Mixed / Virtual / Augmented Reality: Zwischen Realität und Simulation

Mixed / Virtual / Augmented Reality: Zwischen Realität und Simulation

Bereits 1982 prägte Damien Broderick in seinem Science-Fiction Roman „The Judas Manfala“ den Begriff Virtual Reality (virtuelle Realität). Heute kennt man zudem noch die Begriffe Mixed Reality (gemischte Realität) und Augmented Reality (erweiterte Realität). Doch was bedeuten diese Begriffe, worin unterscheiden sie sich, und was haben sie mit Mobilgeräten zu tun?

Mixed Reality beschreibt jede Art der Verschmelzung von Realität und Simulation, Augmented Reality und Virtual Reality sind zwei gegensätzliche Ausprägungen davon:
Augmented Reality bezeichnet die computergesteuerte Einblendung von Informationen in die physische Welt, dies kann beispielsweise durch Einblendung von zusätzlichen Informationen auf ein Live-Kamerabild am Smartphone geschehen.
Virtual Reality bezeichnet die Verwendung physischer Aktionen wie zum Beispiel der Kopfbewegung in einer virtuellen Welt, sowie die Täuschung der menschlichen Sinne, was beispielsweise mit 3D Brillen gelingen kann.

Google Glass

Die Google Glass blendet dem Träger zusätzliche Informationen in sein Sichtfeld ein.
By Tedeytan (Flickr) [CC-BY-SA-2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], via Wikimedia Commons

Vor einigen Jahren waren Mixed Reality-Anwendungen nur Visionen beziehungsweise allenfalls für das Militär oder die Industrie verfügbar. Jedoch zeichnet sich seit ein paar Jahren ein steigender Trend für Endverbraucher-Anwendungen ab, welche sich jene Technologien zu Nutze machen. Neben zahlreichen Geräten, die derzeit entwickelt werden und eine Mixed Reality Erfahrung ermöglichen – wie der  Google Glass, Oculus Rift oder dem Cyberith Virtualizer -, gibt es bereits zahlreiche Smartphone Anwendungen, die Kamera, Lage-Sensor, Kompass und GPS verwenden, um die Realität zu erweitern. Auch die Anwendungsmöglichkeiten sind sehr vielseitig. So gibt es beispielsweise Anwendungen, mit denen sich zum Verkauf angebotene Möbelstücke über das Smartphone Display direkt in die eigene Wohnung projizieren lassen (z.B. Ikea App), Reiseführer (z.B. Wikitude), die am Display Sehenswürdigkeiten und andere interessante Orte markieren, wenn das Smartphone in die entsprechende Richtung gehalten wird, und Spiele, bei denen die dreidimensionalen Spielfiguren in die reale Welt eingeblendet werden (z.B. Ar Driftracing).
Wie die Informationen eingeblendet werden, unterscheidet sich hierbei von Anwendung zu Anwendung. Mittels GPS, Kompass und Lagesensor kann die Position und Blickrichtung des Smartphones und somit indirekt die des Benutzers ermittelt werden, um beispielsweise beim Reiseführer die interessanten Punkte am Display einzeichnen zu können. Dazu ist keine besonders hohe Präzision erforderlich, da es sich hierbei um die Bereitstellung von Informationen und nicht um eine Täuschung der Wahrnehmung handelt.

Wikitude

Wikitude zeigt Informationen zu interessanten Orten in der Umgebung direkt auf dem Kamerabild an.
By Mr3641 (Own work) [CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons

Werden dreidimensionale Objekte in die reale Welt eingeblendet, so ist eine wesentlich höhere Präzision erforderlich. Bewegt sich der Benutzer um das eingeblendete Objekt, so muss sich dieses wie ein reales Objekt verhalten, schließlich soll die Illusion erzeugt werden, dass sich das Objekt tatsächlich im Raum befindet. Ein seltsames Verhalten des Objekts, beispielsweise eine falsche Drehung, würde diese Illusion sofort zerstören.
Um das Objekt richtig zu positionieren, werden sogenannte Marker verwendet, das sind Muster, die vom Smartphone im Kamerabild erkannt werden können. Anhand der Verformung des Musters im Kamerabild (Drehung, Perspektive) kann dessen genaue Position bestimmt werden. Somit kann das 3D Modell im Kamerabild positioniert und dem Benutzer angezeigt werden. Als Marker werden vor allem QR-Codes, diverse Schwarz-Weiß Marker und sogar gewöhnliche Bilder verwendet. Ob und wie gut ein Bild als Marker funktioniert, hängt allerdings stark von dessen Inhalt ab. Es muss einige markante Punkte aufweisen, die vom Smartphone erkannt werden können.

App "iSkull"

Hier dient die Seite eines Buchs als Marker, um ein 3D Modell darauf zu projizieren.
By Hagustin (Own work) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Möchte man ganz auf Marker verzichten, so muss man anhand der aufeinander folgenden Kamerabilder versuchen, den Raum dreidimensional zu rekonstruieren, und markante Punkte im Raum als Marker verwenden. Dieser Ansatz funktioniert nur bedingt, da jede Kamera gewisse Parameter aufweist, die sich bei jeder Kamera unterscheiden. Dies sind sogenannte intrinsische Parameter. Sie setzen sich zusammen aus Brennweite, Bildformat und dem wahren Bildmittelpunkt (der Punkt, an dem sich die Mitte der Kameralinse befindet – der Sensor sitzt üblicherweise nicht ganz zentriert hinter der Linse). Dazu kommt noch die Verzerrung durch die Linse. Diese Parameter müssen vorher ermittelt werden, damit aus den Kamerabildern ein 3D Modell des Raumes errechnet werden kann. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass ein 3D Modell jederzeit in das Kamerabild eingeblendet werden kann, nicht nur dann, wenn der Marker am Kamerabild sichtbar ist. Zudem kann man in der Anwendung das 3D Modell des Raumes nutzen, was vor allem für Spiele interessant ist. So können dann beispielsweise Spielcharaktere auf realen Objekten im Raum herumklettern.

Für Entwickler gibt es bereits eine Vielzahl an Programmbibliotheken, welche die Erstellung von Mixed Reality Anwendungen ermöglichen und vereinfachen. Zwei nennenswerte Beispiele dafür sind Wikitude und Qualcomm Vuforia.

Mit GPS und Kompass, sowie mit Markern funktionieren Mixed Reality Anwendungen bereits sehr gut, neuere Smartphone Generationen haben auch bereits die Leistung, etwas komplexere 3D Modelle darzustellen. Viele der Anwendungen die sich Mixed Reality Techniken bedienen sind zwar noch experimentell, die Anzahl der sinnvollen Anwendungen steigt jedoch stetig. Die Entwickler kommen auf immer neue Ideen, was man mit Mixed Reality Anwendungen machen kann. Bei der Nutzung von Markern gibt es noch das Problem, dass der Marker teilweise oder ganz verdeckt sein, oder aus dem Kamerabild verschwinden könnte, daher sind die Anwendungsmöglichkeiten hier noch eingeschränkt.

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