frage, welche Auswirkungen eine Benutzung dieser Systeme auf den Anwender hat.
Insbesondere aus Spielhallen werden VR-Systeme in Zukunft nicht mehr wegzudenken sein. Durch die immer besser werdende Technik werden die virtuellen Umgebungen immer realistischer und demzufolge vergißt der Anwender immer schneller, daß er sich in einer künstlichen Welt befindet. Bisher besteht die virtuelle Umgebung "nur" aus optischen und akustischen Eindrücken, Systeme die einem ein Tastgefühl vermitteln gibt es auch schon und die Möglichkeit mittels Duftstoffen Gerüche zu vermitteln wird auch schon untersucht. Seit einiger Zeit existiert sogar schon ein biomechanisches Steuerungssystem, bei dem der Anwender durch seine Gedankenimpulse den Computer steuern kann. Das BioMuse-System wurde von der Firma BioControl-Systems eigentlich für den medizinischen Bereich entwickelt, aber auch Firmen anderer Andwendungsbereiche zeigen Interesse an diesem System.
Es besteht somit sicherlich bei intensiver Nutzung der Systeme die Gefahr, daß man sich mehr und mehr von der realen Welt abkapselt und sich in die Traumwelt der virtuellen Realität begibt. Ein VR-Spielsystem wird zweifelsohne irgendwann einmal zu einem Preis zu haben sein, für den man heute "nur" einen Gameboy bekommen würde. Insbesondere Kinder und Jugendliche sind dann, genau wie durch die heute erhältlichen Video- und Computerspiele, gefährdet.
Aber auch auf den industriellen Bereich wird VR einen enormen Einfluß haben, da sich durch die Anwendung von VR-Techniken Produktions- und Entwicklungskosten reduzieren lassen und nicht zuletzt lassen sich natürlich auch Arbeitskräfte einsparen.
Das ultimative Ziel (der Industrie) ist es Design, Produktion und Serviceleistungen in eine virtuelle Umgebung zu integrieren. (zitiert nach: J.A. Adam, IEEE Spectum, 10/93, S. 28) Auch die Industrie, welche sich mit der Entwicklung und Forschung im VR-Bereich beschäftigt, ist in den letzten Jahren sehr stark angestiegen, daraus resultieren immer besser werdende Hard- und Software und somit eine immer weitere Verbreitung von VR-Systemen.
Und nicht zuletzt findet man an Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen immer häufiger Projekte welche sich mit der virtuellen Realität beschäftigen. Aber nicht nur neue Hard- oder Software wird erforscht und entwickelt, sondern immer häufiger gibt es auch Projekte, welche sich mit der Erforschung der Auswirkungen von VR-Anwendungen und VR-Systemen beschäftigt.
Deutlich wird dies, um ein Beispiel zu nennen, durch die Themen der Vorträge, welche bei einem internationalen VR-Seminar der Universität Trondheim (Norwegen, 19.-20.01.94), dargebracht wurden. Unter anderem waren dies Themen wie "Kinder und Cyberspace", "Besessen von der virtuellen Realität", "Politik und Virtual Reality" und "Die virtuelle Revolution".


5. Schlußbemerkung

Meiner Meinung nach läßt sich die Zukunft der virtuellen Realität und der daraus resultierenden Auswirkungen bisher noch nicht einschätzen, denn dies hängt vorallem von der Entwicklung der VR-Technik ab und wie schnell sie sich verbreiten wird.
Aber eins ist meiner Meinung nach dennoch sicher, die VR-Systeme werden für eine "Revolution" im industriellen und insbesondere im Unterhaltungsbereich sorgen. Als Abschluß möchte ich einige kritisierende Zitate von Personen bringen, welche sich mit der virtuellen Realität beschäftigen:

6. Literaturverzeichnis



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