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Volltext der Diplomarbeit im PDF-Format

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1. 34 2 3 2 4 Elektromagnetische Tracking Systeme 35 2 3 9 Eingabeger te adie Gis X eem om eR ERR 37 2 3 3 1 Datenhandschuhe 37 2 3 3 2 Wands 3D M use i esce xo 2 280 20 39 2 3 3 3 Gamecontroller een amet se 40 INHALTSVERZEICHNIS 2 3 4 Software et ue d oie Gere Ree ie UR RU OE 2 35 Anwendungsgebiete 2 3 6 Interaktion an sns ie Rogo we Ee Re king a are 2 3 6 1 Fortbewegung ou a a Era re 2 3 6 2 Selektion und Manipulation virtueller Objekte 2 3 6 3 Systemsteuerung lsln 3 Das VR Objekt Display 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 Das Distributed Rendering System adsl ZVBRME 23 4 iuc et iie EE Ka Sehrittstelleft as ke eH e Rees VersuelisaulDal ohm d xs de eue eee Cd Aufbau des VR Objekt Displays E riktionsweise x tur m RR MOERORE Re CY S AUSSIE Verwendete Interaktionsger te cles 4 Interaktionskonzepte 4 1 4 2 4 3 EES MER enee UI WEE EE 4 1 2 Selektion und Manipulation 4 1 3 Systemsteuerung RR REGERE RUE E EValuIerUNg ir aa ERE de e Rte oS Oe ER RR ee ies nu d e Betrachtung zum Mehrbenutzerbetrieb 5 Softwareentwicklung 5 1 5 2 5 3 5 4 Problemdefinition und Anforderungsanalyse EWERT e Ae de cr Implementierung 4 noe a re ek re EE e Programmkurzbeschreibung 40 41 42 42 45 47 50 52 53 56 59 61 63 65 70 70 70 71 73 74 77 INHALTS
2. es Lor Op D i LG j H Ki e A X gekreuzte Querdisparation G G Abbildung 2 5 Gekreuzte bzw ungekreuzte Querdisparation Gold 97 Seite 227 2 2 3 K nstlich induzierte Tiefenwahrnehmung Die heutige 3D Computergrafik ist in der Lage auf Basis von 3D Modellen Darstel lungen zu generieren die allen monokularen Tiefenkriterien entsprechen Popul re Programmierschnittstellen wie OpenGL oder Direct3D stellen hierf r einen reichhal tigen Funktionsumfang bereit Die so entstehenden Bilder k nnen an Bildschirmen angezeigt oder mithilfe von Projektoren auf Leinw nde projiziert werden Ausreichend dimensionierte Darstellungsfl chen die einen Gro teil des Sichtfel des ausf llen sind in Lage auch ohne Stereoskopie einen hohen Grad an Immer sion zu erzeugen Dies ist vor allem auf Objekte zur ckzuf hren die auf Grund ihrer scheinbaren Entfernung eine gro e Wirkung monokularer wie bewegungsinduzierter Tiefenkriterien entfalten Um einen ann hernd echten r umlichen Eindruck n her liegender Objekte zu er zeugen muss man Stereopsis schaffen Hierf r bedient man sich dem Prinzip der Querdisparation Anstatt nur ein Bild der Szene zu erzeugen erzeugt man zwei Bilder aus leicht unterschiedlichen Kamerapositionen beziehungsweise winkeln um sie je einem Auge gleichzeitig darbieten zu k nnen Die Augen akkomodieren auf die Ent fernung zur Bildebene also zum Bildschirm oder zur Leinwand was dem Horopter 2 GRUNDL
3. Abbildung 3 1 Prototyp VR Objekt Display In klassischen VR Umgebungen wie CAVE oder HMD befindet sich die virtuelle Welt um den Betrachter herum er schaut wie durch Schaufenster auf virtuelle Objekte Zudem schr nken Installationen wie die CAVE den physischen Bewegungsfreiraum ein Um Objekte aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu sehen m ssen sie mithilfe von Eingabeger ten gedreht werden was durch die Abstraktion eine gewisse Distanz zum Objekt schafft Das VR Objekt Display projiziert virtuelle Objekte innerhalb eines zylindrischen Projektionsk rpers Im Gegensatz zur CAVE Technologie l sst das VR Objekt Display dem Betrachter alle physischen Freiheiten er kann um ein virtuelles Objekt komplett 50 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 51 herumgehen es aus jedem erdenklichen Blickwinkel erkunden wie es volumetrische Displays zulassen Dies entspricht nat rlichen Gewohnheiten und schafft eine starke Pr senz des dargestellten Objekts Auf Grund seiner Dimensionen ist das VR Objekt Display ausgesprochen immersiv Sogar lebensgroBe Personen lassen sich darstel len Die betrachterbezogene Darstellung kommt der eines Hologramms sehr nahe Somit wird auch eine weiterf hrende Interaktion mit Objekten erleichtert Anwendungsszenarien Eine Reihe von Anwendungsbeispielen sollen die vielf lti gen Einsatzm glichkeiten des Displays umreiBen Auf Grund seiner Form eignet sich das VR Objekt Display hervorragend zur Darstellung einzelner virtuelle
4. _thread HANDLE threadID DWORD hideToTray remove bool false MainWindow MainWindow onPolhemusData data PolhemusData openPolhemus bool setManager Manager PolhemusGUIManager idle onActivate hwnd HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onCommand hwnd HWND message UINT wParam WPARAM 1Param LPARAM BOOL CALLBACK onCreate hwnd HWND message UINT wParam WPARAM LlParam LPARAM BOOL CALLBACK onDestroy hwnd HWND message UNIT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onLButtonDown hwnd HWND message UINT wParam WPARAM 1Param LPARAM BOOL CALLBACK onMouseMove hwnd HWND message int wParam WPARAM 1Param LPARAM BOOL CALLBACK onMouseWheel hwnd HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBAC onRButtonUp hwnd HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onSize hwnd RWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onUser hDlg HWND message UINT wParam WPARAM 1Param LPARAM BOOL CALLBACK et i Wind A PolhemusGUICallback Abbildung A 3 Klassendiagramm PolhemusGUI Ausschnitt 3 A KLASSENDIAGRAMME DER ERSTELLTEN ANWENDUNGEN 104 d HWND HWND Instance HINSTANCE Parent HWND _created bool Template LPCSTR Dialog create modal bool instance HINSTANCE template LPCTSTR parent HWND bool show int i CK onClose hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARA
5. schiedenster Tracking und anderer Eingabeger te Auch eine Ausgabe auf verschie denen Systemen wie CAVE HMD oder Workbench ist mit ihnen m glich Zur Visuali 2 GRUNDLAGEN 41 sierung nutzen die Systeme echtzeitf hige 3D Grafik Schnittstellen wie OpenGL oder Direct3D Die Manipulation der virtuellen Welt erfolgt meist auf der Grundlage eines Szenengraphen Es gibt sowohl kommerzielle wie auch frei verf gbare Implementie rungen Zu den bekanntesten Vertretern geh ren die CAVELib und das WorldToolkit Das VR Software Projekt DIVERSE Device Independent Virtual Environments Re configurable Scalable Extensible h lt unter folgender URL eine ausf hrliche Liste von VR Software Systemen zum Abruf bereit http www diverse vt edu V RSoftwareList html letzter Abruf 29 10 2004 2 3 5 Anwendungsgebiete Der heutige technische Stand erlaubt der VR den Benutzer in beliebige Szenarien hinein zu versetzen Im Laufe der Entwicklung hat sich die VR aber f r einige spe zielle Anwendungsgebiete als besonders wertvoll herausgestellt Zu diesen geh ren die Bereiche Simulation und Training Ausbildung Unterhaltung Kunst Visualisierung Architektur Medizin und interaktive Zusammenarbeit Im folgenden sollen einige spe zielle Anwendungen n her gebracht werden In der Automobilindustrie wird VR in den letzten Jahren verst rkt eingesetzt um vor allem die Kosten w hrend der Entwicklung von neuen Modellen zu senken Bevor zugt an Powerw
6. te Bibliothek zur Ansteuerung des Data Glove 5 Datenhandschuhs Ihre Funktionen liefern die erkannten Gesten der Hand Anhang A enth lt vollst ndige Klassendiagramme der beiden entwickelten Anwen dungen 5 4 Programmkurzbeschreibung Abbildung 5 5 zeigt die Benutzeroberflache der Anwendung PolhemusGUI Zu sehen ist die dreidimensionale Darstellung eines Koordinatensystems die zur besseren An schauung um den Koordinatenursprung rotiert werden kann Die L nge einer Koor dinatenachse entspricht dabei einer virtuellen L ngeneinheit Zwei gelbe Kugeln re pr sentieren die Positionen der Tracking Sensoren nach einer Transformation in das VRML Koordinatensystem Eine textuelle Darstellung in der linken unteren Ecke des Fensters gibt die exakten Koordinaten der Sensoren wieder File View IOA Tracker Help Abbildung 5 5 Screenshot der Anwendung PolhemusGUI Zur Konfiguration der Anwendung kann ber das Men ein separater Dialog Abbil dung 5 6 aufgerufen werden Im oberen Gruppenfeld IOA k nnen IOA spezifische 5 SOFTWAREENTWICKLUNG 87 Einstellungen vorgenommen werden So lassen sich ber Eingabefelder die Netz werkadresse des IOA Servers DRS und ein Identifikator f r den IOA Client ange ben Das untere Gruppenfeld Polhemus des Dialogs enth lt Steuerelemente die al le das Tracking System betreffenden Einstellungen erm glichen Zun chst kann ber ein Kombinationsfeld das angeschlossene Polhemus Tracking System u
7. Addison Wesley 1994 BOWMAN Doug A KRUIJFF E et al 3D User Interface design Funda mental Techniques Theory and Practice ACM SIGGRAPH 2000 Course Notes 2000 BOWMAN Doug A KRUIJFF E et al SD User Interfaces Theory and Practice Addison Wesley 2004 CAREY R BELL G The Annotated VRML 2 0 Reference Manual Addison Wesley 1997 The CAVE at NCSA http cave ncsa uiuc edu letzter Abruf 14 10 2004 FAVALORA G E NAPOLI J et al 100 Million voxel volumetric display In Cockpit Displays IX Displays for Defense Applications Proceedings of SPIE Vol 4712 2002 S 300 312 FIFTH DIMENSION TECHNOLOGIES 5DT Data Glove 5 Benutzerhandbuch http www 5dt com downloads 5DT DataGlove5Manual pdf letzter Abruf 07 09 2004 FRAUNHOFER FIRST Internetauftritt http www first fraunhofer de letzter Abruf 01 10 2004 GIBSON W Neuromancer M nchen Heyne 1994 GLVIEw Homepage http home snafu de hg letzter Abruf 05 08 2004 92 LITERATUR UND QUELLENVERZEICHNIS 93 Gold 97 Hart 96 Hux 53 INFI Isa 02 McAII 93 Pau 95 POL Pou 96 GOLDSTEIN E Bruce Wahrnehmungspsychologie Eine Einf hrung Hei delberg Spektrum Akad Verl 1997 HARMAN J WERNECKE J The VRML 2 0 Handbook Building Moving Worlds on the Web Addison Wesley 1996 HUXLEY A Sch ne neue Welt Frankfurt am Main Fischer Taschenbuch Verlag erste Auflage 1953 INFITEC GMBH Infi
8. ber eine Tastatur heutiger Standard Ein fl ssiges Arbeiten mit dem Zehnfingersystem muss aber lang wierig erlernt werden Spracheingabe hingegen entspricht der nat rlichen Ausdrucks form des Menschen muss nicht erlernt werden und w rde damit den Immersionsgrad eines Systems deutlich erh hen 2 2 Menschliche Wahrnehmung Um Sinneseindr cke in einer VR zu immitieren muss man zun chst wissen wie Wahr nehmung funktioniert Gl cklicherweise sind heute die physiologischen psychologi schen und biochemischen Zusammenh nge der menschlichen Wahrnehmung weit gehend out erforscht Die Erkenntnisse dieser Forschung sind Grundlage dieses Ab schnitts der zeigen will wie r umliche Wahrnehmung zustande kommt 2 2 1 Der Sehapparat Das menschliche Auge hat sich im Laufe der Evolution zu einem perfekten Organ der visuellen Wahrnehmung entwickelt Seine prim re Funktion besteht darin elektroma gnetische Wellen speziell das Spektrum des sichtbaren Lichts in elektrische Impulse umzuwandeln die vom Gehirn verarbeitet werden k nnen Den Aufbau des Auges zeigt Abbildung 2 1 Die einzelnen Komponenten erf llen beim Sehen unterschied liche Aufgaben Das Licht tritt zun chst durch den vorderen Teil ins Auge ein Hier befinden sich Hornhaut Iris und Linse W hrend Hornhaut und Linse lichtdurchl ssig sind ist es die Iris nicht Sie l sst sich kreisf rmig ffnen und schlie en und regu liert somit die Intensit t des einfallenden Lic
9. scheint sich das per fekte Muster der eigentlich gleichgro en Quadrate mit zunehmender Entfernung zu verdichten Dies geschieht erfahrungsgem bei allen regelm igen Strukturen und kann bei Oberfl chen helfen Entfernungen relativ gut einzuordnen Bewegungsinduzierte Tiefenkriterien Die nderung des Standpunkts kann ganz enscheidend zur r umlichen Wahrnehmung einer Umgebung beitragen Besonders gut deutlich wird dies bei einer Zugfahrt bei der man aus dem Fenster blickt Durch f hrt man eine Landschaft stellt man schnell fest dass Vegetation in unmittelbarer Entferung sehr schnell am Gesichtsfeld vorbeizieht weit entfernte hingegen nur lang 2 GRUNDLAGEN 12 sam Die sogenannte Bewegungsparalaxe ist als Winkel nderung definiert die infol ge einer parallel zu einem Objekt vollzogenen Translation resultiert Anhand Abbil dung 2 2 l sst sich die Bewegungsparalaxe gut veranschaulichen In diesem Szena rio befinden sich die Objekte A und B in unterschiedlicher Entfernung zum Auge Der Betrachter bewegt sich nun von Position 1 zu Position 2 Die Projektionen der beiden Objekte auf der Netzhaut berstreichen dabei unterschiedlich gro e Winkel zwischen A und A beziehungsweise B und Ba Dies entspricht im Falle von Objekt A einer schnelleren Durchquerung des Blickfeldes im Gegensatz zu Objekt B Im Hinblick auf das oben angef hrte Beispiel lassen sich die scheinbar unterschiedlichen Geschwin digkeiten der Objekte mit der Ta
10. schen zwei Knoten her Auf diese Weise entstehen ganze Ereignisketten Am Beginn jeder Ereigniskette stehen VRML Sensoren Sie bilden eine spezielle Klasse von Kno ten und lassen sich in drei Gruppen unterteilen Zur Gruppe der zeitgesteuerten Sensoren geh rt nur der TimeSensor Oft durch einen TouchSensor siehe unten aktiviert erzeugt er periodische Ereignisse inner halb eines bestimmten Zeitintervalls Verkn pft mit Interpolatoren die wiederum mit einer sichbaren Geometrie verbunden sind bildet der TimeSensor die Grundlage f r Animationen ProximitySensor und VisibilitySensor bilden die Gruppe der indirekt vom Benutzer gesteuerten Sensoren Beide erzeugen Ereignisse in Abh ngigkeit von Position und Blickrichtung die aus einer Bewegung des Benutzers innerhalb einer Szene resultie 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 55 ren Ein ProximitySensor k nnte beispielsweise zur Simulation eines Bewegungsmel ders verwendet werden Sobald der Benutzer einen bestimmten Bereich betritt wird eine Ereigniskette ausgel st an deren Ende zum Beispiel ein Licht eingeschaltet wird Die dritte und vielleicht wichtigste Gruppe begr nden die direkt vom Benutzer ge steuerten Sensoren Zu ihnen geh ren TouchSensor SphereSensor CylinderSensor und PlaneSensor Sie erzeugen Ereignisse infolge einer Eingabe die der Benutzer mithilfe von Zeigeger ten t tigt blicherweise kommen dabei Maus oder Trackball als Zeigeger te zum Einsatz Im Zuge der Betrachtung der
11. sste die gleiche Hauptansicht des Objekts zeigen sodass we nigstens eine gemeinsame Diskussionsgrundlage best nde Au erdem m sste der gemeinsame Zugriff auf das Objekt geregelt werden um Deadlock Situationen bei der Manipulation zu vermeiden Die Anwendung von Multiplex Verfahren bei der Darstellung w rde ein gemeinsa mes Betrachten eines Objekts erm glichen ohne dass das Display in Arbeitsbereiche aufgeteilt werden m sste Das Infitec Verfahren ist grunds tzlich in der Lage mehr als zwei Bilder voneinander zu trennen Daf r w rden jedoch mehr Projektoren ben tigt die aus Gr nden des Aufbaus aber nicht mehr untergebracht werden k nnen Multi plexing w rde zudem auch nicht das Deadlock Problem l sen 5 Softwareentwicklung Zur Umsetzung der Interaktionskonzepte wurden IOA Ger tetreiber f r Polhemus Tracking Systeme und den Datenhandschuh Data Glove 5 der Firma Fifth Dimension Technologies implementiert Das folgende Kapitel beschreibt den Prozess der Softwa reentwicklung f r die beiden im Rahmen der Arbeit entwickelten Anwendungen Des Weiteren erfolgt eine kurze Beschreibung der Anwendungen 5 1 Problemdefinition und Anforderungsanalyse Aus den entwickelten Interaktionskonzepten ergeben sich verschiedene Anforderun gen an die zu implementierende Software Zun chst soll die IOA um eine Anbindung an die DRS internen Schnittstellen 3D Cursor und Viewer siehe Abschnitt 3 1 2 er weitert werden Dazu ist es notwendi
12. tze angebracht Zur Erh hung der Reichweite auf 4 5 m ohne Reduzierung der Genauigkeit kann der Polhemus FASTRAK mit dem besseren Sender Long Ranger Abbildung 3 12 ausge 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 67 stattet werden Ein Stylus und der Polhemus Long Ranger standen f r die Diplomarbeit ebenfalls zur Verf gung Xin Abbildung 3 11 Basiseinheit des Abbildung 3 12 Polhemus Long Polhemus FASTRAK Ranger Datenhandschuh Der Data Glove 5 der Firma Fifth Dimension Technologies geh rt zur Klasse der Bend Sensing Gloves Abschnitt 2 3 3 1 Er funktioniert mithilfe von Leuchtdioden und besitzt eine Glasfaserschlaufe pro Finger Der Datenhandschuh wird ber die RS232 Schnittstelle an den Rechner angeschlossen und wurde zur Positions und Orientierungsbestimmung der Hand mit einem Polhemus Standard empf nger versehen Abbildung 3 13 5DT Data Glove 5 mit Polhemus Standardempf nger 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 68 PDA PDAs Personal Digital Assistant sind Taschencomputer die in einer Hand ge halten werden k nnen Auf Grund ihrer Gr Be verf gen sie ber einen Touch Screen und ben tigen keine Tastatur um Eingaben zu t tigen Trotzdem besitzen sie einige wenige Tasten die spezielle Funktionen bernehmen so zum Beispiel ein Cursor Kreuz Um gr tm gliche Mobilit t zu gew hrleisten sind moderne Ger te mit drahtlosen Netzwerktechnologien wie Bluetooth oder WLAN ausger stet Abbildung 3 14 Hewlett Packard
13. 4 5 Gleichung 1 sowie deren Umformungen Glei chung 2 und 3 zeigen den Zusammenhang zwischen der Entfernung des Betrachters zum Display und der Ausnutzung des Displays in Grad Der Radius des Displays be tr gt r 65cm 2a entspricht dem Winkel der sichtbaren Fl che bei einem Abstand a zum Display W rde man das Display auf drei Benutzer aufteilen wollen 2a 120 ergibt sich ein Abstand a 65cm zum Display Dieser wird aber als zu klein erachtet da er ein besonders unnat rliches Verh ltnis zwischen Konvergenz und Akkomodation Abschnitt 2 2 3 und damit eine starke Anstrengung der Augen zur Folge h tte Eine Betrachterentfernung von a 150cm wird hingegen als ausreichend gro angese hen Somit erg be sich eine Ausnutzung des Displays von 2a 144 8 Daraus folgt dass nur zwei Benutzer gleichzeitig am Display arbeiten k nnten Die Benutzer w ren jedoch in ihrem Bewegungsspielraum eingeschr nkt was einen Bruch des Grund prinzips des VR Objekt Displays ein virtuelles Objekt komplett umrunden zu k nnen 4 INTERAKTIONSKONZEPTE 78 bedeutete Display Zylinder Betrachterstandpunki Abbildung 4 5 Entfernung und Displayausnutzung cosa r a T a r COS Q Q arccos d 3 r a Des Weiteren musste definiert werden wie eine gemeinsame Arbeit an ein und dem selben Objekt erm glicht wird da sich die beiden Teilnehmer nicht sehen k nnen 4 INTERAKTIONSKONZEPTE 79 Jede Hemisph re m
14. Behindern der Sicht auf den Bildschirm geschieht abwechselnd Wird einem Auge die Sicht auf den Bildschirm verwehrt wird dem anderen ein entsprechen des Bild der Szene dargeboten Die hierf r notwendige Synchronisation zwischen Bild schirm und Brille ist meistens kabellos ber Infrarot realisiert Die Wechselfrequenz entspricht der H lfte der Darstellungsfrequenz Letztere ist bedingt durch die meist verwendete LCD Shuttertechnik nach oben hin auf etwa 120Hz begrenzt Als Mini mum wird eine Darstellungsfrequenz von 60Hz angesehen da das bei niedrigeren Frequenzen infolge des Abdunkelns enstehende Flackern als beraus st rend emp funden wird Bei geeigneter Wechselfrequenz ist das Gehirn nicht mehr in der Lage die Einzelbilder zu trennen die daraufhin zum erw nschten dreidimensionalen Ein druck verschmelzen L RJLJ JRI LIR Darstellung gt Darstellungsfrequenz VE linke Blende EN WW SI rechte Blende ak Wechselfrequenz M Zeit Abbildung 2 7 Aktive Bildtrennung Zeitmultiplexing 2 GRUNDLAGEN 18 Abbildung 2 8 LCD Shutterbrille CrystalEyes 3 von StereoGraphics Passive Bildtrennung Passive Bildtrennungsmechanismen basieren auf der Filte rung des Lichts Bekannt sein d rfte das anaglyphe Filterungsverfahren Hierbei wer den die beiden Bilder in zwei prim ren Farbt nen dargeboten zum Beispiel rot und blau Eine getragene Brille mit entsprechenden Farbfiltern als Gl ser trennt dann die beiden Bilde
15. Dies ist unter anderem auf die Klas se von Anwendungen zur ckzuf hren f r die sie konzipiert wurden Um mit einem VR System optimal arbeiten zu k nnen sollte nach BORMANN zum Beispiel auch das Eingabeger t eine dreidimensionale Aufl sung anbieten Bor 94 Seite 49 Da die virtuelle Realit t auch wie in Abschnitt 2 1 erw hnt als die sechste Generation von Computern betrachtet werden kann gibt es nat rlich speziell entwickelte Aus und Eingabeger te f r eine F lle von Anwendungsgebieten Die folgenden Unterkapi tel besch ftigen sich daher eigens mit dieser Thematik 2 3 1 Ausgabeger te 2 3 1 1 Head Mounted Display Head Mounted Displays HMD sind vom Prinzip her mit Brillen vergleichbar Grund 2 GRUNDLAGEN 22 s tzlich unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Auspr gungen Bildschirmbrillen Display HMD trennen den Benutzer vollst ndig von der reellen Umgebung und erm glichen den Aufbau einer v llig neuen virtuellen Welt Dazu wird vor jedes Auge ein separates LC Display platziert Je nach verwendeter Optik wird eine relativ gro e Leinwand in einiger Entfernung suggeriert Wird die virtuelle Um gebung zudem in stereoskopischen Halbbildern pr sentiert kann dem Benutzer ein echter dreidimensionaler Eindruck vermittelt werden Bildschirmbrillen bestechen da mit durch einen recht hohen Grad an Immersion Durchsicht HMDs See Through HMDs haben die prim re Funktion die reelle Um gebung mit zus tzlich
16. Displays 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 65 Da heutige polarisationserhaltende Projektionsfl chen nicht ber einen geeigneten Biegeradius verf gen kann die Polarisaton als bew hrte Methode stereoskopische Halbbilder voneinander zu trennen f r das VR Objekt Display nicht angewendet wer den Aus diesem Grund kommt beim VR Objekt Display f r die stereoskopische Pro jektion das Infitec Verfahren zum Einsatz Infitec Filter bewirken jedoch eine in Ab schnitt 2 2 3 beschriebene Farbverzerrung F r das VR Objekt Display wurde daher ein Pixelshader entwickelt der eine Farbtransformation auf dem linken beziehungs weise rechten stereoskopischen Halbbild durchf hrt 3 5 Verwendete Interaktionsger te Abschnitt 2 3 2 sowie 2 3 3 stellen Eingabeger te vor die h ufig in Verbindung mit VR Systemen verwendet werden Der folgende Abschnitt beschreibt eine Reihe von Eingabeger ten die f r eine Interaktion speziell mit dem VR Objekt Display Anwen dung fanden Polhemus Tracker Die Ger te der Firma Polhemus basieren auf elektromagneti schem Tracking siehe Abschnitt 2 3 2 4 und verf gen ber sechs Freiheitsgrade F r diese Arbeit standen drei Modelle zur Verf gung die sich vor allem in ihrem Preis Leistungs Verh ltnis unterschieden Zwei ltere Ger te vom Typ ISOTRAK II und FASTRAK sowie ein neueres Ger t vom Typ PATRIOT In der Grundausstat tung bestehen alle Ger te aus einer Basiseinheit einem Standardsender und ein oder mehreren
17. Empf ngern siehe Abbildung 3 11 3 9 3 10 Sender und Empf nger sind ber Kabel mit der Basiseinheit verbunden die wiederum ber die RS232 Schnittstelle an den Rechner angeschlossen wird ISOTRAK II und PATRIOT stellen Einstiegs modelle dar welche ber geringere Reichweite Genauigkeit und Aufl sung als der FASTRAK verf gen Au erdem lassen sich an den FASTRAK bis zu vier Empf nger anschlie en Auf Grund seiner Eigenschaften siehe Tabelle 3 1 wurde der FASTRAK f r den Einsatz am VR Objekt Display favorisiert Neben den Standardkomponenten bietet Polhemus f r seine Ger te eine Reihe 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 66 Eigenschaft Wert Reichweite 76 cm mit garantierter Genauigkeit bis 305 cm mit ab nehmender Genauigkeit Genauigkeit 0 08 cm beziehungsweise 0 15 Aufl sung 0 0005 cm beziehungsweise 0 025 Verz gerung 4 ms Aktualisierungsrate 120 Hz f r einen Empf nger Tabelle 3 1 Spezifikationen Polhemus FASTRAK von Zubeh rteilen an Darunter zum Beispiel der Poolball eine ausgeh hlte Billardku gel in deren Inneren sich ein Empf nger verbirgt Auf seiner Oberfl che befinden sich zudem zwei Druckkn pfe Als Digitalisierwerkzeug gedacht verf gt auch der soge nannte Stylus ber einen Druckknopf Poolball und Stylus lassen sich als Wand siehe Abschnitt 2 3 3 2 einsetzen Abbildung 3 9 Polhemus Stan Abbildung 3 10 Polhemus Stan dardsender dardempf nger an Baseball M
18. Hand bezeichnet Indirekt geschieht die Selektion eines Objektes indem man darauf zeigt Dies er fordert einen Zeigevektor der vorrangig aus Tracking Informationen gewonnen wird Er kann beispielsweise die Verl ngerung eines Armes bilden Des Weiteren kann der Vektor aus Handposition und orientierung analog auch aus Kopfposition und orientierung Blickrichtung Kopf und Handposition sowie den Positionen und Ori entierungen beider H nde abgeleitet werden Ein Zeigevektor kann zudem unterschiedliche Merkmale aufweisen So definiert seine L nge beispielsweise einen diskreten Aktionsradius Der Vektor kann entweder einen Selektionsstrahl oder ein Selektionsvolumen beschreiben Ein Selektionsvolu men hnlich einem Taschenlampenstrahl der sich kegelf rmig ausbreitet besitzt den Vorteil dass kleine und weit entfernte Objekte leichter erfassbar sind Der Nachteil be steht darin dass sich eine eindeutige Selektion bei dicht beieinander liegenden Objek ten eher schwierig gestaltet Des Weiteren kann der Vektor ber Flexibilit t verf gen und einen gekr mmten Verlauf anzeigen wodurch auch teilweise verdeckte Objekte selektiert werden k nnen Die verschiedenen Varianten des Vektors erfordern unterschiedliche Repr senta tionen Er kann als komplett durchgezogener Strahl oder als 3D Cursor am Endpunkt visualisiert werden Mit dem Zeigen ist der Vorgang der Selektion jedoch noch nicht abgeschlossen Benutzer und System m ssen die Selekti
19. Objekte aus Primitivobjekten zusammengesetzt werden Dabei werden bevorzugt Bewegungen der Hand als Transformationen auf virtuelle Objekte abgebil det Weitere formerhaltende Manipulationen bilden Farb oder Textur nderungen Form nderungen er ffnen dar ber hinaus viel mehr M glichkeiten Manipulationen an Objekten vorzunehmen k nnen aber auf Grund ihrer mathematischen Komplexit t nur teilweise in Echtzeit Anwendungen implementiert werden 2 3 6 3 Systemsteuerung Die Systemsteuerung beschreibt das Absetzen von Kommandos das Umschalten von Modi sowie das Einstellen von Parametern die den Zustand oder das Verhal ten des Systems ndern Hierzu geh ren zum Beispiel das Laden von Szenen oder 2 GRUNDLAGEN 48 zus tzlicher Objekten das ndern physikalischer Gesetzm igkeiten Schwerkraft Kollisionserkennung oder das Umschalten zwischen verschiedenen Rendering so lid wireframe stereo mono Fortbewegungs oder Manipulationsmodi Eine System steuerung kann mit unterschiedlichen Techniken realisiert werden Das Einblenden von zweidimensionalen Men s im Sichtbereich des Benutzers ist eine davon Durch Selektion von Men punkten k nnen entsprechende Kommandos aus gel st werden Eine spezielle Art von Men s sind die TULIP Men s Three Up La bels In Palm die mit der Virtual Hand Metapher verbunden werden Dabei werden zur virtuellen Repr sentation der Hand an jedem Finger Schriftz ge eingeblendet die Men punkten ent
20. Schnittstellen des DRS siehe Abschnitt 3 1 2 wird sich jedoch herausstellen dass auch Eingabeger te mit einer dreidimensionalen Aufl sung f r Zeigeoperationen genutzt werden k nnen Da Sensoren von konzeptioneller Natur sind besitzen sie generell keine unmit telbare Auspr gung in visueller Form Um direkt steuerbare Sensoren auszul sen k nnen sie mit sichtbaren Geometrien gruppiert werden Zeigt der Benutzer auf ei ne mit einem direkt steuerbaren Sensor assoziierte Geometrie kann im Falle des TouchSensors durch Dr cken eines Knopfes am Zeigeger t eine Ereigniskette initiiert werden Um komplexes Verhalten einer Szene zu definieren werden in die Ereignis ketten von TouchSensoren bevorzugt Script Knoten eingearbeitet die die M glichkeit einer freien Programmierung bieten Bei SphereSensor CylinderSensor und Plane Sensor wird das Dr cken des Knopfes mit einer Zugbewegung kombiniert dragging Die so ausgel sten Ereignisse beinhalten Rotationen SphereSensor CylinderSensor beziehungsweise Translationen PlaneSensor die in der Regel direkt auf den berge ordneten Transform Knoten geroutet werden der ebenfalls die assoziierte Geometrie enth lt Das Ergebnis ist also eine entsprechende Transformation der Geometrie VRML gilt unterdessen als berholt Der vom Web3D Konsortium entwickelte Nach folger X3D bietet auf Grund seiner komponentenbasierten Architektur mehr Flexibilit t als VRML97 Das auf XML basierende Format befindet
21. Server DRS gesendet werden Die Einstellungen der Eingabeger te soll komfortabel ber eine grafische Benutzerschnittstelle erfolgen Alle Konfigurationsparameter sollen dabei ber die Laufzeit des Programms hinaus erhalten bleiben Auf Grund des Entwicklungsstatus und um die Software einfacher wartbar und erweiterbar zu halten ist es von Vorteil zwei Anwendungen den Eingabeger ten ent sprechend zu entwickeln Dieser Ansatz passt perfekt in die Komponentenarchitektur der IOA Jede der beiden Anwendung wird als seperater IOA Client fungieren Die beiden resultierenden Anwendungen sollen die Namen PolhemusGUl und Glove tragen W hrend PolhemusGUI f r die Verarbeitung der verschiedenen Tracker ver antwortlich ist soll Glove eine Verbindung zum Datenhandschuh herstellen 5 2 Entwurf Der Entwurf erfolgt objektorientiert Dazu wird die aus den verschiedenen Anforderun gen resultierende Funktionalit t entsprechenden Klassen und ihren Methoden zuge ordnet Beim Aufbau einer geeigneten Programmstruktur wird das aus dem Softwareen gineering bew hrte Model View Controller MVC Entwurfsmuster angewendet Die ses sieht vor die Anwendung in verschiedene Komponenten zu zerlegen die unter schiedliche Aufgaben bernehmen und in der Lage sind miteinander zu kommuni zieren siehe Abbildung 5 1 Basis der Anwendung ist das Datenmodell Model das eine Abstraktion des umzusetzenden Problems in Programmform bildet Die Benutzer s
22. Strom induziert Sender und Empf nger solcher aktiven Systeme bestehen jeweils aus drei senk recht zueinander angeordneten Spulen In einem Zyklus wird nacheinander Spannung an alle drei Spulen des Senders angelegt An den drei Spulen der Sensoren wird dann 2 GRUNDLAGEN 36 jeweils der induzierte Strom gemessen Auf Grund der Tatsache dass das Feld par allel zu einer stromdurchflossenen Spule stark und senkrecht zu ihr eher schwach ausf llt differieren diese Str me Insgesamt neun Messungen pro Zyklus ben tigt al so ein komplizierter mathematischer Algorithmus f r die Positions und Orientierungs bestimmung eines Empf ngers Die Anzahl der Messzyklen pro Empf nger bewegen sich zwischen 30 und 120Hz Die Leistung auf dem Markt befindlicher Systeme unterscheidet sich teilweise be tr chtlich Beispielsweise variiert die Reichweite zwischen einem und neun Metern und die Anzahl einsetzbarer Sensoren zwischen einem und zwanzig Die Genauigkeit der Ger te nimmt mit zunehmender Entfernung zum Sender ab Elektromagnetische Trackingsysteme haben zudem einen weiteren gro en Nachteil Andere Strahlungs quellen sowie ferromagnetische Metallelemente in der Umgebung deformieren das elektromagnetische Feld und verf lschen somit die resultierenden Daten Positiv zu bewerten ist jedoch die Tolleranz gegen ber nichtmetallischen Hindernissen im Raum zwischen Sender und Empf nger Nestof Birds Abbildung 2 23 Nest of Birds von Acension Te
23. eine Erkundung der Umgebung oder das Aufsuchen eines bestimmten Zieles sein Um Bewegungen aktiv zu steuern m ssen unterschiedliche physische echte Bewegungen mithilfe verschiedener Me thoden und Eingabeger te auf eine virtuelle Fortbewegung abgebildet werden Diese Abbildung kann auf eine mehr oder weniger nat rliche Art und Weise geschehen Man unterscheidet daher zwischen Methoden die eine nat rliche Entsprechung besitzen und abstrakten Metaphern Das Betrachter Tracking ist die einzige Technik bei der eine physische Translation oder Rotation des K rpers des Benutzers unmittelbar in eine virtuelle Bewegung um gesetzt wird Alle anderen Techniken sind immer mit einer gewissen Abstraktion ver bunden Bei simulierten physischen Bewegungen kommen spezielle Ger te Locomotion Devices wie Laufb nder Stepper oder fahrrad hnliche Hometrainer zum Einsatz Physisch gesehen bleibt der Benutzer an Ort und Stelle Eine auf das Ger t bert ragene Bewegung kann aber in eine entsprechende Fortbewegung in der virtuellen Welt bersetzt werden Ein weitere Methode wird als Grabbing the Air bezeichnet Hierzu werden Da tenhandschuhe eingesetzt Der Benutzer greift an eine Position und bewegt daraufhin seine Hand Das Resultat ist eine entsprechende Bewegung durch die virtuelle Welt Die Technik ist vergleichbar mit dem Entlanghangeln an einem imagin ren Seil Simulierte Fahrzeuge wie Autos oder Flugzeuge eignen sich gut zur berwindu
24. erbauten Realit t existiert Idealisten hingegen sehen Realit t als relativ an und betrachten genau diese im Menschen geschaffene Realit t als sol che BORMANN gibt eine Definition nach Hans J rg Sandk hler Wirklichkeit ist dann das Synonym f r objektive Wirklichkeit oder materielle Wirklichkeit dasjenige was nicht nur vorgestellt oder gedacht wird sondern unabh ngig von unserem Vorstellen oder Denken an sich besteht Bor 94 Seite 24 Die offensichtliche Unvereinbarkeit der beiden Termini erschwert eine klare Vor stellung vom Begriff Virtuelle Realit t Betrachtet man jedoch in der einschl gigen Li teratur partiell synonym benutzte Ausdr cke wie virtuelle Welten virtuelle Umgebung oder k nstliche Realit t erschlieBt sich eher die wirkliche Bedeutung In Wahrheit ist VR der Versuch verschiedenste seit den sechziger Jahren laufende Projekte unter einem Oberbegriff zu vereinen Schon damals entwickelte Systeme erlaubten es ber geeignete Ein und Ausgabemethoden dreidimensionale Modelle in Echtzeit zu be trachten und mit ihnen zu interagieren Einige Definitionen von VR legen besonderen Wert auf die Interaktion sowie auf die Exploration virtueller Welten und betrachten VR vor allem auch als Benutzerschnitt stelle So kann die VR nach BORMANN auf Grundlage einer von John Walker entwi ckelten Klassifikation siehe Tabelle 2 1 auch als die sechste Generation von Com putern zu verstehen sein da sie den vorerst
25. iPAQ H4150 mit laufender Anwendung Gyromaus Gyrom use sind Adaptionen herk mmlicher Desktop M use Sie haben ebenfalls zwei Freiheitsgrade und zwei oder mehrere Tasten Die Ger te werden vom Benutzer in der Hand gehalten und generieren Daten aus Orientierungs nderungen im Raum Gyrom use gibt es in unterschiedlichen Ausf hrungen mit Kabelverbindung sowie kabellos ber Funk kommunizierend 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY Abbildung 3 15 Gyration Gyrom use 69 4 INTERAKTIONSKONZEPTE 70 4 Interaktionskonzepte Das VR Objekt Display soll dem Benutzer den Eindruck vermitteln dass sich das dargestellte virtuelle Objekt fest innerhalb des Projektions Zylinders befindet und er mit diesem interagieren kann Die Entwicklung hierf r geeigneter Interaktionskonzepte wird von mehreren Rahmenbedingungen begleitet Die Interaktionen sollen auf dem Interaktionskonzept von VRML aufbauen und die vom DRS zur Verf gung gestellten Schnittstellen nutzen 4 1 Entwurf 4 1 1 Fortbewegung Konzeptbedingt eignet sich das VR Objekt Display nur zur Darstellung einzelner Ob jekte deren Standpunkt sich in der Mitte des Display K rpers befindet Eine Fortbe wegung durch gro e virtuelle Landschaften ist nicht notwendig Hingegen kann sich der Betrachter physikalisch dem Display n hern beziehungsweise davon entfernen sowie es umrunden um andere Sichten auf das Objekt einzunehmen Gew nscht ist ein Verhalten das dem volumetrischer Displays Absc
26. letzten Stand der Mensch Computer In teraktion Bor 94 Seite 19 darstellt Ein weiterer Begriff der h ufig neben VR auftaucht ist der Cyberspace gepr gt durch die Science Fiction Trilogie Neuromancer von William Gibson Gib 94 Dort haben sich die Menschen einen k nstlichen Raum geschaffen der aus dem Abbild s mtli 2 GRUNDLAGEN 5 Generation Bedienungsweise Barriere 1 Schalttafeln zweckgerichtete Installation Bedienungsfront 2 Lochkartenstapel Aufgabenferneingabe Tresen 3 Fernschreiber Timesharing Terminal 4 Men systeme Men hierarchie 5 Bildverarbeitung Fenster Bildschirm Tabelle 2 1 Klassifikation von Computern anhand der Bedienung Bor 94 Seite 19 cher auf der Welt gespeicherten Daten besteht Nicht zu bersehen ist dass auch das Internet diesen Charakterzug tr gt weswegen der Ausdruck Cyberspace auch gerne in den Medien Verwendung findet In Neuromancer sind die Menschen mit einer di rekten Verbindung ihres Nervensystems an die Matrix einem weltweiten Netzwerk angeschlossen und k nnen so mit allen Sinnen im Cyberspace umherwandeln Be trachtet man VR als Technik um als Individuum mit einer k nstlichen Welt in Kontakt zu treten muss man zwischen VR und Cyberspace unterscheiden Der Cyberspace ist eher eine Form des Seins Bor 94 Seite 26 und VR in diesem Fall lediglich eine Voraussetzung daf r Deutlich wird dass VR als Begrifflichkeit nicht unumstr
27. msg const char Abbildung A 1 Klassendiagramm PolhemusGUI Ausschnitt 1 101 A KLASSENDIAGRAMME DER ERSTELLTEN ANWENDUNGEN 102 PolhemusGUIManager alignment float 9 comport HANDLE CScomport CRITICAL SECTION CSdata CRITICAL SECTION CSmembers CRITICAL SECTION data PolhemusData Debug PolhemusDebug hemisphere int newdata int outPutFormat int Protocol PolhemusProtocol _receivers int running bool stationstatus bool _status PolhemusStatus _Thread HANDLE _ThreadID DWORD _transmitmode int _units int close defineAlignment receiver int Ox float Oy float Oz float Xx float Xy float Xz float Yx float Yy float Yz float enableDebug debug PolhemusDebug getData data PolhemusData zi getData receiver int data PolhemusData getProtocol int getReceivers stationstatus bool int getStationStatus status bool timeout DWORD 500 bool getStatus status PolhemusStatus timeout DWORD 500 bool getTransmitMode int init bool open com int baudrate int bool opened bool mus Polhemus reinitialize bool resetAlignment receiver int bool setAttitudeFilter filter PolhemusFilterSet bool setHemisphere receiver int hemisphere i bool setHemisphere receiver int x float y float z float setOutputFormat format int bool setPositonFilter filter PolhemusFilterSet bool setProtocol protocol int bool setQuietMode qu
28. noch kein fertiger Prototyp des VR Ob jekt Displays zur Verf gung Um ungeachtet dessen mit der Entwicklung eines Inter aktionskonzepts und der damit verbundenen Software beginnnen zu k nnen wurde ein Versuchsaufbau eingerichtet der in grunds tzlicher Beschaffenheit und im Visua lisierungsverhalten dem intendierten VR Objekt Display entsprach Hierf r wurden zun chst f nf Rechner mit entprechender Netzwerktechnik in einem 150 cm hohen und mobilen Regal untergebracht Auf dem Regal in relativer Augenh he wurden vier 17 Zoll groBe TFT Monitore quadratisch angeordnet um in der Gesamtheit eine Darstellungsfl che von 360 zu suggerieren Auf dieser Topologie aufbauend konnte 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 60 ein DRS Mono Setup Abbildung 3 4 mit einem Server und vier Clients eingerichtet werden Abbildung 3 4 DRS Mono Setup des Versuchsaufbaus An einem separaten Arbeitsplatz wurde die f r das Interaktionskonzept notwendige Software entwickelt und im Zusammenspiel mit dem DRS Mono Setup getestet Daf r war es notwendig Arbeitsplatz und DRS Mono Setup durch FastEthernet miteinander 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 61 zu verbinden um einen z gigen Datentransfer sicherzustellen Des Weiteren geh rten unterschiedliche im Rahmen der Entwicklung des Interaktionskonzepts zu testende Eingabeger te zum Versuchsaufbau Zu diesen geh rten unter anderem drei unter schiedliche Modelle von Polhemus Trackingsystemen ein Datenhandschuh ein
29. sich derzeit kurz vor einer offiziellen Verabschiedung durch die ISO 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 56 3 1 2 Schnittstellen Das DRS bietet eine Reihe von Schnittstellen die im Rahmen dieser Diplomarbeit ge nutzt wurden und an dieser Stelle n her erl utert werden sollen In Abschnitt 2 3 1 2 wird unter anderem auf das in einer CAVE bestehende Verzer rungsproblem hingewiesen Bei der Entwicklung des DRS wurde eine entsprechen de Schnittstelle der sogenannte Viewer zur L sung dieses Problems definiert Der Viewer repr sentiert die Position f r welche die Darstellung der Szene korrekt berech net wird Mithilfe eines Trackers kann diese in Echtzeit angepasst werden Steht kein Tracker zur Verf gung kann der Viewer statisch in der Konfigurationsdatei des DRS festgelegt werden Bei einem CAVE Aufbau befindet sich die Projektionsfl che um den Betrachter herum Das Konzept des VR Objekt Displays sieht hingegen vor dass der Benutzer die virtuelle Umgebung von au en sieht Die Viewer Schnittstelle und der damit ver bundene Algorithmus zur Anpassung der Projektion sind so flexibel dass auch f r diesen Fall eine korrekte perspektivische Darstellung erm glicht werden kann Das DRS bietet mit dem 3D Cursor eine Interaktionsschnittstelle zwischen Nutzer und virtueller Realit t Diese erm glicht es mit unterschiedlichen Zeigeger ten VRML Sensoren einer Szene anzusteuern Beispielsweise ist es ber das Ausl sen eines TouchSensors m g
30. sind die Klassen ihren dem modifizierten MVC Modell entsprechenden Komponenten zugeordnet Model PolhemusProtocolPatriot gt PolhemusDebug i I gt lOADebug EditControlDebug PolhemusProtocollsotrak 1 1 1 PolhemusProtocolFastrakT 1 1 PolhemusProtocol KF lt L gt PolhemusGLContext K SettingsDialog m V LogDialog OpenGLContext AboutDialog User Interface Abbildung 5 3 Klassendiagramm PolhemusGUI Die Klasse Polhemus kapselt alle Funktionalit ten um mit den Trackern zu kommu nizieren Dazu erzeugt sie eine Instanz der jeweils zu verwendenden Protokollklasse in Abh ngigkeit des benutzten Tracker Modells Kontrolliert wird die Klasse Polhemus durch die Klasse PolhemusGUIManager Diese besitzt unter anderem auch eine In stanz eines OAClients die wie bereits erw hnt eine Kommunikation mit dem DRS sicherstellt PolhemusGUIManager nimmt nicht nur eine zentrale Position im Daten 5 SOFTWAREENTWICKLUNG 84 modell ein sondern bildet auch die u ere Schnittstelle zur Benutzerschnittstelle Die Kommunikation zwischen Datenmodell und Benutzeroberfl che erfolgt bidirektional Dazu h lt MainWindow eine Referenz auf den PolhemusGUIManager und kann so mit Methoden an ihm ausf hren Gleichzeitig implementiert sie die abstrakte Klas se PolhemusGUICallback auf die der PolhemusGUIManager wiederum eine Refe renz besitzt Bei Daten nderung ist PolhemusGUIManager so
31. vorzunehmen Eine vierte Variante nutzt eine Gyromaus zur Erzeugung des Richtungsvektors Sie verf gt ber ein eigenes Tracking System zur Orientierungsbestimmung Als Aus gangspunkt f r das Ray Casting dient dabei die Kopfposition Die oben beschriebenen Steuerungen eines Richtungsvektors erm glichen das Pla zieren des 3D Cursors auf einem virtuellen Objekt und somit seine Selektion Zur Best tigung der Selektion bieten sich visuelle Hervorhebungen an So k nnte das Objekt seine Farbe Gr e oder Beleuchtung ndern selbst leuchten blinken eine zus tzliche Aura oder Bounding Box erhalten sowie in einer anderen Darstellungsart wireframe transparent gezeichnet werden Eine Hervorhebung k nnte entweder au tomatisch vom DRS vorgenommen oder in der VRML Szene implementiert sein Eine Manipulation von Objekten erfolgt durch das in VRML beschriebene Konzept der Sensoren Der 3D Cursor reagiert hierbei auf alle direkt vom Benutzer steuerbaren Sensoren Abschnitt 3 1 1 Diese erm glichen zum einen alle primitiven Transforma tionen Sphere beziehungsweise CylinderSensor erlauben eine Rotation und der Pla 4 INTERAKTIONSKONZEPTE 73 neSensor eine Translation von Objekten Die Bewegung des 3D Cursors wird dabei auf die entsprechende Transformation abgebildet Zum anderen k nnen komplexere in VRML implementierte Interaktionen mit dem TouchSensor ausgel st werden Das Ausl sen der Sensoren geschieht durch ein konkretes Ereignis
32. 99 Glossar CAVE DOF DRS FIRST HMD IOA ISO MFC MVC PDA TCP IP UDP Cave Automatic Virtual Environment Ein Raum auf dessen W nde dreidimensionale Darstellungen projiziert werden Erlaubt mehre ren Benutzern gleichzeitig in eine virtuelle Welt einzutauchen Degree of Freedom Beschreibt Anzahl von Freiheitsgraden in der VR Distributed Rendering Software Bei FIRST entwickelte 3D Cluster Software basierend auf VRML Fraunhofer Institut f r Rechnerarchitektur und Softwaretechnik Head Mounted Display Auch als Bildschirmbrille bezeichnet Input Output API F r das DRS entwickelte Schnittstelle zum Ein binden von Ein Ausgabeger ten jeglicher Art International Organization for Standardization Internationale Ver einigung der Standardisierungsgremien von 148 L ndern Microsoft Foundation Classes Objektorientierte Bibliothek zum Programmieren von Benutzeroberfl chen unter Windows Model View Controller Entwurfsmuster aus der Softwareentwick lung Personal Digital Assistent Auch Palmtop oder Handheld genannt Kleiner Taschencomputer Transmission Control Protocol Internet Protokoll Familie De facto Protokollstandard des Internets User Datagram Protocol Schnelles Protokoll ohne Fehlerkorrektur Setzt auf TCP IP auf 95 UML VR VRML Wand Unified Modeling Language Virtuelle Realit t Techniken und Methoden die es einem Benutzer erlauben in eine co
33. AGEN 16 entspricht und erfassen durch Konvergenz gemeinsame Bildpunkte Punkte oder Ob jekte die gekreuzte Querdisparation erzeugen scheinen nun vor der Bildebene zu schweben Objekte mit ungekreuzter Querdisparation hinter ihr siehe Abbildung 2 5 Bei diesem Ansatz kann es geschehen dass die beiden okulomotorischen Refle xe in keinem nat rlichen Verh ltnis zueinander stehen Eine solch typische Situation zeigt Abbildung 2 6 Die durch Konvergenz suggerierte scheinbare Entfernung zum Objekt steht im Widerspruch zur tats chlichen Entfernung zur Bildebene Des Weite ren k nnen unverh ltnism ig eingestellte Kamerawinkel zu unnat rlichen Augenstel lungen wie Divergenz f hren Ein Betrachten solcher Bilder kann daher oft von gro er Anstrengung und Unbehagen begleitet sein Objektabbild rechts Objektabbild links _ Bildebene Echte Entfernung Scheinbare Entfernung Abbildung 2 6 Konflikt Konvergenz Akkomodation Ein weiteres grunds tzliches Problem das zudem gel st werden muss ist die Tren nung der beiden Bilder sodass jedes Auge nur das zugeordnete Bild zu sehen be kommt Hierzu kommen verschiedene Bildtrennungsverfahren zum Einsatz 2 GRUNDLAGEN 17 Aktive Bildtrennung An Bildschirmen arbeitet man mit einem aktiven Bildtrennungs verfahren auch Zeitmultiplex Verfahren genannt das man auch aus 3D Kinos kennt Der Benutzer tr gt eine sogenannte Shutterbrille deren Gl ser elektronisch abdunkel bar sind Das
34. Datenhandschuh erfasste Handgesten hervorgetan Hierf r wurde die Anwendung Glove entwickelt Ein f r die Interaktion vielseitig einsetzbarer PDA lie sich aufgrund von St rfeldern nicht mit dem elektro magnetischen Tracking kombinieren Eine Manipulation weiterer Objekteigenschaften ber dessen ber hrungsempfindlichen Bildschirm konnte daher nicht umgesetzt wer den Der PDA wurde dennoch zur Systemsteuerung eingesetzt Die vorhandene An wendung DRSControl wurde hierf r in ihrer Konfiguration dem VR Objekt Display angepasst 6 1 Ausblick Nach Fertigstellung des VR Objekt Displays sollten die im Rahmen der Arbeit ent wickelten Interaktionskonzepte umfassenden Usability Tests unterzogen werden um eine wissenschaftlich fundierte Bewertung vornehmen zu k nnen Hierf r k nnten im Vorfeld eine Reihe von Schwachstellen beseitigt werden die beim Test am Ver suchsaufbau entdeckt wurden Die auftretenden Abweichungen im Tracking aufgrund von statischen St rfeldern und metallischen Objekten k nnten mithilfe eines Kalibrierungsverfahrens ausgegli chen werden An einer repr sentativen Anzahl von Positionen k nnten die vom Tra cker gelieferten Daten mit der tats chlichen Position verglichen werden Das Resultat w re ein Algorithmus der anhand der vom Tracker gelieferten Werte eine Interpolati on zwischen den bei der Kalibrierung bestimmten tats chlichen Werten vornimmt Auf diese Weise k nnte ein angen hertes tats chliches E
35. Dieses kann zum Bei spiel das Ausf hren einer Handgeste oder das Dr cken eines Knopfes sein Des Weiteren w re es denkbar zur Unterst tzung der Interaktionsprozesses einen PDA einzusetzen Ein Tracking des Ger tes wie bei der oben beschriebenen zweiten Variante w rde zun chst eine Steuerung des 3D Cursors erlauben Auf dem PDA k nnte dann eine Anzeige des Namens oder einer Beschreibung des aktuell selek tierten Objektes erfolgen oder eine Liste der m glichen Animationen zur Auswahl an geboten werden Die Manipulation von Objekten k nnte durch den PDA zudem auf nicht geometrische Objektattribute wie zum Beispiel die Materialeigenschaften Far be Textur ausgedehnt werden ohne dass zus tzliche Widgets in der 3D Darstellung eingeblendet werden m ssten 4 1 3 Systemsteuerung Die Systemsteuerung am VR Objekt Display k nnte wie in herk mmlichen Benutze roberfl chen mithilfe eines Men s erfolgen das direkt am unteren oder oberen Rand des Display Zylinders angeordnet wird Eine Umsetzung in VRML w re denkbar Dazu m ssten jedoch neue VRML Knoten entworfen werden die entsprechende Komman dos im DRS umsetzen Die vorhandene Schnittstelle IOA Abschnitt 3 1 2 des DRS bietet bereits vielf lti ge M glichkeiten der Systemsteuerung an Mithilfe entsprechender Ger tetreiber kann eine Reihe von Eingabeger ten zur Systemsteuerung eingesetzt werden Kn pfe an Joysticks M usen und Wands k nnen bestimmten Kommandos zugeordnet we
36. Entwicklung und Evaluierung von verschiedenen Interaktionsparadigmen f r das VR Objekt Display Diplomarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Diplom Informatiker an der Fachhochschule f r Technik und Wirtschaft Berlin Fachbereich Wirtschaftswissenschaften ll Studiengang Angewandte Informatik 1 Betreuer Prof Dr Ing Thomas Jung 2 Betreuer Dipl Ing Karsten Isakovic Eingereicht von Stefan Gr ttner Berlin 18 November 2004 Inhaltsverzeichnis 1 Einf hrung 1 a VENDIO Sco deiode e e ee ce Rie can doe eee deer dad 2C m deo Oe 1 1 2 Aufgabenstellung A cue are OSA aie quer e er ee 1 1 3 Gleder ng der Arbeit 22 lo RH xoi 2 Grundlagen 3 2 1 Virtuelle Realit t Ze de ell ern S Ra Adr qms 3 2 1 1 Immersion See e a Le ren ee 6 2 2 Menschliche Wahrnehmung 7 2 2 1 DerSeliappalal x onem ser a an T 2 2 2 R umliche Wahrnehmung 2 22 2m 8 2 2 3 K nstlich induzierte Tiefenwahrnehmung 15 e WEE an ee 20 2 3 1 Ausgabeger te nr Sei ek EE 21 2 3 1 1 Head Mounted Display 21 2925 OA our us ceed so o a BAS a Rs ended 23 2 3 1 3 Workbench s eek RS RR Ru e Ce A 25 2 3 1 4 PowerW ll 1o mo area 26 2 3 1 5 Volumetrische Displays 27 2 9 2 ITACKINg sy xa e noe d di oe X ce Mee POP oe tts 29 2 3 2 1 Mechanische Tracking Systeme 31 2 3 2 2 Akustische Tracking Systeme 33 2 3 2 3 Optische Tracking Systeme
37. Er beschreibt wie sie funktionieren und zeigt dabei Vor und Nachteile der einzelnen Verfahren auf Tabelle 2 3 gibt eine bersicht wichtiger Kenngr en die alle Positionssensoren gemein haben und anhand derer sie sich vergleichen lassen 3engl to track verfolgen 2 GRUNDLAGEN 30 Eigenschaft Beschreibung Aufl sung kleinster wahrgenommener Positionswechsel Genauigkeit r umliche Abweichung zwischen gemessener und tats chlicher Position Aktualisierungsrate Zeit zwischen den einzelnen Positionsmeldungen Verz gerung Zeit zwischen Positionswechsel und der Meldung der neuen Position Wiederholbarkeit Abweichung zwischen Start und Endpunkt nach Vollf hrung einer Schleifenbewegung Tabelle 2 3 Eigenschaften von Tracking Systemen Bor 94 Seite 57 Der Verz gerung ist dabei ein besonderer Stellenwert beizumessen Eine Latenz von mehr als 1 6 Sekunden zwischen physischer Bewegung und korrespondierender visu eller R ckkopplung zerst rt nicht nur die Illusion der Immersion Bor 94 Seite 94 95 sondern kann auch das Wohlbefinden des Benutzers beeintr chtigen Dieses Ph no men das bis hin zu belkeit oder Erbrechen f hren kann wird auch als Simulator schwindel bezeichnet Simulatorschwindel und die Schiffs beziehungsweise Reise krankheit haben den gleichen Ursprung Ursache ist ein Konflikt im Gehirn das ver sucht zwei sich unterscheidende Sinneseindr cke in Einklang zu bringen D
38. Ferner wird n her auf den Aufbau und die Funktionsweise des VR Ob jekt Displays sowie im Rahmen der Arbeit eingesetzte Eingabeger te eingegangen Kapitel 4 dokumentiert die Entwicklung von Interaktionskonzepten f r das VR Ob jekt Display und bewertet diese Kapitel 5 schildert den Softwareentwicklungsprozess von Anwendungen die zur Um setzung der entwickelten Interaktionskonzepte implementiert wurden Kapitel 6 gibt ein Res mee der Arbeit und einen Ausblick auf zuk nftige Weiterent wicklungen 2 Grundlagen 2 1 Virtuelle Realit t Schriftsteller wie Aldous Huxley erkannten schon fr h das Potential aber auch die Ge fahren einer fortschreitenden technologischen Entwicklung Sein Roman Sch ne neue Welt Hux 53 von 1932 versetzt den Leser rund sechshundert Jahre in die Zukunft Die Charaktere sind Teil einer von Grund auf neu erschaffenen Gesellschaft die die groBen Probleme der Menschheit wie Kriege oder Krankheiten hinter sich gelassen hat und in der alle Menschen gleicherma en am Wohlstand teilhaben Preis f r dieses scheinbare Paradies ist jedoch die Freiheit und Individualit t des Einzelnen Menschen werden nicht l nger auf nat rlichem Wege gezeugt sondern in sogenannten Brut und Normzentralen geradezu gez chtet Gemeinschaftlichkeit Einheitlichkeit Bestandig keit ist der Leitspruch des Weltstaates Durch gezielte Konditionierung w hrend der Erziehung und die Befriedigung von Bed rfnissen binnen k rzeste
39. Interaktionskonzepte am Versuchsaufbau Ab schnitt 3 2 durch eine kleine Gruppe von Nutzern gewonnen wurden 4 INTERAKTIONSKONZEPTE 75 Fortbewegung Eine Begutachtung virtueller Objekte stellte sich dank Betrachter Tracking als beraus intuitiv und Immersion f rdernd heraus da die physische Stand punkt nderung der nat rlichen Vorgehensweise zur Betrachtung von Objekten ent spricht Als st rend erwies sich jedoch die Zeitverz gerung zwischen physischer Be wegung besonders bei schnellen Bewegungen und korrespondierender Darstellung die auf interne Latenzen des Tracking Systems und Datenverarbeitung zur ckzuf h ren ist Eine negative Auswirkung haben zudem metallische Objekte in der Umgebung Sie st ren das elektromagnetische Tracking Die Folge ist eine Abweichung der per spektivischen Darstellung Selektion und Manipulation Bei der Steuerung des 3D Cursors wurden unterschiedliche Beobachtungen gemacht Wird der Richtungsvektor aus der Positi on und Orientierung nur eines Tracking Sensors wie zum Beispiel beim Tracking des Eingabeger tes Stylus oder der Hand generiert erfordert dies eine gewisse feinmo torische Geschicklichkeit besonders wenn kleinere Objekte mit dem 3D Cursor er fasst werden sollen Dies stellte sich ebenfalls bei der Steuerung mit einer Gyromaus heraus die zudem eine weitere Schwachstelle besitzt Mit fortschreitender Nutzung akkumulieren sich die Fehler des gyroskopischen Tracking die in einer starke
40. M BOOL CALLBACK onCommand hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onDestroy hDlg HWND message UNIT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onHScroll hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onInitDialog hDig HWND message UINT wParam WPARAM 1Param LPARAM BOOL CALLB onKeyDown hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onUser hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK AboutDialog onCommand hDlg HWND message UINT wParam WPARAM 1Param LPARAm BOOL CALLBA LogDialog Manager PolhemusGUIManager LogDialoqg setManager Manager PolhemusGUIManager onCommand hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onInitDialog hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBA SettingsDialog Manager PolhemusGUIManager setManager Manager PolhemusGUIManager changeSlider hDig HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBA onCommand hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onHScroll hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onInitDialog hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBA onKeyDown hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK PolhemusGLContext _fps bool _info bool _origin bool _lastTime DW
41. ORD display data PolhemusData fpsIsVisible bool infoIsVisible bool init bool originisVisible bool PolhemusGLContext reshape width int height int showFPS show bool showInfo show bool showOrigin show bool drawInfo data PolhemusData drawOrigin drawText x int y int string char V OpenGLCamera OpenGLContext float 6 Camera OpenGLCamera doGL 4 HDC HDC OpenGLCamera _size POINT weer HGLRC HGLRC rotate x float y float z float close zoom value float create hwnd HWND bool getCamera OpenGLCamera amer OpenGLCamera Abbildung A 4 Klassendiagramm PolhemusGUI Ausschnitt 4 A KLASSENDIAGRAMME DER ERSTELLTEN ANWENDUNGEN 105 l Glove GloveManager Settings _glove fdGlove C8 CRITICAL SECTION changed bool GestureMap int clientID char 256 Glove Glove comport int close bool getGesture int Glove GloveCallback GloveCallback fileName char 256 _IoAClient IOAClient _server char 256 running bool window POINT Settings Settings Thread HANDLE ThreadID DWORD open comport int bool opened bool changed bool clientID cahr getComport int close getWindow POINT closeGlove load gestureMap int connectIOA bool save gestureMap int getCommand gestureindex int int server char getSettings Settings setComport comport i
42. PDA und eine Gyromaus Die Kontrolleinheit des jeweiligen Polhemus Trackers und der Da tenhandschuh wurden dabei an den separaten Arbeitsplatz ber RS232 Schnittstellen angeschlossen Der PDA integrierte sich als mobiles Endger t ber drahtlosen Tech nologien wie WirelessLAN IEEE 802 11 oder Bluetooth in die Netzwerktopologie Um den Sender der elektromagnetischen Tracking Hardware mit in den Versuchs aufbau zu integrieren wurde dieser mithilfe eines Stativs oberhalb der Bildschirme positioniert Dadurch wurde die Gefahr von Interferenzen und St rung durch metalli sche Elemente der darunterliegenden Hardware verringert 3 3 Aufbau des VR Objekt Displays Das VR Objekt Display ist ein zylindrischer K rper mit einer Gesamth he von 2 10 m und einem Durchmesser von 1 50 m und besteht aus einem Sockel und einer Projek tionsfl che Der Sockel erstreckt sich vom Boden bis zu einer H he von einem Meter Er enth lt Stromversorgung acht Projektoren vier Spiegel sowie ein Entl ftungssys tem Die Projektoren sind paarweise im Rechteck angeordnet und jeweils mit ent sprechenden Infitec Filtern siehe Abschnitt 2 2 3 zur Bildtrennung ausgestattet Je weils ein Spiegel befindet sich gegen ber einem Projektorenpaar ber dem Sockel befindet sich der Projektionsk rper der aus einer zu einem Zylinder geschwunge nen R ckprojektionsfl che besteht In ausgerolltem Zustand sind deren Abmessun gen 4 10 m x 1 20 m In der daraus resultierenden v
43. Reichweite liegt und mit der Hand greifbar scheint Aus diesem Grund kommen bei Worbenches geh uft Daten Die GMD Forschungszentrum Informationstechnik GmbH wurde erst vor kurzem in die Fraunhofer Gesellschaft eingegliedert 2 GRUNDLAGEN 26 handschuhe und Stifte zum Einsatz siehe Abschnitt 2 3 3 1 3 5 Heutige Workben ches sind recht flexibel Hersteller wie Fakespace Systems bieten Ger te an die sich teilweise bis in die Vertikale kippen lassen oder sogar aus zwei zu einem L geformten Projektionsfl chen bestehen F r die Workbench gibt es einige interessante Anwendungsm glichkeiten So wird sie zum Beispiel f r das schnelle Entwickeln von architektonischen Prototypen oder zur Fl chenplanung eingesetzt Abbildung 2 14 Barco Baron Workbench 2 3 1 4 PowerWall Powerwalls sind beraus gro e und hochaufl sende Projektionsw nde die oft auch eine leicht gekr mmte Form aufweisen Aufgrund dessen zeichnen sie sich durch einen hohen Immersionsgrad aus Ihre Gr e und hohe Aufl sung erreichen sie durch den Einsatz von mehreren neben und untereinander angeordneten Projektionen die sich an den R ndern leicht berlappen Mithilfe spezieller Blending Software werden 2 GRUNDLAGEN 27 die Projektionen aufeinander abgestimmt und ergeben ein optimales Gesamtbild Abbildung 2 15 Barco BR Center 2 3 1 5 Volumetrische Displays Alle bisher betrachteten stereoskopischen Systeme erschaffen die Illusion von D
44. Systeme bestechen durch ihren geringen Kostenaufwand und einen recht gro en Aktionsradius Im Gegensatz dazu steht die Anf lligkeit gegen ber Hin tergrundger uschen und von Fl chen reflektierten Echos des ausgesendeten Schall impulses Die so entstehenden Interferenzen beeintr chtigen eine einwandfreie Mes sung und gehen daher mit Genauigkeitsverlusten einher Des Weiteren pflanzen sich 2 GRUNDLAGEN 34 die hohen Frequenzen von ca 23KHz unidirektional aus Daher ist eine direkte Sicht verbindung zwischen Sender und Empf nger unabdingbar Ebenfalls macht sich der hohe Schalldruck nachteilig bemerkbar Abbildung 2 20 Logitech Fly Mouse 2 3 2 3 Optische Tracking Systeme Die Grundlage dieses Verfahrens bilden optische Markierungen Marker die von Ka meras aufgezeichnet werden Als Marker dienen speziell reflektierende Materialen Karten mit besonderen Form beziehungsweise Farbmustern oder Leuchtdioden Ei ne jeweils spezielle Bildanalysesoftware ist in der Lage in den Kameraaufnahmen die Marker zu identifizieren und daraus R ckschl sse auf deren Position und Lage im Raum zu ziehen Analog zu akustischen Systemen k nnen Kameras entweder am beweglichen Objekt oder station r befestigt werden Im ersten Fall gen gt oft eine Kamera die auf die meist an der Decke angebrachten Marker gerichtet ist Im zwei ten Fall ben tigt man mindestens zwei Kameras aus deren Aufnahmen mithilfe von Triangulation die Position eines frei bew
45. VERZEICHNIS iii 6 Zusammenfassung 89 Gr AUSDIIGK o ie otc aere so dev ms ora AAT ue date Aa 90 Literatur und Quellenverzeichnis 92 Glossar 96 Abbildungsverzeichnis 99 Tabellenverzeichnis 100 A Klassendiagramme der erstellten Anwendungen 101 1 Einf hrung 1 1 Einleitung Die ad quate Visualisierung komplexer Daten gewinnt immer mehr an Bedeutung Dreidimensionale Darstellungen solcher Daten passen besser in das menschliche Vorstellungsverm gen und sind deshalb auf dem Weg zweidimensionale Repr senta tionen abzul sen Eine Interaktion mit diesen Darstellungen sowie die entsprechende Manipulation der Daten spielen hierbei eine ebenso wichtige Rolle Die Entwicklung von Systemen die diese Anforderungen erf llen ist heute aktueller Forschungsge genstand mehr denn je Der Entwurf und die Entwicklung interaktiver 3 D Visualisierungssysteme sowie in novativer Mensch Maschine Schnittstellen sind Kernkompentenzen des Forschungs bereiches Visualisierungssysteme ViSTA am Fraunhofer Institut f r Rechnerarchitek tur und Softwaretechnik FIRST Die vorliegende Diplomarbeit wurde dort im Rahmen des Projekts LaserCave angefertigt Neben der Entwicklung eines autokalibrierenden Systems auf der Grundlage von Standardprojektionstechnik ist auch der Entwurf und die prototypische Umsetzung eines VR Objekt Displays Arbeitspaket des Projekts 1 2 Aufgabenstellung Das VR Objekt Display zeichnet sich im Gegensatz zu traditionellen Wandproj
46. Zur Navigation innerhalb von virtuellen Welten kommen neben Trackingsystem vor allem Sprachsteuerungen zum Einsatz Die urspr ngliche CAVE wurde anfangs f r die Simulation von Sternensystemen und Wetterph nomenen eingesetzt Heutige Anwendungsgebiete der CAVE umfas sen die Entwicklungsunterst tzung in der Automobilindustrie oder Geb udeplanung Architektur An vielen amerikanischen Universit ten werden CAVEs zur anschauli chen Darstellung dreidimensionaler Funktionen der Mathematik und f r weitere Bil dungsbereiche eingesetzt 2 GRUNDLAGEN 25 Abbildung 2 13 CAVE Installation bei FIRST 2 3 1 3 Workbench Die Idee und der erste Prototyp einer Workbench entstanden 1994 bei der GMD Die an einen Tisch erinnernde Responsive Workbench besteht im Wesentlichen aus einer horizontal angeordneten R ckprojektionsscheibe welche von unten ber einen Spie gel ausgeleuchtet wird F r einen r umlichen Eindruck werden stereoskopische Halb bilder mittels Zeitmultiplexing voneinander getrennt Analog der CAVE wird es dadurch m glich mehrere Benutzer einzubeziehen Um eine betrachterbezogene Darstellung zu errechnen erfassen auch bei der Workbench Tracking Sensoren die Kopfpositio nen und orientierungen der Nutzer Im Gegensatz zu HMD und CAVE besitzt die Workbench weniger Positionen aus denen eine Sicht auf die virtuelle Welt m glich ist Ihre Vorteile liegen in der Interakti on mit Objekten da jeder Teil in unmittelbarer physischer
47. alls werden Design Reviews vorgenommen um einen ersten echten Eindruck des am Computer entworfenen Autos zu erhalten Eventuelle M ngel k nnen dadurch leichter und im Entwicklungsprozess eher erkannt und beseitigt werden Auf der Grundlage physikalischer Gesetzm igkeiten wird zum einen das Fahrverhalten des Autos in Fahrsimulatoren getestet Zum anderen k nnen Crashtest durchgef hrt werden noch bevor der erste Prototyp gebaut worden ist Vor allem das amerikanische Milit r setzt VR zum Man vertraining ein Hierzu wer den eine groBe Anzahl verschiedener Simulatoren f r Schiffe Flugzeuge und Panzer miteinander vernetzt Mithilfe von HMDs und Laufger ten kann auch die Infanterie in die simulierte bung einbezogen werden 2 GRUNDLAGEN 42 Im Verkehrswesen wie Eisenbahn Luft und Schifffahrt werden zu Ausbildungs zwecken bungen an entsprechenden Simulatoren durchgef hrt Des Weiteren wer den Nofallsituationen durchgespielt um im Ernstfall schnell reagieren zu k nnen In der Architektur findet die VR breite Anwendung Walkthrougs gestatten eine anschauliche Pr sentation da sie eine virtuelle Begehung bestehender oder erst im Entwurf existierender Geb ude erm glichen Des Weitern k nnen mithilfe von Simu lationen die Lichtverh ltnisse zu verschiedenen Tageszeiten visualisiert werden Im Facility Management wird mittels VR das Fluchtverhalten bei Notf llen untersucht um Fluchtpl ne zu optimieren 2 3 6 Interaktion Di
48. aram LPARAM BOOL CALLBACK Abbildung A 5 Klassendiagramm Glove vollst ndig Eigenst ndigkeitserkl rung Hiermit versichere ich dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbstst ndig und nur unter Verwendung der angegebenen Quellen und Hilfsmittel verfasst habe Die Arbeit wurde bisher in gleicher oder hnlicher Form keiner anderen Pr fungsbeh rde vorge legt Stefan Gr ttner Berlin 18 November 2004
49. char 256 _TreadID DWORD _units int _ViewerReceiver ReceiverRole _ window RECT applyTrackerSetting int changed bool close window RECT clientID cahr connectIOA bool getAAindex int getCursorReceiver ReceiverRole getBaudrate int getDebug EditControlDebug getCaveMode bool getPolhemus Polhemus getComport int getSettings Settings getFilter PolhemusFilterSet getViewerReceiver ReceiverRole getHemisphere int init int getQuietMode bool isSimulated bool getUnits int openTracker bool getWindow RECT PolhemusGUIManager load Polhemus Polhemus bool PolhemusGUIManager originAlignment float quitIOA save Polhemus Polhemus bool registerCallback callback PolhemusGUICallback tserver char saveSettings setAAindex aaindex int setCursor data PolhemusData setBaudrate baudrate int setViewer data PolhemusData setCaveMode caveMode bool simulate simulate bool setComport comport int toogleIlOACursor setFilter filter PolhemusfilterSet toggleIOAViewer setHemisphere hemisphere int aquireData setQuietMode quiet bool run D LIiPolh sGU n Settings simulate data PolhemusData setUnits units i EditControlDebug PolhemusGUlCallback R print msg const char setLog log HWNd emusData data PolhemusData IOADebug PolhemusDebug print msg const char print
50. chnittstelle View ist die visuelle Repr sentation des Datenmodells Dar berhinaus bietet die Benutzerschnittstelle Interaktionsm glichkeiten mittels konventioneller Ein gabeger te Maus Tastatur Ausgel ste Aktionen werden an die Anwendungssteue rungskomponente Controller weitergeleitet Diese hat Zugriff auf das Datenmodell und kann entsprechend Daten manipulieren Das Datenmodell informiert wiederum 5 SOFTWAREENTWICKLUNG 82 die Benutzeroberfl che ber nderungen welche in einer Aktualisierung der Darstel lung resultiert Diese spezielle Architektur erh ht die Wiederverwendbarkeit der einzel nen Komponenten und erm glicht zudem f r ein und dasselbe Datenmodell mehrere Benutzeroberfl chen zu entwerfen Abbildung 5 1 Model View Controller Modell Bei modernen Implementierungen von Benutzeroberfl chen wie Java Swing oder den Microsoft Foundation Classes MFC hat sich jedoch gezeigt dass View und Controller Komponente eng miteinander verkn pft sind und eine Trennung nicht sinn voll erscheint Hieraus etablierte sich ein modifiziertes MVC Modell Abbildung 5 2 welches View und Controller zum User Interface vereint Dieses Konzept wird auch bei den beiden im Rahmen der Diplomarbeit entwickelten Programmen angewendet User Interface Abbildung 5 2 Modifiziertes MVC Modell 5 SOFTWAREENTWICKLUNG 83 Abbildung 5 3 und Abbildung 5 4 zeigen die Klassendiagramme der beiden Program me PolhemusGUI und Glove Dabei
51. chnology 2 GRUNDLAGEN 37 2 3 3 Eingabeger te 2 3 3 1 Datenhandschuhe Die Hand stellt das wichtigste Interaktionswerkzeug des Menschen dar mit ihr werden die unterschiedlichsten allt glichen Aufgaben bew ltigt Es erscheint daher sinnvoll nat rliche Handbewegungen als Eingabe f r VR Systeme zu nutzen Datenhandschu he lassen sich meist wie normale Handschuhe ber die Hand streifen Sie sind in der Lage die Stellung der Finger zu messen und in f r einen Computer lesbare Signale umzuwandeln Grunds tzlich unterscheidet man zwischen zwei Kategorien von Da tenhandschuhen Bow 04 Seite 106ff Bend Sensing Gloves Zur ersten geh ren Ger te die die F higkeit besitzen den Beugungsgrad einzelner Finger zu bestimmen Um dies zu bewerkstelligen haben sich unterschiedliche Verfahren bew hrt Das erste h llt die Hand in ein mechanisches Exoskelett Die Fingerglieder sind dabei durch Scharniere miteinander verbunden deren Stellung mittels spezieller Sen soren bestimmt werden kann Daraus l sst sich der Winkel zwischen zwei Fingerglie dern beraus exakt ableiten Eine kosteng nstige Methode wurde Ende der achtziger Jahre f r den PowerGlove entwickelt In den Fingern des Handschuhs sind Streifen untergebracht die mit einer besonderen Fl ssigkeit impr gniert sind Biegt sich ein Streifen infolge einer Finger bewegung ndert sich der elektrische Widerstand der Fl ssigkeit Dieses Verfahren gilt als verh lnism ig unpr zi
52. e Weitere Vorteile mechanischer Systeme liegen in der Kom binationsm glichkeit mit Kraftr ckkopplungsmechanismen Force Feedback und ei ner relativ hohen Reichweite bei entsprechend groBen Ausf hrungen Nachteilig zu sehen sind die hohen Kosten und der durch die Konstruktion bedingte doch etwas eingeschr nkte Bewegungsspielraum beim Benutzer Abbildung 2 18 Phantom von SensAble Interaktionstracking mit Force Feedback 2 GRUNDLAGEN 33 Abbildung 2 19 Boom von Fakespace Labs Betrachter Tracking 2 3 2 2 Akustische Tracking Systeme Akustische Tracking Systeme nutzen Ultraschallemitter und Mikrofone f r eine Ent fernungsbestimmung Die Schallgeschwindigkeit ist eine feste und bekannte Gr e Durch einfache Multiplikation mit der gemessenen Laufzeit zwischen Aussenden und Empfangen des Schallsignals kann die Distanz zwischen Sender und Empf nger er mittelt werden Prinzipiell ist es ohne Bedeutung ob der Sender oder Empf nger da bei fest positioniert und das entsprechende Gegenst ck im Raum bewegt wird In vielen F llen sind jedoch drei Ultraschallmikrofone in einer bestimmten Anordnung z B rechtwinkliges Dreieck zu einer Basisstation kombiniert Hieraus ergeben sich drei Laufzeitmessungen aus denen mittels Triangulation die Position des Senders ge schlussfolgert werden kann Um zus tzlich die Orientierung im Raum feststellen zu k nnen sind ebenfalls drei zu einer Einheit verbundene Sender notwendig Akustische
53. e Interaktion mit virtuellen Welten unterscheidet grunds tzlich drei Aspekte Diese sind Fortbewegung Selektion beziehungsweise Manipulation und Systemsteuerung Im Folgenden sollen die in VR Systemen h ufig verwendeten Interaktionsparadigmen und Metaphern der drei Interaktionsaspekte vorgestellt werden 2 3 6 1 Fortbewegung Die Fortbewegung innerhalb einer virtuellen Welt beschreibt grunds tzlich den Vor gang von der aktuellen Position zu einem anderen gew nschten Ort zu gelangen und bildet damit die elementarste aller Interaktionen Da eine Fortbewegung meist se kund ren Charakter besitzt und zur L sung einer h heren Aufgabe dient m ssen die Methoden einfach und so intuitiv wie m glich sein Zudem spielen f r die Bewegung in virtuellen Welten verschiedene Aspekte eine Rolle So zum Beispiel die zu ber br ckende Distanz die Anzahl von Neuorientierungen auf dem Weg zum Ziel ob das Ziel vom Startpunkt sichtbar ist oder die ben tigte Anzahl von Freiheitsgraden bezie hungsweise Genauigkeit f r eine Bewegung Des Weiteren kann eine Fortbewegung passiven oder aktiven Charakter besitzen Passive Bewegungen werden vom System kontolliert so zum Beispiel animierte 2 GRUNDLAGEN 43 Kamerafahrten zwischen definierten Sichtpunkten Von weitaus gr erem Interesse sind jedoch aktive Bewegungen bei denen der Benutzer die Steuerung des virtuellen Sichtpunktes bestimmt Die Motivation einer vom Benutzer gesteuerten Bewegung kann dabei
54. eben dem Tracking des Kopfes des Betrachters auch das Tracking der Hand bezie hungsweise des in der Hand gehaltenen Eingabeger tes Zur Generierung des Vek tors werden vier unterschiedliche M glichkeiten vorgeschlagen Die erste nutzt Position und Orientierung der Hand Der Vektor beschreibt ausge hend von der Handposition eine Verl ngerung des Unterarmes Dieser Modus kann in Verbindung mit dem Datenhandschuh benutzt werden Hierzu wird ein Tracking Sensor wie in Abbildung 3 13 an der Hand angebracht 4 INTERAKTIONSKONZEPTE 72 Die zweite Methode basiert auf Tracking der Position und Orientierung des ver wendeten Eingabeger tes Die Methode ist mit der Benutzung einer Taschenlampe vergleichbar Dadurch dass das in der Hand gehaltene Eingabeger t und nicht die Hand selbst getrackt wird ergibt sich zur Steuerung des Richtungsvektors mehr Bewe gungsspielraum als bei der ersten Methode Zu getrackten Eingabeger ten geh ren Wands wie der Polhemus Stylus der wie ein Stift in der Hand gehalten werden kann Abbildung 4 3 Bei der dritten M glichkeit errechnet sich der Richtungsvektor aus Kopf und Hand position die Orientierungen der Tracking Sensoren spielen dabei keine Rolle Da die ersten beiden Methoden unabh ngig von der Kopfposition sind erm glichen sie eine Positionierung des 3D Cursors an f r den Benutzer unsichtbaren Stellen Die dritte Methode erfordert dass der Benutzer die Hand auf Augenh he anhebt um eine Se lektion
55. eglichen Markers bestimmt wird Obwohl optische Systeme als beraus exakt gelten besitzen sie einen entschei denden Nachteil unter dem auch schon akustische Systeme zu leiden haben Werden Marker von K rperteilen oder anderen Gegenst nden verdeckt kann keine Positions 2 GRUNDLAGEN 35 bestimmung vorgenommen werden Um das Verdeckungsproblem zu minimieren be nutzt man daher viele Kameras und Marker Dies hat jedoch wiederum zur Folge dass der Berechnungsaufwand unverh ltnism ig ansteigt Um auftretende Messl cken zu berbr cken werden akustische und vor allem optische Verfahren oft hybrid mit iner tialen Tracking Ger ten wie Gyroskopen und Beschleunigungsmessern betrieben Neben den Marker basierten Systemen existieren auch markerlose optische Ver fahren welche in Bildern die Silhouette von Objekten oder Menschen erkennen k n nen Zu ihnen geh rt beispielsweise das f r die Sony Playstation 2 entwickelte Eye Toy Die Methode eignet sich jedoch nicht um r umliche Informationen zu gewinnen Abbildung 2 21 Infrarot Kamera Abbildung 2 22 Hand Marker der der A R T GmbH A R T GmbH 2 3 2 4 Elektromagnetische Tracking Systeme Elektromagnetisches Tracking basiert auf dem physikalischen Prinzip der Induktion Dessen Quintessenz ist dass ein stromdurchflossener Leiter stets auch von einem elektromagnetischen Feld umgeben wird Gleicherma en wird in einen Leiter der sich in einem elektromagnetischen Feld befindet ein
56. ektio nen durch einen zylindrischen Aufbau aus Innerhalb des Projektionsk rpers kann ein virtuelles Objekt stereoskopisch projiziert werden Im Rahmen dieser Arbeit sollen Interaktionskonzepte erarbeitet und prototypisch realisiert werden welche eine be trachterbezogene Darstellung und weitergehende Handlungen mit virtuellen Objekten erm glichen Die Ansicht auf das Objekt soll dabei perspektivisch korrekt zu einem Be trachter erscheinen Das hei t der Betrachter wird physisch in die Lage versetzt um das Objekt herumzugehen Dabei soll das Objekt auf nat rliche Art und Weise erfahr bar werden um ein Gef hl der Pr senz des Objekts innerhalb des Projektionsk rpers zu vermitteln F r die Umsetzung des Interaktionskonzepts sollen verschiedene zur 1 EINF HRUNG 2 Verf gung stehende Eingabeger te in ihrer Eignung getestet und bewertet werden 1 3 Gliederung der Arbeit Kapitel 2 vermittelt Wissen das f r das grundlegende Verst ndnis der Arbeit notwen dig ist So werden wichtige Begriffe wie Virtuelle Realit t oder Immersion erl utert Weiterhin wird erkl rt wie die r umliche Wahrnehmung des Menschen funktioniert und k nstlich reproduziert werden kann Das Kapitel gibt zudem einen berblick ber existierende VR Systeme und deren Aus und Eingabeger te Des Weiteren werden h ufig angewendetet Interaktionsparadigmen beleuchtet Kapitel 3 beschreibt zun chst das dem VR Objekt Display zugrunde liegende Soft ware System
57. en Informationen aufzuwerten Daf r sind vor den Augen halb durchl ssige Spiegel derart angeordnet dass sie einerseits einen Blick auf die reale Umgebung und andererseits eine berlagerung mit korrespondierenden computer generierten Informationen erm glichen Neben der optischen L sung mithilfe halb durchl ssiger Spiegel existiert auch die M glichkeit die reale Umgebung mit am HMD befestigten Videokameras aufzunehmen Die Videobilder werden dann mit virtuellen Objekten kombiniert F r immersive Anwendungen ist eine zur Szene passende Ger uschkulisse wich tig Aus diesem Grund sind Head Mounted Displays oft mit Stereo Kopfh rern ausge stattet In heutige HMDs sind zudem Trackingsysteme integriert welche es erm gli chen Kopfposition und Blickrichtung des Benutzers zu ermitteln Bei beiden HMD Systemen werden diese Informationen benutzt um die virtuelle Darstellung entspre chend anzupassen Daraus ergibt sich ein gro er Vorteil von HMDs der darin besteht dass dem Benutzer ungeachtet von Kopfposition und Orientierung stets ein virtuel les Bild dargeboten werden kann Ein gravierender Nachteil von HMDs besteht in der auftretenden Latenz zwischen schnellen Kopfdrehungen und korrespondierender Dar stellung die bis hin zu ernsthaften Wahrnehmungsst rungen f hren kann Simulator Sickness Ebenfalls negativ zu bewerten sind die schlechte Bildqualit t auf Grund ge ringer Aufl sungen das eingeschr nkte Sichtfeld von durchschnittlic
58. ertikalen Naht verl uft eine Ka belf hrung zum Polhemus Long Ranger siehe Abschnitt 3 5 Dieser ist an einem Kreuz befestigt das das obere Ende des Projektionsk rpers stabilisiert Der Polhe mus Long Ranger hat einen Durchmesser von 46 cm und ist so angeordnet dass er die Darstellung durch Schattenwurf nicht behindert Der Projektionsk rper ist im Durchmesser geringf gig kleiner als der Sockel Er besitzt einen Radius von 65 cm 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 62 Daraus ergibt sich ein Absatz zwischen Sockel und Projektionsfl che in dem sich vier von einem Surround System angesteuerte Lautsprecher befinden Abbildung 3 5 zeigt den schematischen Aufbau des VR Objekt Displays Abbildung 3 5 Aufbau VR Objekt Display Des Weiteren besteht der Aufbau aus einem Cluster von f nf Rechnern welche aus technischen Gr nden keinen Platz mehr im Geh use des VR Objekt Displays fanden Durch einen Strang von acht VGA Kabeln der aus dem VR Objekt Display f hrt sind die Projektoren mit vier der Rechner verbunden Dual Head Grafikkarten in diesen Rechnern bernehmen dabei jeweils die Ansteuerung von zwei Projektoren Der f nf te Rechner ist DRS Server Er bernimmt zudem das Verarbeiten der Eingabeger te und die Klangausgabe an ein Surround Sound System Abbildung 3 6 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 63 Abbildung 3 6 Schema VR Objekt Display 3 4 Funktionsweise Da die Projektoren am Boden des Sockels schr g angestellt sind f llt ih
59. eseitigen L sung bewirkt werden Der Benutzer muss f r einen stereoskopischen Eindruck wieder eine Brille mit entsprechenden Filtern tra gen 2 GRUNDLAGEN 20 Abbildung 2 9 Polarisationsbrille Abbildung 2 10 Infitec Brille Einen rein mechanischen Ansatz zur Bildtrennung verfolgt das Head Mounted Display HMD Hier werden vor jedes Auge LC Bildschirme in Miniaturausf hrungen plaziert Diese sind in an Helme erinnernde Ger te integriert die vom Benutzer auf dem Kopf getragen werden siehe Abschnitt 2 3 1 1 2 3 VR Systeme Zur n heren Einf hrung in die Thematik soll an dieser Stelle zun chst ein historischer Abriss erfolgen Seit Erfindung des Computers hat die Entwicklung verschiedenste Varianten der Mensch Computer Kommunikation hervorgebracht Mussten erste Rechner noch mit Lochkarten f r deren Erstellung speziell ausgebildetes Fachpersonal notwendig war gef ttert werden haben sich im Laufe der Zeit sehr viel einfachere Ein Ausgabe ger te etabliert So ist heute der Umgang mit Tastatur und Maus zur Bedienung des Computers verbunden mit einer visuellen R ckkopplung der Eingabe am Bildschirm selbstverst ndlich geworden Hierf r mussten allerdings auch erst Metaphern wie die des Desktops eingef hrt werden Auf einer grafischen Oberfl che werden Anwendun gen mithilfe von Symbolen und Fenstern repr sentiert und k nnen mit einem duch die Maus beweglichen Zeiger angew hlt werden Die Navigation wird zudem mi
60. etern aussagekr ftig Monokulare Tiefenkriterien Wie der Begriff bereits vermuten l sst sind monokula re Tiefenkriterien Anhaltspunkte f r r umliche Tiefe auf die man auch schlie en kann wenn nur ein Auge zum Einsatz kommt Bei der Verdeckung von Objekten wird die logische Schlussfolgerung gezogen dass sich ein Objekt im Sichtfeld vor einem anderen befinden muss wenn es dieses teilweise verdeckt Diese Implikation beruht auch auf Erfahrungen die ein Mensch im Laufe seines Lebens macht und ist ein Beispiel daf r dass auch das Ged chtnis erheblichen Einfluss auf unsere Wahrnehmung hat Verdeckung kann aber nur relative Aussagen treffen und gibt keinen Aufschluss ber absolute Entfernungen Das Kriterium der relativen Gr e im Blickfeld beschreibt das Ph nomen dass in etwa gleich geartete Objekte die sich im direkten Vergleich in ihrer auf der Netz haut abgebildeten Gr e unterscheiden als verschieden weit entfernt wahrgenom men werden Das kleinere der beiden Objekte wird hierbei meist als das fernere iden tifiziert Die relative H he eines Gegenstandes im Blickfeld kann ebenfalls Indiz f r r umli che Tiefe sein Haben Objekte den gleichen Sehwinkel besitzen also die gleiche pro jizierte Gr e erscheinen sie weiter weg sobald sie sich h her im Blickfeld befinden Als Nahpunkt wird der minimale Abstand bezeichnet in dem das Auge die F higkeit besitzt ein Objekt scharfzustellen 2 GRUNDLAGEN 11 als a
61. eue Miniaturwelt eingeblendet Abbildung 2 29 World in Miniature Lenktechniken sind intuitiv besitzen aber ebenfalls keine nat rliche Entsprechung Sie beschreiben eine Bewegung entlang von Vektoren die vom menschlichen K rper 2 GRUNDLAGEN 45 definiert werden So zum Beispiel Blickrichtung Oberk rperausrichtung oder die Vek toren entlang der Arme Sie lassen sich mithilfe von Tracker erfassen und in das Ko ordinatensystem der virtuellen Welt transformieren Durch Ausl sen eines diskreten Ereignisses Dr cken eines Knopfes an einem entsprechenden Eingabeger t oder durch Datenhandschuh erkannte Geste wird eine Bewegung mit einer definierten Geschwindigkeit entlang des entsprechenden Vektors gestartet Ein anderes Ereig nis Knopf loslassen Aufl sen der Handgeste stoppt die Bewegung 2 3 6 2 Selektion und Manipulation virtueller Objekte Eine Selektion beziehungsweise Manipulation von Objekten innerhalb einer virtuellen Welt kann direkt oder indirekt erfolgen Man spricht auch von gleichf rmigen isomor phen beziehungsweise ungleichf rmigen nicht isomorphen Techniken Eine direk te Methode setzt voraus dass sich ein virtuelles Objekt in unmittelbarer physischer Reichweite befindet Durchgef hrte Operationen werden also eins zu eins abgebil det und entsprechen damit Manipulationen von Objekten in der nat rlichen Welt Der Handlungsspielraum ist dabei aber oft begrenzt Technische Parameter wie zum Bei spiel die Re
62. g die Klassen von IOA Server und IOA Client um entsprechende Funktionalit t zu erweitern Dazu sollen zum Beispiel die Metho den send3DCursor und sendViewer von der IOAClient Klasse implementiert wer den siehe Abbildung 3 3 Entsprechendes gilt ebenfalls f r die IOAServer Klasse Des Weiteren muss daf r gesorgt werden dass der im DRS integrierte IOA Server diese Daten den DRS Einstellungen entsprechend aufbereitet und an die beiden DRS Schnittstellen 3D Cursor und Viewer weiterleitet Die Software muss die Rohdaten der verschiedenen Polhemus Tracker auswerten k nnen und dazu deren unterschiedliche aus den Handb chern POL entnehmbaren Protokolle implementieren Da der Tracker ein eigenes Koordinatensystem verwendet m ssen die Daten mittels Koordinatentransformation in das Koordinatensystem der VRML Szene berf hrt werden Eine dreidimensionale wie textuelle Visualisierung soll die getrackten Positionssensoren zur Verifikation der Einstellungen veranschau lichen Weiterhin muss die Software die Ansteuerung und Kontrolle des Datenhandschuhs bernehmen Da der Handschuh die Erkennung verschiedener Gesten der Hand er m glicht m ssen diese entsprechenden IOA Kommandos zuordenbar sein Hierzu 80 5 SOFTWAREENTWICKLUNG 81 soll eine Zuordnungstabelle umgesetzt werden Zur Kontrolle soll die aktuell aus gef hrte Geste textuell angezeigt werden ber Instanzen der Klasse IOAClient sollen die aufbereiteten Daten an den IOA
63. gungen im Raum die von einem Gyroskop erfasst werden Gyrom use sind heute meist kabellos und werden hnlich einer Fernbedienung in der Hand gehalten Abbildung 2 26 Wanda von Abbildung 2 27 Flystick der A R T Ascension Technology GmbH engl wand Zauberstab 2 GRUNDLAGEN 40 2 3 3 3 Gamecontroller Gamecontroller wie Joysticks oder Gamepads besitzen eine lange Tradition im Ein satz f r Computerspiele Die klassischen Beispiele sind Renn und Flugsimulationen Sie besitzen viele Kn pfe sind teils kabellos und werden heute zunehmend mit Force Feedback ausgestattet W hrend Joysticks sogar gerichtete Kr fte erzeugen k nnen geben Gamepads nur eine R ckkopplung mittels Vibration Joysticks und Gamepads werden haupts chlich zur Fortbewegung in virtuellen Szenarien genutzt Abbildung 2 28 Logitech Freedom 2 4 Cordless Joystick 2 3 4 Software Im Laufe der Zeit wurde eine Vielzahl von VR Software Systemen entwickelt Die Pro grammierbibliotheken und schnittstellen sind so konzipiert dass sich der Program mierer auf die Entwicklung der VR Anwendungen konzentrieren kann ohne mit Details eines Betriebssystems oder Schwierigkeiten der VR selbst in Ber hrung zu kommen Die Bibliotheken erm glichen von vornherein Dinge wie Viewporterstellung betrach terbezogene perspektivische Projektion stereoskopische Darstellung oder die Syn chronisation eines Clusters Des Weiteren integrieren sie bereits die Ansteuerung ver
64. h 40 sowie das Gewicht der Ger te das bei l ngerem Tragen die Nackenmuskulatur belastet 2 GRUNDLAGEN 23 HMDs k nnen vielf ltig eingesetzt werden In der Argumented Reality werden Durchsicht HMDs beispielsweise verwendet um komplexe Arbeitsabl ufe zu optimie ren Die einzelnen Arbeitsschritte k nnen durch entsprechende Anleitungshinweise begleitet werden Ein Beispiel daf r ist die Montage in der Automobilindustrie wo dem Mitarbeiter komplexe Schaltpl ne begleitend erl utert werden Die stark immersiven Display HMDs eignen sich hervorragend f r Trainings oder Simulationsanwendun gen so zum Beispiel im milit rischen Bereich f r die Ausbildung von Kampfpiloten Abbildung 2 11 Display HMD Abbildung 2 12 Durchsicht HMD 2 3 1 2 CAVE Die erste Cave Automatic Virtual Environment CAVE wurde am Electronic Visuali zation Lab der University of Illinois in Chicago CAVE Anfang der neunziger Jahre entwickelt Motivation war es die Nachteile von HMDs zu berwinden Der Aufbau einer CAVE besteht aus drei bis f nf zu einem Raum angeordneten R ckprojektionsw nden Zur Minimierung des Platzbedarfes kommen dabei Spiegel zum Einsatz Um zudem den Boden auszuleuchten kommt meist eine Aufprojekti on hinzu Der Raum ist so gro dass sich sogar mehrere Benutzer gleichzeitg darin aufhalten k nnen Durch die hohe Abdeckung des Gesichtsfeldes ist die CAVE eines der immersivsten VR Systeme Unterst tzt wird dies zus tzlich d
65. hnitt 2 3 1 5 gleicht Damit das dargestellte virtuelle Objekt f r den Betrachter auch bei unterschiedli chen Betrachtungspositionen scheinbar an derselben Stelle steht mu mittels Tracking die Kopfposition des Betrachters Betrachter Tracking bestimmt werden Zu diesem Zweck wurde ein Tracking Sensor an einer M tze befestigt Abbildung 3 10 die vom Benutzer auf dem Kopf getragen wird Die Position wird dem DRS ber die Viewer Schnittstelle mitgeteilt Eine nderung der Betrachterposition bewirkt darauf hin dass die Abbildung auf der Zylinderfl che entsprechend angepa t wird Abbil dung 4 1 4 INTERAKTIONSKONZEPTE 71 Betrachterposition 1 Betrachterposition Abbildung 4 1 Betrachterbezogene Darstellung 4 1 2 Selektion und Manipulation Da sich das virtuelle Objekt innerhalb des Projektionsk rpers befindet ist es physisch nicht direkt erreichbar Isomorphe Methoden der Selektion beziehungsweise Manipu lation k nnen daher nicht angewendet werden Demzufolge muss man auf indirekte Methoden ausweichen Das DRS bietet hierzu mit der Schnittstelle zum 3D Cursor eine entsprechende Unterst tzung Zur Steuerung des 3D Cursors ist die Erzeugung eines Richtungsvektors notwen dig Ausgehend von einer absoluten 3D Position wird ein Ray Casting entlang des Richtungsvektors in die virtuelle Szene durchgef hrt Schneidet der Strahl dabei das virtuelle Objekt wird der 3D Cursor an der Schnittposition angezeigt Dies erfordert n
66. hts Hornhaut und Linse des Auges bre 2 GRUNDLAGEN 8 chen das Licht und b ndeln es Die Brechkraft der Linse ist hierbei variabel da sie sich durch spezielle Muskeln unterschiedlich stark kr mmen l sst Dieser Vorgang der ganz automatisch funktioniert wird als Akkomodation bezeichnet und ist f r Nah und Fernsicht notwendig Er sorgt daf r dass der Brennpunkt des Abbildes eines Ob jekts das direkt angeschaut wird genau auf die Fovea f llt Rein physikalisch entsteht das Bild einer Umgebung also im hinteren Teil des Auges Dieser Teil ist mit einer Schicht spezieller Zellen bedeckt Diese Schicht wird Netzhaut oder Retina genannt Die Zellen sind Photorezeptoren denen man auf Grund ihrer unterschiedlichen Form die Namen St bchen und Z pfchen gab Die Netzhaut enth lt etwa sechs Millionen Zapfen und 120 Millionen St bchen die nicht nur ganz unterschiedlich auf Farbe und Helligkeit des Lichts reagieren sondern auch verschieden auf der Retina verteilt sind Zapfen konzentrieren sich haupts chlich in der Fovea die allerdings kein einziges St bchen enth lt Die Konzentration der St bchen ist hingegen im Umkreis der Fovea am gr ten und f llt nach au en hin langsam ab St bchen und Z pfchen besitzen die F higkeit aus Licht elektrische Signale zu erzeugen ber einen geb ndelten Strang von Nervenenden den Sehnerv gelangen diese Signale bis in die hinteren Regionen des Gehirns zum visuellen Kortex wo sie verarbeitet werden u
67. ichweite von Tracking Systemen rein physische Grenzen W nde einer CAVE oder ganz einfach die Arml nge des Benutzers scheinen un berwindbare Bar rieren zu sein Infolge dessen wurden nicht isomorphe Methoden entwickelt die Se lektion und Manipulation zwar auf eine abstrakte Ebene verlagern isomorphen Me thoden bez glich Nutzbarkeit und Performanz aber in nichts nachstehen Eine weitere Klassifikation kann nach ego beziehungsweise exozentrischen Gesichts punkten das hei t ob man die Welt aus eigener oder h herer Perspektive sieht erfol gen Zu den exozentrischen Methoden geh rt die bereits erw hnte World in Miniature Metapher die nicht nur zur Fortbewegung in virtuellen Welten angewendet wird Ne ben dem Avatar lassen sich n mlich auch Objekte der Miniaturwelt verschieben Alle Objekte k nnen dabei isomorph manipuliert werden 2 GRUNDLAGEN 46 In der nat rlichen Welt erfolgt eine Selektion von Objekten durch Anfassen Entspre chend sp rt man das Objekt in der Hand In der virtuellen Welt kann die Selektion wie oben beschrieben direkt oder indirekt erfolgen Direkt gesehen geschieht dies indem die Hand zur Position des virtuellen Objek tes gef hrt wird Bei komplett abschirmenden VR Systemen wie dem Display HMD in denen der Benutzer seine Hand selbst nicht sehen kann ist hierf r eine virtuelle Repr sentation der Hand notwendig die alle Bewegungen der echten Hand nach empfindet Diese Technik wird auch als Virtual
68. ie visuelle Wahrnehmung weicht hierbei ma geblich von der Information ab die der Vestibular apparat Gleichgewichtssinn dem Gehirn meldet Simulatorschwindel ist ein ernst zunehmendes Problem dessen Kompensation sich viele Arbeiten in diesem Bereich widmen Man unterscheidet zwischen aktivem und passivem Tracking Aktive Systeme be stehen aus einem Sender und Sensoren Der Sender emittiert ein Signal das die Sen soren aufnehmen Aus der nderung zum Ursprungssignal kann dann mithilfe kom engl Simulator Sickness 2 GRUNDLAGEN 31 plizierter mathematischer Algorithmen die Position des Sensors relativ zum Sender berechnet werden Bei passiven Trackingverfahren sind hingegen nur Sensoren er forderlich Im Gegensatz zum aktiven Tracking ben tigt man kein k nstlich erzeugtes Signal sondern bedient sich schon existierender Gegebenheiten Als Beispiel hierf r k nnen Beschleunigungsmesser angef hrt werden Da sie keinen festen Bezugspunkt besitzen funktionieren sie additiv Dadurch ergibt sich jedoch der Nachteil einer sich akkumulierenden Fehlerfortpflanzung Eine weitere Charakteristik von Tracking Systemen stellt die Anzahl von zur Verf gung gestellten Freiheitsgraden dar W hrend sogenannte 3 DOF Systeme entweder nur Orientierungen oder nur Positionen liefern k nnen sind 6 DOF Systeme in der Lage beides gleichzeitig zu leisten Neben den im Folgenden vorgestellten Verfahren zur r umlichen Positions und Lagebestim
69. iet bool bool setTransmitMode mode int bool setUnit uni nt bool toggleExtendedConfiguration bool debug msg const char read buffer char size DWORD timeout DWORD 500 int receive run polhemus Polhemus write buffer char size DWORD bool PolhemusProtocol alignmentSt g receiver int Ox float Oy float Oz float Xx float Xy float Xz float Yx float Yy float Yz float const ch attitudeFilterString filter PolhemusFilterSet const char extendetConfigurationString const char getID int getIndexes PolhemusRecordIndexes hemispherString receiver int x float y float z float const char outputFormatString format int const char parseRecordHeader buffer const char int positionFilterString filter PolhemusFilterSet const char quietModeString quiet bool const char reinitializeString const char resetAlignmentString receiver int const char stationStatusString const char statusString transmitModeString mode int const char unitsString unit int const char putt e KE E ERE SERA ae TERR TENET EE An AER e E PolhemusProtocollsotrak PolhemusProtocolFastrak PolhemusProtocolPatriot Abbildung A 2 Klassendiagramm PolhemusGUI Ausschnitt 2 A KLASSENDIAGRAMME DER ERSTELLTEN ANWENDUNGEN 103 _HACCEL HACCEL Accelerator getHandle HACCEL load instance HINSTANCE table LPCTSTR boo Template LPCSTR created bool Parent HWND In
70. itten ist Dies ist vor allem auf die Unterschiedlichkeit der Interessen der an der Entwicklung beteiligten Personen sowie die Bandbreite m glicher Anwendungen Bor 94 Seite 26 zur ckzuf hren Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll VR als Technologie angesehen werden die einen Menschen in die Lage versetzt mit einer computergenerierten Welt auf m g lichst nat rliche Art und Weise in Verbindung zu treten Das daf r notwendige Sys tem umfasst sowohl Hardwarekomponenten also alle m glichen Ein beziehungswei se Ausgabeger te sowie verarbeitende Rechner als auch Softwarekomponenten die entsprechende Darstellung und Verhalten z B physikalische Gesetzm igkeiten der Umgebung sicherstellen 2 GRUNDLAGEN 6 2 1 1 Immersion Der vom Lateinischen immersio abstammende Begriff bedeutet eintauchen und hat in Verbindung mit Virtueller Realit t seine ganz eigene Relevanz Der Hollywood Film Matrix von 1999 f r den unter anderem auch William Gibsons Neuromancer Gib 94 als Vorlage gedient haben d rfte verdeutlicht als Beispiel wohl am besten das Prinzip der Immersion Die Menschen sind wie auch in Neuromancer an die Matrix ange schlossen welche jeden ihrer Sinne k nstlich stimuliert Sie sind Teil einer virtuellen Realit t Nur sind die generierten Sinneseindr cke so berzeugend dass niemand den Unterschied zur echten Realit t zu erkennen vermag Der Film sowie der Roman sind damit Beispiele f r eine perfekte Imme
71. ixationspunkt auf einer ima gin ren Linie dem Horopter da der durch beide Abbildungen eingeschlossene Winkel genau dem Konvergenzwinkel entspricht siehe Abbildung 2 4 2 GRUNDLAGEN 14 Ralph W a A R Be H em we l Lm i 4 Horopter Abbildung 2 4 Horopter Gold 97 Seite 227 Das Gehirn ist dar ber hinaus aber auch in der Lage in beiden Projektionen diejeni gen Stellen zu identifizieren die in der realen Szene ein und demselben Punkt ent sprechen aber nicht auf dem Horopter liegen Dementsprechend fallen die Abbildun gen dieser Punkte auch nicht auf korrespondierende Netzhautpunkte Zwischen ei nem Punktabbild und dem aus dem anderen Auge entstehenden korrespondierenden Netzhautpunkt entsteht der Querdisparationswinkel der als eine hochgradige Quelle f r Tiefeninformationen gilt Wie aus Abbildung 2 5 ersichtlich fallen die Abbildun gen eines Punktes der vor dem Horopter liegt auf die jeweiligen AuBenbereiche der Netzh ute Man spricht hierbei von gekreuzter Querdisparation Bei der ungekreuzten Querdisparation liegen die Punkte hingegen auBerhalb des Horopters und die Projek tionen liegen zur Nase hin innen auf der Netzhaut Querdisparation liefert ein starkes Kriterium f r r umliche Tiefe und wirkt bis zu Entfernungen von mehreren hundert Me tern Sie gilt als entscheidend f r stereoskopisches Sehen 2 GRUNDLAGEN 15 ungekreuzte R Querdisparation Ge o am ada eo f een Paz i
72. lich eine Animation zu starten Mithilfe eines SphereSensors las sen sich komplexe Objekte freihand rotieren um bestimmte Details n her zu betrach ten Innerhalb der 3D Szene wird der 3D Cursor durch eine frei definierbare Geome trie visualisiert die aus einer VRML Datei geladen wird Die einzelnen Interaktions modi Fortbewegung Selektion Manipulation k nnen mit verschiedenen Formen des 3D Cursors repr sentiert werden Die Steuerung des 3D Cursors kann mittels klassischer Eingabeger te wie der Maus erfolgen Das DRS berechnet dabei ausgehend von der Orientierung der virtu ellen Kamera und Mausposition einen Richtungsvektor in die Szene zeigend Einer 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 57 seits kann der 3D Cursor in einem festen Abstand auf diesem Richtungsvektor plaziert werden andererseits kann er aber auch mittels Ray Casting auf die Oberfl che des in Strahlrichtung liegenden Objektes versetzt werden Der letzte Modus ist einfacher zu bedienen da auch ohne stereoskopische Projektion erkennbar ist ber welchem VRML Sensor sich der 3D Cursor befindet Des Weiteren kann der 3D Cursor direkt mit dreidimensionalen Eingabedaten ma nipuliert werden Hierf r bietet sich die Verwendung von Tracking Systemen an Die Position aus dem Koordinatensystem des Trackers kann dabei direkt isomorph auf die Position des 3D Cursors innerhalb der Szene bertragen werden Dar ber hinaus kann die Positionsberechnung des 3D Cursors auch indirekt nicht is
73. mersion hat mit dem CyberForce einen Datenhandschuh entwickelt dessen Posi tion mittels mechanischem Tracking erfasst wird Gleichzeitig ist der komplette Auf bau mit unterschiedlichen ground body referenced Kraftr ckkopplungsmechanis men Force Feedback ausgestattet sodass das Greifen virtueller Objekte auf nat rli che Art und Weise simuliert werden kann Abbildung 2 24 5DT Bend Abbildung 2 25 Fakespace Labs Sensing Glove Pinch Gloves 2 GRUNDLAGEN 39 2 3 3 2 Wands 3D M use Wands beziehungsweise 3D M use bilden eine eigene Klasse von Eingabeger ten die in der Hand gehalten oder an ihr fest gemacht werden k nnen Es gibt sie in kabellosen wie kabelgebundenen Ausf hrungen Sie besitzen oft eine Vielzahl pro grammierbarer Kn pfe und sind mit Tracking Systemen kombiniert Dabei variiert die Anzahl der Freiheitsgrade zwischen drei und sechs Zu den ersten Wands geh rte auch der Poolball von Polhemus der schon in der ersten CAVE Anwendung fand Space sowie Gyrom use sind zwar keine echten 3D M use sollen hier aber trotzdem Erw hnung finden Die Space Mouse besitzt eine Reihe von Kn pfen und einen Dial mit sechs Freiheitsgraden Sie wird bevorzugt bei der Modellierung in CAD Anwendungen genutzt Die Gyromaus besitzt ebenso viele Freiheitsgerade wie eine klassische Maus Im Gegensatz zur klassischen Maus generiert sie diese aber nicht durch die Bewegung auf einer planaren Oberfl che sondern durch Schwenkbewe
74. mit bef higt ber die sen Callback Nachrichten an das User Interface zu schicken Die Klasse MainWin dow ist eine Spezialisierung der Klasse Window und besteht einerseits aus Polhe musGLContext der f r eine dreidimensionale Visualisierung der Positionsdaten ver antwortlich ist Andererseit besitzt MainWindow verschiedene Spezialisierungen der Dialog Klasse welche unter anderem zur Anzeige von Programmeinstellungen oder Debugging Informationen verwendet werden IOACIient GloveManager GloveCallback ae AboutDialog User Interface Abbildung 5 4 Klassendiagramm Glove Die Klassenstruktur der Anwendung Glove ist sehr hnlich der von PolhemusGUI Die 5 SOFTWAREENTWICKLUNG 85 Darstellung der Benutzerschnittstelle bernimmt hierbei die Klasse MainDialog Die Kommunikation zwischen Benutzerschnittstelle und Datenmodell erfolgt analog der in PolhemusGUI Die Klasse GloveManager ist wieder zentrales Kontrollorgan in der Model Komponente Sie enth lt Instanzen der Klasse Glove und IOAClient Die Klasse Glove bietet dabei Methoden an um mit dem Datenhandschuh zu kommunizieren Wie in den Klassendiagrammen auff llig besitzen die Managerklassen beider An wendungen ein Objekt der Klasse Settings Sie sorgt f r eine persistente Datenhaltung der aktuellen Programmeinstellungen Die Klasse nimmt im Diagramm eine gesonder te Position ein da sie keiner der Komponenten des MVC Modells zugeordnet werden kann 5 3 Implementie
75. mputergenerierte Umgebung einzutauchen Virtual Reality Modeling Language Von der ISO 1997 standardi siertes Dateiformat zum Austausch von 3D Daten Engl Wand Zauberstab In der Hand gehaltenes Eingabeger t f r VR Anwendungen Besitzt unterschiedliche Anzahl von Kn pfen Mit Tracking kombiniert 96 ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abbildungsverzeichnis 2 1 Querschnitt durch das menschliche Auge 2 22222 2 2 Bewegungsparalaxe 2 3 Korrespondierende Netzhautpunkte 2 4 ele TEE Ge ne EECH 2 5 Gekreuzte bzw ungekreuzte Querdisparation 2 6 Konflikt Konvergenz Akkomodation lens 2 7 Aktive Bildtrennung Zeitmultiplexing 2 8 LCD Shutterbrille CrystalEyes 3 von StereoGraphics 2 9 1Palarisallonsprile EE 2 10 Intitec Brille s un re ea a Be eo S 2 11 Display AMD 3 3 amp 2233 2 2 ee OE E BE Re Rem OE 2 12 D rchsicht HMD ur erar e Uwe WU ES 2 13 CAVE Installation bei FIRST 2 14 Barco Baron Workbench 2 22 los Es 2 15 Barco BR Center e cen ege e fee o eS 2 16 Perspecta von Actuality Systems css 2 17 Felix 3D F nktionsprinzip ou Dente ee leu 2 18 Phantom von SensAble Interaktionstracking mit Force Feedback 2 19 Boom von Fakespace Labs Betrachter Tracking 2 20 Logitech Fly Mouse 2 s be doe SA LED eod desee e deest S 2 21 Infrarot Kamera der A R T GmbH 2 aaa 2 22 Hand Marker der A R T GmbH 2 23 Nes
76. mung existieren noch andere Formen des Tracking Der Vollst ndigkeit halber soll hier das Eye Tracking Erw hnung finden welches anhand bildverarbei tender Ans tze versucht die Blickrichtung von Benutzern zu bestimmen und f r VR Anwendungen nutzbar zu machen 2 3 2 1 Mechanische Tracking Systeme Der lteste Ansatz zur Positionsbestimmung benutzt mehrere durch Gelenke aneinan der gekoppelte Arme Das erste System dieser Art testete Ivan Sutherland bereits in den sechziger Jahren Der gesamte Aufbau eines mechanischen Tracking Systems ist meist an der Wand oder an der Decke verankert Der Benutzer steckt seinen Kopf oder seine Hand in einen ergonomischen Aufsatz am Endst ck der Konstruktion Um die Position zu ermitteln misst man zun chst die Winkelstellungen der Gelenke Zusam men mit den L ngen der einzelnen Verbundst cke ergeben sich Transformationsma trizen mit deren Hilfe sich die relative Position des Benutzers zur Basis des Systems Sengl degree of freedom DOF Freiheitsgrad Sivan Sutherland studierte am Massachusetts Institute of Technology MIT und gilt als Pionier auf dem Gebiet der interaktiven Computergrafik 2 GRUNDLAGEN 32 bestimmen l sst Dieser Ansatz des Trackings zeichnet sich durch seine hohe Genauigkeit und ei ne besonders kleine Verz gerung aus In den Spezifikationen entsprechender Ger te ist von einer Genauigkeit von vier Millimetern und 0 1 bei nur einer Millisekunde Verz gerung die Red
77. n Ab weichung der gelieferten Orientierungsdaten resultieren Die Gyromaus muss daher regelm ig ber die Bet tigung eines separaten Knopfes zur ckgesetzt werden Eine exakte Positionierung des 3D Cursors wird au erdem durch die schon beim Betrachter Tracking beschriebene Zeitverz gerung beeintr chtigt Ferner hat sich ge zeigt dass eine visuelle Repr sentation des Zeigevektors hilfreich w re sie jedoch fehlt Wird der Richtungsvektor aus Kopf und Handposition bestimmt gestaltet sich die exakte Platzierung des 3D Cursors einfacher Jedoch muss hierf r die Hand st ndig auf Augenh he gehalten werden was nach einiger Zeit zu Erm dungserscheinungen des Armes f hrt Vom Standpunkt der Ergonomie aus gesehen ist dies nicht akzepta bel 4 INTERAKTIONSKONZEPTE 76 Bei der Manipulation von Objekten mittels Primitivtransformationen hat sich ge zeigt dass die im DRS implementierten Sensoren vor allem die des SphereSensors nicht intuitiv genug sind Zur Rotation des Objekts muss nicht wie man vielleicht er wartet die Hand oder das getrackte Eingabeger t rotiert werden Stattdessen muss eine Translation durchgef hrt werden die vom DRS auf eine Rotation abgebildet wird Zur Aktivierung der Sensoren haben sich vom Datenhandschuh erkannte Gesten der Hand vor allem eine Greifbewegung zur Faust als sehr intuitiv herausgestellt Ab bildung 4 4 Jedoch wurde hierbei ein Seiteneffekt beobachtet Das Formen einer Handgeste hat indirekte
78. n Einfluss auf die Orientierung des Tracking Sensors was zu einem Verrutschen des 3D Cursors f hrt Bei der Bet tigung des Knopfes am Pol hemus Stylus Abbildung 4 3 oder an einer Gyromaus zur Aktivierung von Sensoren trat der beschriebene Effekt zwar auch auf aber nicht in einem Ausma wie bei der Benutzung des Datenhandschuhs Abbildung 4 3 Polhemus Stylus Abbildung 4 4 Datenhandschuh als Eingabeger t als Eingabeger t 4 INTERAKTIONSKONZEPTE 77 Systemsteuerung Ein PDA wurde anfangs vorgesehen um Informationen ber das selektierte Objekt anzuzeigen und den Interaktionsprozess zu unterst tzen Dazu soll te er mit einem Tracking Sensor zur Steuerung des 3D Cursors versehen werden Es stellte sich jedoch heraus dass das den PDA umgebende Feld oder metallische Bau elemente zu einer starken Fluktuation in den gemessenen Positionsdaten des elektro magnetischen Trackers f hrt Dieser vielversprechende Ansatz musste daher verwor fen werden Der ungetrackte PDA mit der Anwendung DRSControl wird dennoch zur System steuerung eingesetzt da die Bedienung auch f r unerfahrene Benutzer verst ndlich ist 4 3 Betrachtung zum Mehrbenutzerbetrieb Alle bisherigen berlegungen zielen auf eine Nutzung des VR Objekt Displays durch nur einen Benutzer ab Ein einzelner Betrachter sieht jedoch stets weniger als 180 des Display Zylinders Es w re daher m glich das Display mehreren Benutzern zu g nglich zu machen Abbildung
79. nd das damit zu verwendende Protokoll definiert werden Zur Auswahl stehen Isotrak II Patriot und Fastrak Mithilfe weiterer Steuerelemente lassen sich beispielsweise Anschluss einstellungen konfigurieren die Transformation der Positionsdaten aus dem Koordina tensystem des Trackers in das von VRML OpenGL beeinflussen oder die Parameter des im Tracking System integrierten Filteralgorithmus justieren PolhemusGUI Settings IDA Server localhost I0AClient ID PolherusGUI CAVE mode else mode is for VR Object Display Polhemus Type Fastrak zl The stylus and 3BALL must be used in the Receiver Port labeled one Comport Tou w Baudrate m2 rj Unite Centimeters zl Hemisphere kowen x r Axes Assignment Assign Polhemus Axes X Y Z to OpenGL Axes 7 x Y X ll p Alignment OpenGL Coordinates e IE x y z Origin Dom 35 00 0 00 r Filtering Position and Attitude Quiet Mode Output Interpolation ISOTRAK II only F 0 04 FLOW DB 0 00 s EE E E re mn nl 1 00 FACTOR r 0 95 See the Polhemus handbook for details on setting filter values 71 Cancel Abbildung 5 6 Screenshot PolhemusGUI Settings Dialog Abbildung 5 7 zeigt die Benutzeroberfl che der Anwendung Glove Im oberen Grup penfeld Gesture Command Map erfolgt zun chst die textuelle Ausgabe der aktuell vom Date
80. nd zu einer bewussten visuellen Wahrnehmung f hren 2 2 2 R umliche Wahrnehmung Eine dreidimensionale Vorstellung von seiner Umgebung zu haben ist f r jeden Men schen selbstverst ndlich Zu verdanken ist sie vor allem unseren zwei nach vorn ge richteten Augen Diese spezielle Physiologie ist wohl evolution r zu begr nden und l sst sich anhand eines Beispiels aus der Tierwelt verdeutlichen Die Augen eines Raubtieres wie zum Beispiel die des L wen sind ebenso angeordnet wie beim Men schen um bei der Jagd die Entfernung zur Beute absch tzen zu k nnen Potentielle Beutetiere wie die Antilope haben indessen zu den Seiten schauende Augen die f r einen gro en Rundumblick sorgen um Angreifer m glichst fr h zu erkennen Doch wie kommt der dreidimensionale Eindruck zustande basiert er doch lediglich 2 GRUNDLAGEN 9 Sklera Pigmentepithel Hornhaut Netzhaut Retina Iris 8 Licht 2 E H Sehgrube Pupille SZ vordere Augenkammer elektrische Impulse Sehnerven fasern Abbildung 2 1 Querschnitt durch das menschliche Auge Gold 97 Seite 41 auf Abbildungen auf der Netzhaut Offensichtlich besitzt das menschliche Gehirn die faszinierende F higkeit aus diesen zweidimensionalen Repr sentationen der Umwelt dreidimensionale Informationen zu generieren die dann in unsere Wahrnehmung ein flie Ben In der Wahrnehmungspsychologie existieren mehrere Ans tze die versuchen diesen Vorgang zu erkl ren Ei
81. ndere Dieser Zusammenhang hat aber nur solange Bestand wie sich die Objekte unterhalb der Horizontlinie befinden Bei Objekten oberhalb des Horizonts beschreibt sich der Sachverhalt genau umgekehrt Staub Ru Nebel und andere Kleinstpartikel in unserer Luft streuen das Licht und lassen ein Objekt zunehmend unscharf erscheinen je weiter es vom Betrachter entfernt ist Die sogenannte atmosph rische Perspektive ist dabei stark abh ngig von der jeweiligen Wetterlage und dem Ort auf der Welt an dem man sich befindet Ein weiteres Tiefenkriterium das sich auch auf Erfahrung zur ckf hren l sst ist die gewohnte Gr e von Gegenst nden Erblickt man einen allt glichen Gegenstand wie beispielsweise einen Apfel kann man relativ gut absch tzen in welcher Entfernung er sich befindet Ebenfalls ein Anzeichen f r Dreidimensionalit t ist die Perspektive Sie l sst sich sehr gut nachvollziehen wenn man sich vorstellt auf einer Eisenbahnschiene zu ste hen die schnurgerade verl uft Die in Wirklichkeit parallel verlaufenden Schienen scheinen zu konvergieren und sich in einem Punkt am Horizont dem Fluchtpunkt zu treffen Perspektive wird auch h ufig in der Kunst angewendet um in einem Bild r umlichen Eindruck zu erzeugen Das letzte aus der Reihe der Monokularen Tiefenkriterien ist der Texturgradient Ein gutes Beispiel das hier angef hrt werden soll ist das Schachbrett Betrachtet man es von einer Seite aus einer etwas gehobeneren Position
82. ner davon ist die Theorie der mehrfachen Tiefenkriteri en die in diesem Abschnitt n her erl utert werden soll Die Theorie st tzt sich auf eine Reihe von sogenannten Tiefenkriterien die einen Zusammenhang zwischen den zweidimensionalen Netzhautprojektionen und der wahrgenommenen r umlichen Tiefe herstellen Nach GOLDSTEIN lassen sich die Tie fenkriterien in vier Gruppen unterteilen Gold 97 Seite 216ff Okulomotorische Tiefenkriterien Betrachtet man ein Objekt in der n heren Um gebung drehen die Augenmuskeln die Augen nach innen um die Blickachsen beider Augen im anvisierten Punkt Fixationspunkt zum Schnitt zu f hren Dieser Vorgang wird als Konvergenz bezeichnet Die Sehachsen schlie en dabei den sogenannten Konvergenzwinkel ein Dieser ist umso gr er je n her sich ein Objekt zum Betrach 2 GRUNDLAGEN 10 ter befindet und ist somit ein Ma f r r umliche Tiefe Sicherlich berechnet das Ge hirn nicht den Konvergenzwinkel er soll nur eine bessere Vorstellung vom Sachverhalt schaffen Die Stellung der Augenmuskeln wird dem Gehirn aber bestimmt ebenso viel Aufschluss bieten Der Vorgang der Akkomodation sorgt daf r dass das Bild des fixierten Objekts auf der Netzhaut fokussiert wird Ziliarmuskeln kr mmen die flexible Linse sodass das einfallende Licht entsprechend gebeugt wird und scharf auf der Netzhaut erscheint Konvergenz und Akkomodation sind allerdings nur vom Nahpunkt bis zu einer Distanz von maximal drei M
83. ng gro er virtueller Distanzen und haben den Vorteil dass sie nat rliche Entsprechungen besitzen Der Benutzer bleibt wieder station r und sitzt in einem virtuellen oder in einer nachempfundenen Kulisse des F hrerraums des jeweiligen Fahrzeuges Mit Hydraulik ausgestattete Fahr und Flugsimulatoren k nnen sogar auftretende Beschleunigungs 2 GRUNDLAGEN 44 kr fte erzeugen Zur Steuerung der Fahrzeuge werden teils mit einer Kr fter ckkopp lung versehene Eingabeger te wie Joysticks oder Lenkr der genutzt Zur Klasse von Fortbewegungsm glichkeiten ohne nat rliche Entsprechung geh ren abstrakte Metaphern wie die World in Miniature Technik Pau 95 Dabei wird ber der normalen Ansicht auf die virtuelle Welt eine skalierte Gesamtansicht eingeblendet die eine exakte Kopie dieser darstellt Innerhalb der Miniaturansicht wird ein die aktuelle Kameraposition repr sentierender Avatar angezeigt Dieser l sst sich an unterschied liche Positionen der Miniaturwelt verschieben und ist ein Beispiel daf r dass Selekti on beziehungsweise Manipulation virtueller Objekte siehe unten in diesem Fall des Avatars und Fortbewegung einander bedingen k nnen Die Folge ist eine Animation die die aktuelle Kameraposition an die des Avatars verschiebt Dies kann durch eine Kamerafahrt in der gro en Ansicht geschehen Eine andere Variante ist der Flug in die Miniaturwelt sodass diese zur gro en Ansicht wird Nach Ablauf der Animation wird eine n
84. nhandschuh erkannten Geste in einem statischen Textfeld Darunter be 5 SOFTWAREENTWICKLUNG 88 finden sich zwei Kombinationsfelder mit denen eine Zuordnung zwischen erkannter Handgeste und IOA Kommando vorgenommen werden kann Im ersten Kombinati onsfeld Gesture w hlt der Benutzer zun chst die gew nschte Geste Existiert be reits ein zugeordnetes IOA Kommando ndert sich entsprechend der Inhalt des zwei ten Kombinationsfeldes IOA Command W hlt man ein Kommando aus dem zweiten Kombinationsfeld wird es automatisch der im ersten Kombinationsfeld spezifizierten Geste zugeordnet Im unteren Gruppenfeld Settings k nnen Einstellungen den Da tenhandschuh und die IOA Schnittstelle betreffend vorgenommen werden ber ein Kombinationsfeld l sst sich die COM Schnittstelle RS232 angeben ber die der Da tenhandschuh an den Rechner angeschlossen ist Darunter befinden sich zwei Ein gabefelder in die die Netzwerkadresse des IOA Servers und ein Identifikator f r den IOA Client eingetragen werden k nnen zx File View Help r Gesture Command Map Current Gesture GLOVE NOT OPENED Gesture 104 Command Fist E fad Cursor Press Settings r Glove Comport COM2 X los Server 192 168 19 36 IDACientiD Gig Abbildung 5 7 Screenshot der Anwendung Glove Sind alle Einstellungen korrekt vorgenommen worden kann ber das Men der bei den Anwendungen eine Verbind
85. nt GloveManager Settings GloveManager init bool openGiove bool quitIOA registerCallback callback GloveCallback setCommand gestureindex int command int acquireData run GloveManager GloveManager GloveCallback N MainDialog AboutDialog AboutDialog CommandMap int GloveManager GloveManager hideToTray remove bool false MainDialog onGestureChange gesture int setManager manager GloveManager onC lose hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onCommand hDlg HWND message UINT wParam WPARAM aram LPARAM BOOL CALLBACK onDestroy hDlg HWND message UINT wParam WPARAM 1Param LPARAM BOOL CALLBACK onInitDialog hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBA onUser hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK AboutDialog 4_HWND HWND _Instance HINSTANCE Parent HWND created bool _ Template LPCSTR create modal bool instance HINSTANCE template LPCTSTR parent HWND bool Dialog onClose hDIg HWND message UINT wParam WPARAM 1Param LPARAM BOOL CALLBACK onCommand hDig HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onDestroy hDlg HWND message UNIT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onInitDialog hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBAR onUser hDlg HWND message UINT wParam WPARAM lP
86. ol 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 58 zeitig auch ein IOA Server integriert ist Eine solche Applikation kann folglich auch auf einem entfernten Rechner ausgef hrt werden wo sie ein oder mehrere Eingabeger te verarbeitet und dann entsprechende Signale zum DRS sendet Diese massive Vertei lung siehe Abbildung 3 2 hat den Vorteil dass das DRS von s mtlicher Verarbeitung von Eingabegr ten entlastet werden kann was sich in Performance Gewinnen wider spiegelt Au erdem k nnen aus Sicht des Software Engineerings Ein und Ausgabe ger te unabh ngig vom DRS implementiert werden was sich positiv in der Qualit t der Software niederschl gt Das hei t es k nnen Treiber f r verschiedenste Ein und Ausgabeger te geschrieben werden ohne dass ein stabiles DRS in seiner Entwick lung beeintr chtigt wird Die Input Output API entstand aus einer praktischen Semesterarbeit und wurde zun chst in C implementiert und zu einer Programmbibliothek kompiliert die al le Funktionen eines IOA Servers wie Clients siehe Abbildung 3 3 bereitstellt Bei der Anforderungsanalyse wurden dabei zun chst essentielle Funktionalit ten identi fiziert die die Schnittstelle bereitstellen sollte Im Zuge der Weiterentwicklung wurde der Funktionsumfang jedoch betr chtlich erweitert So ist es mit der IOA m glich fern gesteuert Szenen zu laden in ihnen zu navigieren VRML Viewpoints auszul sen oder auch beliebige Daten analog zum VRML Route Konzept an VRML Knoten zu
87. omorph erfol gen Der hierf r notwendige Richtungsvektor kann aus Kopf und Handposition oder aus Handposition und ihrer Orientierung bestimmt werden Die endg ltige Position des 3D Cursors wird wieder ber einen festen Aktionsradius oder Ray Casting berechnet Die Input Output API IOA wurde entwickelt um verschiedenste Ein und Ausgabe ger te in einen DRS Cluster einzubinden Die flexible und leicht erweiterbare Schnitt stelle ist prinzipiell in der Lage Ein Ausgabedaten jeglicher Art zu transportieren um die Interaktion mit einem VR Szenario und die Bedienung des DRS zu erleichtern Grundlage hierf r ist zun chst eine Client Server Architektur Das standardisierte Protokoll der Schnittstelle basiert auf der TCP IP Protokollfamilie und setzt speziell auf dem UDP Protokoll auf Hieraus lassen sich einige Vorteile ableiten Durch die Verwendung von UDP wird eine optimale Performanz des Systems gew hrleistet und Latenzen werden minimiert TCP IP als de facto Internetstandard spricht f r eine Platt formunabhangigkeit Sockets werden von jedem Betriebssystem unterst tzt und bilden eine Art universellen Bus zwischen Client und Serverkomponente Au erdem kann das definierte Protokoll der Schnittstelle in vielen Programmiersprachen implementiert werden All diese Umst nde erm glichen es separate Anwendungen zu entwickeln die ber eine Instanz eines IOA Clients mit dem DRS kommunizieren in das gleich UDP User Datagram Protoc
88. on gegenseitig best tigen Das System tut dies durch entsprechende visuelle Hervorhebung Bounding Box Wireframe Darstel 2 GRUNDLAGEN 47 lung farbliche Markierung etc auditive Meldung oder im Falle des Vorhandenseins von mit Force Feedback ausgestatteten Eingabeger ten wie Datenhandschuhen auch durch auf den K rper bertragene Kr fte oder Vibrationen Der Benutzer kann die Selektion ebenfalls durch entsprechende Ereignisse wie Sprachbefehle Gesten oder Dr cken eines Knopfes bekr ftigen Eine nahtlose Vekn pfung zwischen direkten und indirekten Methoden bildet die egozentrische Go Go Interaktionstechnik Pou 96 Sie baut auf dem Konzept der Vir tual Hand auf Innerhalb von 2 3 der Arml nge k nnen virtuelle Objekte direkt selek tiert und manipuliert werden ber diese Distanz hinaus erfolgt eine nicht lineare Abbil dung auf einen den Arm verl ngernden Vektor sodass auch weiter als eine Arml nge entfernte Objekte mit der Virtual Hand erreicht werden k nnen Das hei t die L nge des Vektors kann vom Benutzer bestimmt werden Virtuelle Objekte lassen sich dann indirekt in der Entfernung manipulieren oder f r eine direkte Manipulation zum Be trachter heranholen Komplexe Manipulationen von Objekten basieren meist auf zu Grunde liegenden ele mentaren Manipulationen Eine Klasse bilden affine Transformationen wie Translation Rotation und Skalierung Sie erm glichen zum Beispiel Kompositionsszenarien in de nen komplexe
89. r Licht auf die gegen ber angeordneten Spiegel Diese sind im Neigungswinkel justierbar und lenken das Licht auf die dar berliegende Projektionsfl che siehe Abbildung 3 7 Ein Projektor leuchtet etwa 115 des Projektionsk rpers aus Dadurch berlappen sich Teile der Projektionen Damit ein harmonisches Gesamtbild entsteht m ssen die Pro jektionen sanft ineinander berblendet werden Zu diesem Zweck werden Blending Masken angewendet Auf Grund der Spiegelung und der gekr mmten Projektionsfl che entsteht ein ver zerrtes Bild Um diese Verzerrung auszugleichen kommt ein eigens entwickeltes Kali brierungsverfahren zum Einsatz Ein spezieller Algorithmus berechnet dabei zun chst eine die gew lbte Projektionsfl che repr sentierende Geometrie Diese dient bei der Echtzeitvisualisierung als Grundlage f r ein 2 Pass Rendering Verfahren das im DRS implementiert ist Im ersten Schritt wird das gerenderte Bild der Szene anstatt es direkt in den Bildspeicher der Grafikkarte zu schreiben zun chst in einem Zwischen speicher abgelegt Im zweiten Schritt wird dieses Bild als Textur auf die aus dem Ka 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 64 Abbildung 3 7 Strahlengang VR Objekt Display librierungsverfahren hervorgegangene Geometrie angewendet Das damit wiederum entstehende Bild wird jetzt ausgegeben und erscheint auf der geschwungenen Pro jektionsflache unverzerrt Abbildung 3 8 Entzerrung Blending und Farbtransformation des VR Objekt
90. r Objekte Dies beg nstigt vor allem Produktpr sentationen in denen Kunden neue Produkte aus allen Perspektiven begutachten m chten So zum Beispiel in der Modebranche Der animierte Avatar eines Modells auf dem Catwalk k nnte neueste Modesch pfun gen vorf hren Im Bereich der Medizin kann das Display zur Ausbildung angehender rzte genutzt werden Anhand eines lebensgroBen virtuellen Torsos k nnen anatomische Grundla gen der menschlichen Physiologie vermittelt oder komplizierte Abl ufe w hrend einer Operation trainiert werden Im Telekommunikationssektor er ffnen sich neue Dimensionen der Telepr senz Ein 3D Abbild des Gespr chspartners oder ganzer Gespr chsgruppen kann in vol ler Gr e projiziert werden In einer Kommunikation beispielsweise mit einer CAVE Installation lie en sich alle in der CAVE befindlichen Personen filmen und im VR Ob jekt Display abbilden Gleichzeitig k nnte der Betrachter des VR Objekt Displays an einer entsprechenden Stelle der CAVE dargestellt werden Im musealen Umfeld kann das Display f r Kunst und Arch ologie Anwendung fin den um seltene Skulpturen und Artefakte einem breiteren Publikum zug nglich zu machen F r die Raumfahrt kann das Display zur Entwicklung und zum Test der korrekten Funktion von Satelliten eingesetzt werden 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 52 3 1 Das Distributed Rendering System Das von FIRST im Forschungsbereich ViSTA entwickelte Distributed Rendering Sys tem DRS is
91. r Zeit werden die B rger des Regimes unter Kontrolle gehalten Das F hlkino mit Super Stereo Ton und Duftorgelbegleitung ist allseits belieb te Abendunterhaltung Aldous Huxley erkl rt nicht wie die zur Perfektion vollendete Technik funktioniert was aber auch h chstwahrscheinlich nicht Anliegen seines Ro mans ist jedoch beschreibt er wie der technologische Fortschritt die Protagonisten sogar jedes einzelne Haar eines B renfells sp ren l sst und damit das was Virtuelle Realit t heute in den Grundz gen ausmacht Aber was genau hei t Virtuelle Realit t Dieser Frage soll in dem nun folgenden Ab schnitt nachgegangen werden Virtuelle Realit t im Folgenden VR genannt ist das eigentlich semantisch kontro verse Konstrukt zweier Begriffe virtuell und Realit t Um VR als solche zu verstehen sollen diese beiden Begriffe erst einmal getrennt voneinander erl utert werden W hrend das Wort virtuell im Kontext der klassischen Physik oder der Optik sei 2 GRUNDLAGEN 4 nen ganz eigenen Stellenwert besitzt ist f r diese Betrachtung eine bersetzung aus dem allt gliche Sprachgebrauch mit scheinbar sicherlich ausreichend Die Erkl rung von Realit t gestaltet sich weitaus schwieriger da nicht nur in der Philosophie meh rere Definitionsans tze existieren So geht der Realismus beispielsweise davon aus dass es eine absolute Realit t gibt die unabh ngig von der durch Wahrnehmung im einzelnen Individuum
92. r voneinander Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin dass solche Bil der auch abgedruckt oder am Bildschirm ohne zus tzliche Technik dargestellt werden k nnen Der gro e Nachteil besteht im Verlust der Farbinformationen des Bildes Andere passive Verfahren sind jedoch in der Lage die Farbinformationen der Bil der aufrecht zu erhalten Eines basiert auf der physikalischen Annahme dass sich Licht in Form transversaler Wellen ausbreitet Angesichts dessen ist es m glich Licht zu polarisieren Transversalwellen k nnen als berlagerung horizontal und vertikal schwingender Wellen betrachtet werden Mit entsprechend orientierten Polarisations filtern besteht die M glichkeit einen der beiden berlagerungsanteile zu eliminieren Es entsteht linear polarisiertes Licht Des Weiteren ist die Phasendifferenz der ber lagerten Schwingungsanteile Ausschlag gebend daf r ob eine Transversalwelle links oder rechtsdrehend ist Hieraus ergibt sich eine weitere Form der Polarisation Durch zwei hintereinander liegende und leicht verdrehte lineare Filter kann das Licht zirkular 2 GRUNDLAGEN 19 polarisiert werden Je nach dem ob sie gegen den oder mit dem Uhrzeigersinn zu einander verdreht sind passieren nur links beziehungsweise rechtsdrehende Licht wellen die beiden Filter Im Sinne der Bildtrennung wird das Licht zweier Projektoren zun chst mithilfe entsprechend angeordneter Polarisationsfilter entgegengesetzt line ar oder zirkular polari
93. rden Auch von Datenhandschuhen erkannte Gesten der Hand k nnen auf Systemkomman dos abgebildet werden Ein vielseitigeres Eingabeger t zur Systemsteuerung ist der PDA Die bei FIRST entwickelte Anwendung DRSControl ist Implementierung eines IOA Ger tetreibers 4 INTERAKTIONSKONZEPTE 74 f r den PDA Die Anwendung ist in ihrer Erscheinung ber eine XML Datei konfigu rierbar Es k nnen hierarchische Men strukturen aufgebaut werden Ein einzelnes Men wird am Touch Screen angezeigt Symbole bilden Men punkte die je mit einem Systemkommando verkn pft sind Es lassen sich Szenen laden VRML Viewpoints anw hlen und Rendering Modi umstellen solid wireframe mono stereo um nur eini ge Funktionen zu nennen Abbildung 4 2 zeigt einen Screenshot der Anwendung Abbildung 4 2 Screenshot DRSControl Ein Tracking des PDA w rde neben dem Interaktionsaspekt der Systemsteuerung gleichzeitig eine Selektion und Manipulation erm glichen Zusammen mit der Anzeige interaktionsbegleitender Informationen w re der getrackte PDA das optimale Einga beger t 4 2 Evaluierung Eine objektive Evaluierung der entwickelten Interaktionskonzepte auf Grundlage von umfangreichen Usability Testreihen mit Probanden stehen zu diesem Zeitpunkt noch aus da das VR Objekt Display noch nicht voll funktionst chtig ist An dieser Stel le kann daher nur eine subjektive Bewertung erfolgen Diese basiert auf Erfahrun gen die beim Test der implementierten
94. rei dimensionalit t durch Projektion auf zweidimensionale Fl chen Einen ganz anderen Ansatz verfolgen volumetrische Displays Sie besitzen die F higkeit Punkte im Raum direkt zu illuminieren und geh ren damit zu den autosteroskopischen Displays Daraus folgt dass es der r umlichen Betrachtung dargestellter Objekte keiner Brille bedarf Des Weiteren ist die Anschauung der Objekte aus unterschiedlichen Perspektiven ohne jegliche Anpassung der Darstellung m glich Das hei t ein beziehungsweise mehrere Betrachter k nnen um das Objekt herumgehen Eine kollaborative Arbeit an Objekten wird somit erleichtert Das Funktionsprinzip dieser Displays basiert auf schnell rotierenden Fl chen die ein durch eine Sichtkuppel gesch tztes Volumen berstreichen Zu einem Zeitpunkt nimmt die Fl che dabei eine durch ihre Form bestimmte Punktmenge des Volumens ein Durch Anstrahlen der Fl che werden die Punkte f r den Moment sichtbar Das Felix 3D Display Bahr 96 benutzt eine helixf rmige Fl che ber eine spezielle Optik 2 GRUNDLAGEN 28 k nnen Laserstrahlen umgelenkt werden und erhellen einen Voxel wenn der Strahl im entsprechenden Moment auf die Helix trifft In einer schnellen zeitlichen Abfolge ent steht dann auf Grundlage eines 3D Modells dessen echte r umliche Repr sentation Ganz hnlich funktioniert der Perspecta von Actuality Systems Fav 02 nur nutzt das Ger t einen planaren rotierenden Schirm und normale Projektionstechnologie an
95. rgebnis geliefert werden Zur Integration des PDAs in den Interaktionssprozess k nnte ein anderes Tracking 6 ZUSAMMENFASSUNG 91 Verfahren z B optisch genutzt werden Eine provisorische L sung k nnte auch eine leichtgewichtige Konstruktion bieten welche f r einen ausreichenden Abstand zwi schen PDA und elektromagnetischem Tracking Sensor sorgt Bei der Entwicklung der Interaktionskonzepte wurden weiterhin eine Reihe von Unzul nglichkeiten im DRS identifiziert Zur Unterst tzung der Selektion sollte der Richtungsvektor eine visuelle Repr sentation in Form eines Strahls erhalten Zudem k nnte eine Best tigung der Selektion in entsprechender Art und Weise automa tisch vom DRS vorgenommen werden Weiterhin w re eine berarbeitung der VRML Geometrie Sensoren in der Form sinnvoll dass Positionen und Orientierungen eines Tracking Systems direkt auf den entsprechenden VRML Sensor abgebildet werden k nnen Denkbar w re auch die Implementierung eines TrackerSensors der die gleichzeitige Manipulation von Position und Orientierung auf der Basis von Tracking Daten erlaubt Literatur und Quellenverzeichnis Bahr 96 Bor 94 Bow 00 Bow 04 Car 97 CAVE Fav 02 FDT FIRST Gib 94 GLV BAHR D LANGHANS K et al FELIX A volumetric 3D laser display In Projection Displays Il Proceedings of SPIE Vol 2650 1996 S 265 273 BORMANN S Virtuelle Realit t Genese und Evaluierung
96. rsion Immersion beschreibt also das Eintauchen in eine k nstliche Welt oder vielmehr das Gef hl oder den Grad des Involviert Seins Heutige VR Systeme sind nat rlich noch weit von der literarischen Science Fiction entfernt Der immersive Eindruck den sie vermitteln k nnen ist abh ngig von ihren teils technischen Eigenschaften Tabelle 2 2 ist die Abwandlung einer bersicht nach BORMANN Bor 94 Seite 84 und verdeutlicht Faktoren die die Immersion eines Systems beeinflussen beziehungswei se erh hen hohe Bildkomplexit t hohe Bildaufl sung stereoskopisches Sehen hohe Abdeckung des Gesichtsfeldes hohe Bildwiederholrate hohes Ma an Interaktivit t Positionssensoren etc 3D Ton Tabelle 2 2 Immersion f rdernde Faktoren Bor 94 Seite 84 Die Tabelle ist dabei keineswegs vollst ndig So fehlen ihr beispielsweise Aspekte die 2 GRUNDLAGEN 7 kin sthetische Empfindungen erzeugen oder weitere Sinne ansprechen g nzlich Im mersion w chst aber mit der Stimulanz m glichst vieler Sinne Wie jedoch aus Tabel le 2 2 ersichtlich wird immersiver Eindruck ma geblich durch visuelle Gegebenheiten gepr gt Dies ist mit der Tatsache zu begr nden dass das Sehen auch der Sinn ist der in der menschlichen Wahrnehmung die wichtigste Rolle spielt Bezug nehmend auf die Interaktion mit einem System k nnen aber auch Eingabe konzepte die Immersion gravierend beeinflussen So ist die Eingabe
97. rung F r die Implementierung der Anwendungen sind strenge Rahmenbedingungen ge steckt Da es sich bei den zu entwickelnden Anwendungen um Erweiterungen des DRS handelt liegt es nahe dessen Systemplattform Entwicklungsumgebung und Programmiersprache als Vorgabe zu verwenden Aus diesem Grund sollen die An wendungen ebenfalls f r das Windows Betriebssystem entwickelt werden Dazu bie tet Microsoft komfortable Entwicklungsumgebungen aus der Visual Studio Familie an Die Quellen von DRS IOA und vielen verwendeten Bibliotheken liegen in C C vor Zudem ist es mit C m glich das objektorientierte Paradigma umzusetzen Als Entwicklungsumgebung wurde Microsoft Visual C 6 0 gew hlt Zu den ver wendeten Bibliotheken und Schnittstellen geh ren neben der IOA die Windows API FGlove und OpenGL sowie deren Erweiterung GLUT Die in einer Bibliothek vorlie gende Input Output API IOA dient der Kommunikation mit dem DRS und wird beim Kompilieren zum Programm hinzugelinkt Die Windows API wird vorrangig verwendet um Benutzeroberfl chen zu erzeugen Sie stellt dar ber hinaus aber auch Funktionen bereit welche die Kommunikation mit Peripherieger ten an der RS232 Schnittstelle und eine parallele Programmierung mittels Threads erm glichen Zur dreidimensiona len Visualisierung der vom Tracker gelieferten Positionen kamen OpenGL und GLUT 5 SOFTWAREENTWICKLUNG 86 zum Einsatz FGlove ist die vom Hersteller Fifth Demension Technologies mitgeliefer
98. se Ein weiteres alternatives Verfahren basiert auf Licht Hierzu sind f r jeden Fin ger Glasfaserschlaufen in den Datenhandschuh eingearbeitet An einem Ende emit tiert eine Leuchtdiode Licht in die Glasfaser am anderen Ende misst ein Photodetek tor die Menge des ankommenden Lichts Auf dem Weg durch den Lichtleiter geht in Abh ngigkeit vom Beugungsgrad des Fingers Licht verloren Es tritt also eine mess bare Diskrepanz zwischen ausgesendetem und empfangenen Licht auf die auch als 2 GRUNDLAGEN 38 optischer Widerstand bezeichnet werden kann Pinch Gloves Die zweite Kategorie bilden Datenhandschuhe die lediglich ermitteln k nnen ob sich zwei oder mehrere Fingerspitzen ber hren Dazu sind leitf hige Kon taktstellen beziehungsweise streifen in die Oberfl che speziell an den Fingerspitzen des Handschuhs eingearbeitet Ber hren sich die Kontaktstellen wird ein Stromkreis geschlossen der einer entsprechenden Fingerkombination zugeordnet werden kann Pinch wie Bend Sensing Gloves erm glichen generell aus der Kombination von Fin gerstellungen bestimmte Gesten abzuleiten die in VR Applikationen verschiedenen Kommandos zugeordnet werden k nnen Bend Sensing Gloves erlauben durch ih re stufenlose Aufl sung aber auch filigrane Greifoperationen Um eine Gesten oder Greifoperation im Kontext von Lage und Position der Hand richtig deuten zu k nnen werden Datenhandschuhe in der Regel mit Tracking Systemen kombiniert Die Firma Im
99. senden Die IOA Schnittstelle erlaubt somit die Steuerung aller in Abschnitt 2 3 6 angef hrten Interaktionsaspekte Derzeit gibt es IOA Treiber f r Eingabeger te wie Joystick Maus Keyboard das PCdash2 oder einen Orientierungssensor Gyroskop Dass die Schnittstelle auch portabel ist zeigt eine Implementierung f r PDAs die ber drahtlose Technologi en wie Bluetooth oder WLAN kommunizieren Weiterhin wurde das IOA Protokoll im Rahmen eines anderen Projekts in C umgesetzt Diese Implementierung wird derzeit am Fraunhofer Institut f r Werkstoff und Stahltechnik IWS genutzt um eine Sprach steuerung f r das DRS zu realisieren PCdash2 der Firma Saitek Tablett mit 32 frei programmierbaren Tasten PDA Personal Digital Assistent Handheld Computer 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 59 hnlich anderen VR Software Systemen wie CAVELib WorldToolKit Open Inventor oder Java3D besitzt das DRS ebenfalls eine Schnittstelle die einen Zugriff auf den VRML Szenengraph zur Laufzeit erlaubt und somit die M glichkeit er ffnet Knoten di rekt zu manipulieren Die als LaverCAVE API bezeichnete Schnittstelle befindet sich jedoch vor einer massiven Umstrukturierung und wurde aus diesem Grund nicht f r diese Arbeit herangezogen dbackHandler zl Handler ringCommand stringCommand const char Abbildung 3 3 Interface der Klasse IOAClient bereitgestellte Methoden 3 2 Versuchsaufbau W hrend der Bearbeitung dieser Arbeit stand
100. siert Der Betrachter tr gt eine Polarisationsbrille deren Gl ser dieselbe Filterkonfiguration wie die Projektoren besitzen Auf diese Weise sieht jedes Auge nur sein entsprechendes Bild Lineare Polarisation hat den Nachteil dass eine seitliche Neigung des Kopfes den Effekt der Bildtrennung zerst rt Daher zieht man ihr zirkulare Polarisation vor Ein relativ neuer Bildtrennungsmechanismus das sogenannte Wellenl ngenmul tiplex Verfahren INFI wurde von der Infitec GmbH entwickelt Infitec steht f r In terferenzfiltertechnik Der Farbwahrnehmung entsprechend zerlegen spezielle Filter die Lichtspektrenanteile der Grundfarben rot gr n und blau in Wellenl ngen Tripel In Abh ngigkeit der Anzahl der zu trennenden Bilder k nnen prinzipiell entsprechend viele Wellenl ngen Tripel erzeugt werden Aus der Eliminierung von Wellenl ngenan teilen der einzelnen Grundfarben ergibt sich jedoch ein Nachteil Die Farbrezeptoren der Netzhaut reagieren unterschiedlich auf die leicht differierenden Wellenl ngen was sich in einer wahrgenommenen Farbabweichung ins R tliche beziehungsweise Gr nli che der jeweiligen Bilder u ert Um ungeachtet dessen ein farbtreues Ergebnis zu erzielen muss der Farbraum der Bilder vor der Filterung ad quat transformiert wer den Infitec stellt hierzu spezielle Hardware zur Verf gung die zwischen Grafikkarte und Projektor geschalten werden kann Ein Farbabgleich kann aber auch schon im Rechner mithilfe einer softwar
101. sprechen Tr gt der Benutzer Pinch Gloves l st eine Geste eine Ak tion dem entsprechend angezeigten Men punkt aus Abbildung 2 30 TULIP Men Eine weitere beliebte Form der Systemsteuerung ist die Spracheingabe Man un terscheidet dabei einfache bei der einzelne W rter oder Wortketten entsprechen den Kommandos zugeordnet werden und komplexeren Spracherkennung die einen nat rlichen Dialog mit dem System zulassen Gestische Kommandos beinhalten nicht nur starre Handhaltungen Gesten als sol che sondern auch in Verbindung mit einer bestimmten Handhaltung durchgef hrte 2 GRUNDLAGEN 49 Bewegungen im Raum So k nnte ein mit einer Faust in die Luft gezeichnetes C zum Beispiel eine Farbpalette erscheinen lassen Eine weitere Metapher zur Systemsteuerung bilden Werkzeuge Sie funktionieren hnlich den Werkzeugen in einem Bildverarbeitungsprogramm Dort erzeugen zum Beispiel Pinsel und Airbrush unterschiedliche Linien In VR Anwendungen kann die Auswahl eines entsprechendes Werkzeuges eine nderung des aktuellen Manipula tions oder Fortbewegungsmodus bewirken W hrend Turnschuhe beispielsweise nur auf eine langsame Bewegung am Boden beschr nkten k nnten Fl gel eine schnelle re Bewegung mit mehr Freiheitsgraden erlauben Diese Werkzeuge k nnten an einem virtuellen Werkzeugg rtel h ngen und mittels Selektion w hlbar sein oder physisch als Eingabeger t in Form von Wands vorhanden sein 3 Das VR Objekt Display
102. stance HINSTANCE d HWND HWND Window create title const char x int y int width int height int instance HINSTANCE icon WORD menu WORD bj enterMessageLoop acceleratore Accelerator int show cmdshow int onActivate hwnd HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onCommand hwnd HWND message UINT wParam WPARAM 1Param LPARAM BOOL CALLBACK onCreate hwnd HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onDestroy hwnd HWND message UNIT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onLButtonDown hwnd HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onMouseMove hwnd HWND message int wParam WPARAM 1Param LPARAM BOOL CALLBACK onMouseWheel hwnd HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onRButtonUp hwnd HWND message UINT wParam NPARAM IParam LPARAM BOOL CALLBACK onShowWindow hwnd HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onSize hwnd HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK onUser hD1g HWND message UINT wParam WPARAM lParam LPARAM BOOL CALLBACK v message UN ara am BOO _AboutDialog AboutDialog _SettingsDialog SettingsDialog _LogDialog LogDialog _CS CRITICAL SECTION data PolhemusData GLContext PolhemusGLContext Manager PolhemusGUIManager _ mouse POINT _render bool _reshape bool _ running bool _size POINT
103. statt eines Lasers Aus seiner dreidimensionale Aufl sung von 768x768x198 ergibt sich ei ne Anzahl von ber 100 Millionen Voxeln Wollte man das 3D Bild in heute blichen 24 Bit Farbtiefe darstellen bedeutete dies einen immens hohen Bedarf an schnel lem Bildspeicher Aus technischen Gr nden geht man beim Perspekta daher einen Kompromiss zu Lasten der Farbtiefe ein der Farbraum ist nur drei Bit breit Diesen Umstand versucht man aber mithilfe von Dithering Verfahren auszugleichen Ein weiterer die Immersion tr bender Nachteil volumetrischer Displays ist deren teils technisch bedingte Gr e Mit maximal 50 Zentimetern Durchmesser sind sie im Vergleich zu anderen VR Systemen sehr klein Abbildung 2 16 Perspecta von Actuality Systems 2 GRUNDLAGEN 29 Display Volume E i Motor and Pasition Sansor y E XY Scannar ed j er re Computer D 3D Interface mA wm roic Mirrors W WE AGB Lasers Modulators Abbildung 2 17 Felix 3D Funktionsprinzip 2 3 2 Tracking Tracking beschreibt Methoden der Akquisition von dreidimensionalen Positions und Orientierungsdaten die als Eingabe f r VR Systeme eine wichtige Rolle spie len M chte man mit einer virtuellen Umgebung interagieren sind Informationen ber die Position und Lage von Kopf H nden und des restlichen K rpers einer Person von entscheidender Bedeutung Dieser Abschnitt gibt eine bersicht ber die wichtigsten angewendeten Trackingverfahren
104. szutauschen VRML97 bietet dar ber hinaus aber noch an 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 54 dere M glichkeiten So bef higt der Standard den Benutzer mit einer VR Szene zu interagieren Animationen zu erstellen und ein bestimmtes Verhalten der Szene ber Programmierschnittstellen wie Java oder JavaScript zu definieren VRML beschreibt einen gerichteten azyklischen Szenengraphen dessen Entit ten als Knoten bezeichnet werden In dieser Hierarchie k nnen Knoten andere Knoten enthalten sie stehen also in einer Eltern Kind Beziehung zueinander Es ist aber auch m glich dass ein Knoten mehrere Eltern Knoten besitzt VRML definiert 54 unter schiedliche Knoten darunter gruppierende Knoten wie der Group oder der Transform Knoten geometrische Primitive wie Sphere oder Box Knoten die das Aussehen von Objekten definieren oder klangerzeugende Sound Knoten Die Daten oder Eigen schaften der Knoten werden in zugeh rigen Feldern mittels unterschiedlicher Daten typen abgelegt Um Szenen einen interaktiven und lebendigen Charakter zu verleihen beschreibt VRML einen speziellen Mechanismus der eine Kommunikation zwischen den Knoten erm glicht Neben den normalen Feldern besitzen Knoten hierf r besondere Schnitt stellen die als ausgehende eventOut beziehungsweise eingehende eventln Ereig nisse bezeichnet werden Eine sogenannte Route verkn pft ein ausgehendes mit ei nem eingehenden Ereignis gleichen Datentyps und stellt somit eine Verbindung zwi
105. t eine VR Software hnlich CAVELib oder WorldToolKit die auf Client Server Basis funktioniert und auf handels blicher Standardhardware lauff hig ist Die Anwendungsebene bildet ein VRML Browser das von Holger Grahn entwickelte GL View GLV Das DRS ist in der Lage 3D Szenen zu laden und darzustellen Erweitert wird die Anwendungsebene durch eine Netzwerk und Synchronisations schicht Damit ist es mit dem DRS m glich Rendering Cluster aufzubauen wie sie f r VR Umgebungen wie CAVEs n tig sind Dabei erlaubt das DRS mehrere Rendering Clients pro Host Rechner Koordinierende Instanz im Cluster ist ein DRS Server der nderungen am VRML Szenengraphen an alle Rendering Clients propagiert Ein DRS Cluster kann prinzipiell aus einer beliebigen Anzahl von Clients bestehen Ein typisches Setup zeigt Abbildung 3 2 DRS Client d N DRS Server IOA Client DRS Client lli o a Wa Abbildung 3 2 Typisches DRS Setup 3 DAS VR OBJEKT DISPLAY 53 Die Konfiguration des Clusters ist ber eine zentrale XML Datei gel st Die Darstellung der von den Clients gerenderten Bilder kann am Bildschirm oder mittels Projektion auf Leinw nde erfolgen Dank eines von FIRST entwickelten automatischen Kalibrierver fahrens ist auch eine Projektion auf gekr mmte Oberfl chen m glich Die Software ist in der Lage stereoskopische Halbbilder zu erzeugen und un terst tzt aktive wie passive Verfahren zur Bildtrennung Das DRS befinde
106. t hier archisch aufgebauten Men s unterst tzt Die Metapher wird daher auch als WIMP Windows Icons Menus and Pointers Schnittstelle bezeichnet Bow 04 Seite 91 2 GRUNDLAGEN 21 Eine alphanumerische Eingabe erfolgt mit der Tastatur Als erste brachte die Firma Apple ein eigenes derartig aufgebautes Betriebssys tem zur Marktreife Andere Hersteller wie Microsoft folgten mit hnlichen Umsetzun gen und erm glichten von da an erst einer breiten Masse den Umgang mit einem Computer Neben Maus und Tastatur haben sich heute auch speziellere Eingabe ger te wie Joystick Gamecontroller im Allgemeinen und Grafiktablett f r den Enter tainment und Profidesignermarkt durchgesetzt Die etablierten Interaktionsmethoden weisen aber immer noch Defizite auf Da sie noch nicht intuitiv genug sind m ssen sie teilweise langwierig erlernt werden was vielen Menschen immer noch schwer f llt Die Entwicklung l sst jedoch erkennen dass die Mensch Maschine Kommunikation zunehmend ergonomischer wird Genau hier setzt unter anderem die Forschung auf dem Gebiet der VR an Man l sst zweidimensionale Repr sentationen am Bildschirm zunehmend hinter sich und versucht dreidimensionale Darstellungen zu schaffen die eine weniger gro e Abstrak tion darstellen und somit schneller und besser begreifbar sind Viele der oben genann ten Ein beziehungsweise Ausgabemethoden und deren Ger te eigenen sich jedoch nur bedingt oder gar nicht f r den Einsatz mit VR
107. t of Birds von Acension Technology 2 24 5DT Bend Sensing Glove 2 25 Fakespace Labs Pinch Gloves 2 26 Wanda von Ascension Technology rn 2 27 Elystick der A FT GmbH 22 2 28 ER EC Y x wore Poe ek 2 28 Logitech Freedom 2 4 Cordless Joystick 97 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 98 2 29 World in Miniature RR IEEE XE ee art eS 44 2 30 TULIP Men E huir oe Re den cest age eai Us 48 3 1 Prototyp VR Objekt Display lll 50 3 2 Typisch s DAS Setup v0 2 uad wanes cr m De de ee ees 52 3 3 Interface der Klasse lOAClient 59 3 4 DRS Mono Setup des Versuchsaufbaus 60 3 5 Aufbau VR Objekt Display 62 3 6 Schema VR Objekt Display 63 3 7 Strahlengang VR Objekt Display aooaa a 64 3 8 Entzerrung Blending und Farbtransformation des VR Objekt Displays 64 3 9 Polhemus Standardsender less 66 3 10 Polhemus Standardempfanger rn 66 3 11 Basiseinheit des Polhemus FASTRAK less 67 3 12 Polhemus Long Ranger 67 3 13 5DT Data Glove 5 2 ne ar we Ben 67 3 14 Hewlett Packard iPAQ Han 68 3 15 Gyration Gyrom use 4 252 342 wre doe Dh rut hey BOR ER RR pen 69 4 1 Betrachterbezogene Darstellung ln 71 4 2 Screenshot DRSControl 74 4 3 Polhemus Stylus als Eingabeger t lll 76 4 4 Datenhandschuh als Eingabeger t 76 4 5 Entfernung und Displayausnutzung llle 78 5 1 Model Vie
108. t sich in einem evolution ren EntwicklungsprozeB um immer neuen Anforderungen gerecht zu werden Eigens entwickelte Schnittstellen auf die in Unter abschnitt 3 1 2 n her eingegangen wird beg nstigen diesen Entwicklungsproze Sie sorgen daf r dass auf neue Anforderungen schnell reagiert werden kann Das DRS ist auch die Software mit der eine Darstellung am VR Objekt Display realisiert ist 3 1 1 VRML Wie im obigen Abschnitt angedeutet ist VRML die Grundlage jeder mit dem DRS m glichen Darstellung Da auch die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Interakti onskonzepte mit Techniken des VRML Standards in Beziehung stehen soll an dieser Stelle eine n here Diskussion gef hrt werden Die Virtual Reality Modeling Language VRML ist ein internationaler Standard zum Austausch von 3D Daten VRML 2 0 wurde im April 1997 von der International Organization for Standardization ISO verabschiedet VRML 97 und wird in der Na mensregelung der ISO auch als VRML97 bezeichnet Das Dateiformat basiert gr ten teils auf dem bei Silicon Graphics Anfang der neunziger Jahre entwickelten Format f r den Open Inventor VRML integriert eine Reihe von anderen Standards wie zum Bei spiel JPEG um Objektoberfl chen mithilfe von Texturen realistischer erscheinen zu lassen Die Version 2 0 l ste VRML 1 0 ab das bis dahin noch einige Defizite auf wies Beide Formate eignen sich hervorragend um statische dreidimensionale Ob jekte zu speichern und au
109. tec Wellenl ngenmultiplex Visualisierungssysteme http www infitec net INFITEC pdf letzter Abruf 11 10 2003 ISAKOVIC K DUDZIAK T et al X Rooms A PC based immersive visuali zation environment In Proceeding of the seventh international conference on 3D Web technology 2002 S 173 177 MCALLISTER David F Stereo computer graphics and other true 3D tech nologies Princeton New Jersey Princeton University Press 1993 PAUSCH R BURNETTEA T et al Navigation and Locomotion in Virtu al Worlds via Flight into Hand Held Miniatures In Proceedings of the 22nd annual conference on Computer graphics and interactive techniques 1995 S 399 400 POLHEMUS Polhemus Isotrak Il Fastrak Patriot Benutzerhandb cher http www polhemus com technical_product_support htm letzter Abruf 07 09 2004 POUPYREV l BILLINGHURST M et al The Go Go Interaction Techni que Non Linear Mapping for Direct Manipulation in VR In Proceedings of the 9th annual ACM symposium on User interface software and techno logy 1996 S 79 80 LITERATUR UND QUELLENVERZEICHNIS 94 VRML 97 nformation technology Computer graphics and image processing The Woo 99 Virtual Reality Modeling Language VRML ISO IEC 14772 http www web3d org x3d specifications vrml ISO IEC 14772 All letzter Abruf 21 09 2004 Woo M NEIDER J et al OpenGL Programming Guide The official guide to learning OpenGL Version 1 2 Addison Wesley 19
110. tsache begr nden dass ihre Abbildungen in einem konstanten Zeitraum verschieden groBe Strecken auf der Retina zur cklegen Position 1 Position 2 Abbildung 2 2 Bewegungsparalaxe Gold 97 Seite 223 2 GRUNDLAGEN 13 Ein eng mit der Bewegungsparalaxe zusammenh ngender Effekt zeigt sich auch bei hintereinander liegenden Fl chen Ver ndert der Betrachter seinen Standpunkt wird die hintere Fl che entweder zunehmend auf oder zugedeckt abh ngig von der Richtung in die man sich bewegt Querdisparation Abgesehen von der Konvergenz sind alle bisher angef hrten An haltspunkte f r r umliche Tiefe auch nur mit einem Auge nachvollziehbar Ein gro er Vorteil f r die r umliche Wahrnehmung ergibt sich aber aus dem Sehen mit zwei Au gen Die Querdisparation wird daher auch als binokulares Tiefenkriterium bezeichnet Der Augenabstand l sst in jedem der beiden Augen ein leicht differierendes Abbild der Umwelt auf Grund zweier unterschiedlicher Blickwinkel entstehen Durch Konver genz und Akkomodation wird der Fixationspunkt auf die Foveae abgebildet die so genannte korrespondierende Netzhautpunkte darstellen Das hei t einem Punkt der einen Netzhaut ist physisch genau ein Punkt auf der anderen zugeordnet siehe Ab bildung 2 3 B D Abbildung 2 3 Korrespondierende Netzhautpunkte Gold 97 Seite 226 Es werden aber auch andere Punkte der Szene auf korrespondierenden Netzhaut punkten abgebildet Diese liegen zusammen mit dem F
111. ung zum entsprechenden Eingabeger t und zum DRS aufgebaut werden W hrend des Betriebs lassen sich die Anwendungen minimieren und in die System Ablage System Tray des Windows Desktops einf gen 6 ZUSAMMENFASSUNG 89 6 Zusammenfassung Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden verschiedene Interaktionskonzepte f r das VR Objekt Display entwickelt prototypisch umgesetzt und bewertet Hierzu wurde zun chst eine Einteilung der Nutzerinteraktion hinsichtlich Fortbewegung Selektion beziehungsweise Manipulation und Systemsteuerung vorgenommen Im Gegensatz zu etablierten VR Umgebungen wie der CAVE erfolgt die Fortbe wegung in der vom VR Objekt Display erzeugten virtuellen Welt auf keiner abstrakten Ebene Stattdessen wird eine echte physische Standpunkt nderung des Benutzers im Raum ma stabsgetreu auf eine Bewegung in der virtuellen Welt abgebildet Ein ortsgebundenes virtuelles Objekt innerhalb des VR Objekt Displays projiziert kann auf nat rliche Art und Weise vom Benutzer umgangen und so aus jedem Blickwin kel betrachtet werden Diese Form der Fortbewegung erzeugt im Bewusstsein des Benutzers eine nat rliche Pr senz des Objekts und spricht f r den hohen Grad an Immersion den das VR Objekt Display bietet M glich wird dies jedoch nur durch die Bestimmung der Kopfposition des Benutzers mittels eines elektromagnetischen Tracking Systems Die im Rahmen der Arbeit erstellte Anwendung PolhemusGUI ver arbeitet hierf r die Daten des Tracking S
112. urch einen stereo 2 GRUNDLAGEN 24 skopischen Effekt der bevorzugt mit Zeitmultiplexing oder Polarisation erzeugt wird Benutzt man Zeitmultiplexing m ssen die stereoskopischen Halbbilder der einzelnen W nde synchron generiert und dargestellt werden Fr her wurden hierzu extrem teure Gro rechner mit mehreren Grafikkarten eingesetzt an welche CRT Projektoren ange schlossen waren Heute kommen zunehmend synchronisierte Cluster von Einzelrech nern und DLP Projektoren zum Einsatz Die zunehmende Verwendung von Standard PC Technik hat in den letzten Jahren zur Entwicklung verschiedener preisg nstiger CAVE Systeme gef hrt Das Fraunhofer Institut f r Rechnerarchitektur und Softwa retechnik FIRST war mit der X Rooms Technologie einer der Vorreiter die diesen Ansatz verfolgten Die Darstellung innerhalb einer CAVE kann immer nur f r eine diskrete Anzahl von aktiven Betrachterpositionen optimal erfolgen Alle abweichenden Positionen f hren durch die geometrischen Gegebenheiten des Raumes zu den f r eine CAVE cha rakteristischen Verzerrungen in den Ecken Durch die Bestimmung der Kopfposition eines Betrachters unter Verwendung eines Trackers l sst sich die Darstellung der Szene korrekt und in Echtzeit anpassen F r diesen Betrachter ist es dann m glich sich innerhalb der CAVE zu bewegen ohne das Verzerrungen auftreten Zur Trennung der Ansichten mehrerer Betrachter heute maximal vier bedarf es eines geeigneten Multiplexverfahrens
113. w Controller Modell aoa aaa 82 5 2 Modifiziertes MVC Modell 82 5 3 Klassendiagramm PolhemusGUl 83 5 4 Klassendiagramm Glove nenn 84 5 5 Screenshot der Anwendung PolhemusGUI 86 5 6 Screenshot PolhemusGUI Settings Dialog 87 5 7 Screenshot der Anwendung Glove 88 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 Klassendiagramm PolhemusGUI Ausschnitt 1 101 Klassendiagramm PolhemusGUI Ausschnitt2 102 Klassendiagramm PolhemusGUI Ausschnitt3 103 Klassendiagramm PolhemusGUI Ausschnitt4 104 Klassendiagramm Glove vollst ndig 105 99 Tabellenverzeichnis 2 1 Klassifikation von Computern anhand der Bedienung 2 2 Immersion f rdernde Faktoren 2 3 Eigenschaften von Tracking Systemen 3 1 Spezifikationen Polhemus FASTRAK 100 A Klassendiagramme der erstellten Anwendungen PolhemusGUIManager Settings 3DCursorReceiver ReceiverRole aaindex int Axes AxesAssignment _baudrate int _Callback PolhemusGUICallback caveMode bool CS CRITICAL SECTION changed bool Debug EditControlDebug _clientID char 256 _IOAClient IOAClient _comport int _Polhemus Polhemus _fileName char 256 running bool filter PolhemusFilterSet _ Settings Settings _hemisphere int _simulate bool _originAlignment float 3 _System CoordSystem _quietmode bool Tread HANDLE server
114. ystems und leitet sie an die darstellungser zeugende Software DRS des VR Objekt Displays weiter In der Praxis zeigen sich jedoch die Schw chen des elektromagnetischen Trackings Einerseits erzeugt die zu hohe Latenz Simulatorschwindel Andererseits f hrt die Anf lligkeit gegen ber ande ren Strahlungsquellen und Metallteilen in der Konstruktion des VR Objekt Displays zu gravierenden Fehlern in der sonst recht genauen Positionsbestimmung der Polhemus Systeme Die Folge ist eine vom Benutzer als st rend wahrgenommene Abweichung in der betrachterbezogenen Darstellung Die durch das Betrachter Tracking erschaffene Pr senz des virtuellen Objekts ver einfacht dessen Selektion und Manipulation Leider ist das Objekt aufgrund der phy sischen Barriere des Projektionsk rpers nicht direkt erreichbar Eine Selektion und Manipulation erfolgt daher indirekt mithilfe eines 3D Cursors Hierf r bernimmt die Anwendung PolhemusGUI das Tracking eines weiteren Positionssensors Die Selekti 6 ZUSAMMENFASSUNG 90 on von Objekten durch Eingabeger te die hnlich einer Taschenlampe gehandhabt werden eignet sich auch f r unerfahrene Benutzer Eine Manipulation von Objek ten auf der Grundlage von VRML Sensoren wurde als nicht intuitiv genug bewertet da besonders Geometrie Sensoren Sphere Cylinder PlaneSensor f r die jeweili ge Transformation eine nicht entsprechende Bewegung erfordern F r das Ausl sen von Sensoren haben sich indessen von einem

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