Realisierung von Schatten in der Augmented Reality

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1: Einleitung

Kapitel 2: Aufbauschema eines AR^[1] -Systems

Kapitel 3: Techniken zur Darstellung

Kapitel 4: Vorstellung der Technik

Kapitel 5: Klassifikation – Merkmalsauswahl

Kapitel 6: Objektklassifikation

Kapitel 7: Segmentierung des realen Schatten

Kapitel 8: Schwellwertberechnung

Kapitel 9: Realisierung virtueller Schatten

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

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Im Gegensatz zur Virtual Reality, in der ein komplettes Abbild der Realität virtuell am Computer geschaffen wird, beschäftigt sich die Augmented Reality lediglich mit der Einbettung virtueller Informationen (z.B. in Form von virtuellen Objekten) mit der realen Umgebung. Daher definiert man Augmented Reality auch als vergrößerte, angereicherte Realität bzw. Technologie, die es ermöglicht, virtuelle Objekte in die Realität einzublenden.

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Abbildung 1: AR findet man heutzutage in vielen industriellen Anwendungen, wie hier dargestellt im Bauwesen, bei der Reparatur, Medizin, Unterhaltung, aber häufig auch im Militär, bei der Ausbildung oder in der Forschung.

Durch das Einblenden virtueller Objekte soll der Benutzer nützliche Informationen erhalten, die ihm bei seiner Arbeit hilfreich sein können und unterstützen. In Abbildung 1 sieht man typische Anwendungsbeispiele der Augmented Reality.

In der Unterhaltungsbranche wird beispielsweise beim Wetterbericht eine virtuelle Karte hinter dem Sprecher eingeblendet. Auf Börsenkanälen laufen aktuelle Kurse.

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Das Ziel dabei ist der Entwurf eines Systems, bei dem keiner den Unterschied zwischen den realen und virtuellen Objekten erkennen kann. Dabei spielen natürlich Einflüsse wie Licht und Schatten eine wesentliche Rolle, um den Benutzer noch mehr den Eindruck zu vermitteln, er befinde sich in der Realität .

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Abbildung 2: Darstellung einer typischen AR-Szene. Oben links: Originalszene. Oben rechts: virtuelle Objekte.

Unten links: virtuelle Objekte in Realszene eingebettet. Unten rechts: virtueller Schatten wurden manuell hinzufügt.

2. Aufbauschema eines AR-Systems

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In der Abbildung 3 sieht man einen schematischen Aufbau eines typischen Augmented Reality Systems. Mit Hilfe der Kamera wird von der 3D-Realszene ein 2D-Bild aufgenommen. Zur gleichen Zeit erzeugt der Computer die virtuelle Szene mit dem virtuellen Objekt und wird mit einem Abgleich auf das reale Bild gerendert und im Ausgabegerät (Abbildung 4) überlagert.

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Abbildung 3: Schema eines Augmented Reality Systems

Diese Technologie umfasst wichtige Details, die beachtet werden müssen, um eine korrekte Überlagerung realisieren zu können. Die Update-Rate für die Erzeugung der erweiterten Bilder sollte mindestens 10 mal pro Sekunde erfolgen, um keine Sprünge in der Darstellung zu sehen. Auch die Geschwindigkeit des Abgleichs von virtuellen und realen Bildern spielt eine wichtige Rolle, um Verzögerungszeiten zu verhindern.

Weitere Schwierigkeiten können das Tracking-System und Occlusions Detection bringen. Tracking sorgt für den richtigen Blickwinkel und Übereinstimmung der realen und virtuellen Welt, erfasst Position und Bewegungen des Benutzers mittels magnetischer oder optischer Sensoren. Schon kleinste Änderungen in der Szene müssen vom System mit Hilfe der Sensoren korrigiert werden.

Occlusions Detection befasst sich mit der Berechnung von verdeckten Objekten. Diese sollen vom System nicht gezeichnet werden, egal ob es sich um ein reales oder virtuelles Objekt handelt.

3. Techniken zur Darstellung

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Augmented Reality Systeme bieten eine große Vielfalt an

Ausgabegeräten. Als Beispiel möchte ich nur das Head-

Mounted-Display (Abbildung 4) erläutern. In Abbildung 5

ist der Aufbau eines Optical-See-Through HMD dargestellt.

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Abbildung 4: HMD

Abbildung 5: Optical-See-Through HMD

Durch den halbdurchlässigen Spiegel ist die reale Welt für den Benutzer ständig sichtbar. Die Sensoren des Tracking-Systems übertragen ständig Position und Bewegungen des Benutzers an das AR-System. Benötigte Informationen und Daten können nun berechnet werden und über einen Monitor, dieser projiziert die Informationen über den Spiegel in das Auge des Benutzers, sichtbar gemacht werden.

Neben dem Optical-See-Through HMD gibt noch andere Möglichkeiten der Darstellung, wie das Video-See-Through HMD, Monitor-AR-Systeme, Holographie, oder Direkt-Projektion.

4. Vorstellung der Technik

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Natürlich müssen beim Rendern die Lichtverhältnisse beider Welten abgeglichen sein, um möglichst realitätsnahe Verhältnisse schaffen zu können.

Position, Größe, Intensität und spektrale Größen des Lichtes sind dabei zu berechnen. Sind diese Verhältnisse bekannt, können virtuelle Objekte so gerendert werden, ohne künstlich zu wirken.

Probleme gibt es vor allem bei mehreren Lichtquellen, zum Beispiel bei Außenaufnahmen, in denen viele Lichtreflektionen vorherrschen.

Wir gehen deshalb hier nur von einer schwach beleuchteter Realszene eines Bildes (Abbildung 7) mit nur einer Lichtquelle aus. Um virtuellen Schatten realisieren zu können, gilt es eine Technik zu finden, die Position und Größe der dominanten Lichtquelle abschätzen kann.

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Zuerst werden bestimmte Bereiche des Bildes so segmentiert, dass farbähnliche Gruppen gefunden und klassifiziert werden (Kapitel 5,6). Mit Hilfe verschiedener Segmentierungsverfahren werden anschließend aus diesen Gruppen die Regionen mittels Schwellwertberechnung ermittelt, die sich im Schatten der Realszene befinden (Kapitel 7, 8). Dazu wird in Abbildung 6 gezeigt, in welche Regionen das Bildes eingeteilt wird [1].

Abbildung 6: Die Lichtquelle teilt die Bildregionen in 3 Teilbereiche: belichteter Bereich, Halbschatten (penumbra) und Kernschatten (umbra).

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Aus den Informationen dieser klassifizierten Teilbereiche (Objektklassen) ist es letztlich möglich, bestimmte Gebiete auszuwählen und so zu manipulieren, dass virtuelle Objekte mit Schatten dargestellt werden können (Kapitel 9).

Abbildung 7: Originalbild

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[...]

^[1] AR – Augmented Reality