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Virtuelle Realität für die Industrie

Anwendungsfälle und Stand der Technik


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Einsatzmöglichkeiten von HMDs in der Industrie

Die Verwendung von HMDs zur Simulation virtueller Welten hat viele Vorzüge und ist, abhängig vom Anwendungsfall, den bewährten CAVE-Systemen überlegen. Die umschließende Bauweise verwehrt dem Nutzer vollständig den Blick in die reale Umgebung, wodurch sein gesamtes Denken und Handeln ablenkungsfrei auf die simulierte Welt gerichtet werden kann. Dadurch steigt das Gefühl, tatsächlich in der simulierten VR-Umgebung zu sein. Dies ist vor allem bei Trainings- oder Therapiesimulationen wichtig, welche Handlungskompetenzen beim Nutzer verankern sollen, um diesen z.B. bestmöglich auf Gefahrensituationen vorzubereiten. Um ein virtuelles System mit sechs Freiheitsgraden, wie es bei einem HMD gegeben ist, auch bei CAVE-Systemen zu erreichen, ist ein sechsseitiger Aufbau notwendig. Solche Systeme sind sehr teuer und dementsprechend selten.

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Typischer Aufbau eines HMD-basierten VR-Systems
Bild 2. Typischer Aufbau eines HMD-basierten VR-Systems: Ein technischer Meilenstein war die Anpassung des dargestellten Bildes an die Kopfneigung. Die nötige Rechenleistung können mobile Workstations bereitstellen.
© UniTyLab

Auch die hohe Mobilität ist ein wichtiges Kriterium, das bei Messe-Exponaten oder Kundenpräsentationen ausschlaggebend sein kann. In Kombination mit einer mobilen Workstation können Produkte einem Geschäftspartner nicht nur direkt vor Ort demonstriert, sondern auch neue Designprototypen mobil erlebbar gemacht und gemeinsam diskutiert werden. Bild 2 zeigt das typische Schema, nach dem ein VR-System mit HMD heute in der Regel aufgebaut ist.

Anforderungen an die virtuelle Realität

Die ersten HMDs der 90er-Jahre hatten die Einschränkung, dass sie nicht ergonomisch gebaut werden konnten. Viele Kabelstränge und das sehr hohe Eigengewicht (bspw. Forte VFX1: ca. 1100 g) machten die Nutzung über einenlängeren Zeitraum nicht nur zur Zumutung für die Nutzer, sondern stellten ebenfalls ein medizinisches Risiko sowie eine erhöhte Unfallgefahr dar. Diese Hürden sind durch die Miniaturisierung heute größtenteils überwunden, aber noch nicht vollständig gelöst. Die ergonomischen Anforderungen an VR-Systeme liegen im Bestreben nach einer nicht ablenkenden (intrusiven) Gestaltung begründet. Am Körper getragene Hardware darf den Nutzer in seiner Handlungsfreiheit nicht einschränken und sollte möglichst minimal gehalten sein werden

Ebenfalls sollten das HMD und weitere Hardware (bspw. optische Tracker) zu keinem Zeitpunkt der Simulation vom Nutzer bewusst oder unterbewusst wahrgenommen werden.

Herausforderungen an die virtuelle Realität

Abhängig von der benötigten Immersion, also dem Grad der quantitativen und qualitativen Überlagerungen der menschlichen Sinneswahrnehmung durch simulierte Reize, werden zusätzliche Anforderungen an ein VR-System gestellt. So kann es mitunter nötig sein, dass die Simulation nicht nur passiv erlebt werden soll, sondern darin auch agiert und zum Beispiel Objekte manipuliert werden müssen. Herkömmliche Eingabegeräte, wie Maus und Tastatur, sind für hochimmersive Eingabeszenarien nur bedingt geeignet. Virtuelle Welten und Objekte können auf die Benutzer so real wirken, dass sie intuitiv natürliche Verhaltensmuster, wie Greif- oder Ziehbewegungen, zur Interaktion mit der VR anwenden möchten. Um dieser Nutzungsanforderung anwendungsspezifisch gerecht werden zu können, müssen Ein- und Ausgabekonzepte auf das Nutzererlebnis abgestimmt werden.

Ein wichtiges Anwendungsfeld von VR ist die gemeinschaftliche Evaluierung neuer Prototypen. Dafür werden beispielsweise CAD-Modelle in ein virtuelles Szenario geladen und dreidimensional von mehreren Personen betrachtet, diskutiert und bearbeitet. Immense Kosteneinsparungen können bei dieser Herangehensweise nicht nur durch den Wegfall physischer Prototypen generiert werden, sondern im besten Fall auch mit einer erheblichen Reduzierung der Reisekosten und -zeit einhergehen. Für die Funktionsweise des Systems ist es letztlich irrelevant, von welchem Ort aus die Nutzer am virtuellen Szenario teilnehmen.

Bewegungserkennung

Ein zentraler Bestandteil eines VR-Systems ist das eingesetzte Trackingverfahren. Durch dieses wird die Position des Benutzers sowie und gegebenenfalls dessen Körperstellung im Raum erfasst und relativ dazu die VR um ihn erzeugt. Ein großer Vorteil von HMD-gestützten VR-Systemen ist, dass der Arbeitsbereich nicht durch die Projektionsfläche der Beamer, sondern die der Reichweite des Trackingsystems bestimmt wird. Die Reichweite, Stabilität und Qualität des Tracking hängt unterscheidet jedoch stark von zwischen den eingesetzten einzelnen Technologien ab. Bedingt durch die hohe Genauigkeit und Flexibilität, haben sich optische Trackingverfahren in der VR durchgesetzt.

Grundlegend lässt sich zwischen zwei Verfahren unterscheiden: dem Outside-In- und dem Inside-Out-Tracking. Beim Tracking nach dem Outside-In-Verfahren werden die Kameras bzw. Emitter von außen auf das zu überwachende Objekt gerichtet. Inside-Out-Tracking zeichnet sich dadurch aus, dass aus dem zu überwachenden Objekt heraus die Umgebung abgetastet wird. Das Outside-In-Verfahren hat den Vorteil, dass verfolgte Objekte, wie das HMD, nicht durch zusätzlich angebrachte Kameras an Gewicht gewinnen. Die proprietären Trackingverfahren von Oculus und HTC sind beides kostengünstige Outside-In-Lösungen mit einer aufspannbaren Trackingfläche von 15 m2 (Oculus) bzw. 25 m2 (HTC). Hersteller von Industrielösungen, wie zum Beispiel OptiTrac oder das Fraunhofer IIS mit dem RedFIR-Verfahren, können Arbeitsflächen in Lagerhallengröße aufspannen. Im Gegenzug zu einem Inside-Out-Tracking, wie es bspw. bei der Microsoft HoloLens zum Einsatz kommt, sind Outside-In-Verfahren an den ausgerichteten Arbeitsbereich gebunden. Aufbauend auf diesem System entwickelt Microsoft zusammen mit weiteren Herstellern derzeit ein weiteres HMD.


  1. Anwendungsfälle und Stand der Technik
  2. Einsatzmöglichkeiten von HMDs in der Industrie
  3. Bewegungssteuerung in der VR
  4. Verbreitung in der Industrie ist absehbar

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