Einführung in Augmented Reality Systeme


Seminararbeit, 2016
30 Seiten, Note: 1,7

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Ziel und Aufbau der Arbeit

2. Theoretische Grundlagen
2.1 Definition von Augmented Reality
2.2 Mixed Reality
2.3 Abgrenzung von Augmented Reality
2.3.1 Augmented Virtuality
2.3.2 Virtual Reality

3. Funktionsweise von Augmented Reality Systemen
3.1 Die Eingabekomponenten
3.2 Die Verarbeitungskomponenten
3.2.1 Das Trackingsystem
3.2.2 Die Registrierung
3.2.3 Die Darstellung
3.3 Die Ausgabekomponenten

4. Klassifizierung von Augmented Reality Anwendungen
4.1 Klassifizierung nach Bauart
4.2 Klassifizierung nach Einsatzfeld
4.3 Klassifizierung nach Funktion

5. Augmentierte Anwendungsszenarien aus der Praxis
5.1 Mobile AR-Anwendungen
5.1.1 Solidworks Augmented Reality Anwendung
5.1.2 IKEAs Augmented Reality Anwendung
5.1.3 Augmented Reality Spiele
5.1.4 HMDs/AR-Brillen
5.2 Stationäre Augmented Reality Anwendung
5.2.1 Virtuelle Umkleide von QVC

6. Zusammenfassung und Ausblick

7. Literaturverzeichnis

8. Quellenverzeichnis

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Seminararbeit wird dem Leser ein fundamentaler Überblick über das Thema Aug- mented Reality verschafft. Entsprechend der Komplexität dieses modernen Terminus, werden ver- schiedene Ansätze darüber näher diskutiert, welche Eigenschaften und Funktionen eine Aug- mented Reality Anwendung ausmachen und von Artverwandten unterscheiden. Die Begrifflichkeit, die grundlegende technische Umsetzung und deren Komponenten sowie die Differenzierung der verschiedenen Augmented Reality Systeme werden in einem kompakten Rahmen vermittelt und erläutert. Klassifizierungen der verschiedenen Augmented Reality Systeme werden erläutert und mit auserwählten Fallbeispielen untermalt.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Beispiele - Augmented Reality Systeme

Abbildung 2: Functional classification of Augmented Reality nach Hugues et al

Abbildung 3: Milgrams Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum

Abbildung 4: Beispiele - Augmented Virtuality Systeme

Abbildung 5: Beispiele - Virtual Reality Systeme

Abbildung 6: Google Cardboard - VR-Brille-Bausatz

Abbildung 7: Beispiele - AR-Brille & VR-Brille

Abbildung 8: Solidworks Augmented Realtiy Anwendung

Abbildung 9: IKEA Katalog als Augmented Reality Anwendung

Abbildung 10: Augmented Reality Spiele

Abbildung 11: Microsoft HoloLens

Abbildung 12: Google Glass

Abbildung 13: Virtuelle Umkleide von QVC

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Sind wir etwa in der Zukunft schon angekommen? Noch vor ca. 25 Jahren war die realitätsnahe Interaktion zwischen Mensch und Maschine mittels dreidimensionaler Benutzungsschnittstellen le- diglich Gegenstand von Science-Fiction-Filmen. Inzwischen sind bereits einige dieser Visionen in unserem Alltag angekommen – mit stets steigender Tendenz. Zu den Anwendungsgebieten solcher Systeme zählt allerdings nicht nur die Unterhaltungsbranche, viele weitere finden ihren Einsatz vor allem auch in Bereichen von Industrie und Forschung.

Die humanitäre Realität mittels Technik nachzustellen, ist allerdings kein leichtes Unterfangen. Die Herausforderung besteht darin, die immensen Datenmengen während der Mensch-Maschine-In- teraktion in Echtzeit zu verarbeiten und möglichst realitätsnah abzubilden. Erst die rasante Entwick- lung von entsprechender Hard- und Software an Grafikprozessoren, Interaktionsgeräten, Tracking- systemen und hochauflösenden Monitoren des letzten Jahrzehnts machte es möglich, der zuvor beschriebenen Problematik entgegenzukommen [1]. Infolge der derzeit hochentwickelten Informa- tions- und Kommunikationstechnologie findet der größte Teil der Fertigung elektronischer Geräte in Entwicklungs- und Schwellenländern statt, weshalb Hightech-Produkte, wie Smartphones und VR-Brillen, erst für die Allgemeinheit erschwinglich geworden sind [2]. Während vor wenigen Jahren ausschließlich große Forschungslabore in der Lage waren, solche fortschrittlichen Anwendungen zu realisieren, ist kontemporär quasi jeder Smartphone-Nutzer in der Lage, in die Welt der erweiterten und auch virtuellen Realität einzutauchen.

Die Entstehungsgeschichte der erweiterten Realität (Augmented Reality) ist eng verknüpft mit der der virtuellen Realität (Virtual Reality). Acht Jahre nach der Entwicklung des ersten Personal Com- puters, im Jahr 1968, entwickelte Ivan Sutherland die erste Virtual Reality Anwendung, ein Display, das dem Nutzer „das immersive Erfahren einer computergenerierten virtuellen 3D Welt ermög- lichte“ [3]. Damals war allerdings die benötigte Hardware noch nicht genügend ausgereift für derart virtuelle Anwendungen, wie wir sie heute kennen. Das änderte sich erst zu Beginn der 80er Jahre. Zusammen mit der Verwendung moderner Computertechnologien erfolgten auch progressive Wei- terentwicklungen im Bereich der Virtual Reality Systeme. Vom ersten Flugsimulator bis hin zum Head Mounted Display1 wurden im Laufe der darauf folgenden Jahre weitere Technologien verwirk- licht. Diese Entwicklungen begünstigten vor allem die Forschungen und Entwicklungen aus den Be- reichen Militär sowie Luft- und Raumfahrt. [4]

Fortschreitend entstanden so, aus Sutherlands ersten Virtual Reality Anwendung, auch andere Er- scheinungsformen, zu denen auch Augmented Reality zählt. Die Verwirklichung einer Anwendung, die die Realität um virtuelle Objekte und Inhalte erweitert, kann als logische Fortsetzung dieser Entwicklungsstufen angesehen werden. [3] Inzwischen zählen mobile Endgeräte zu den ersten mas- sentauglichen Exemplaren, auf denen Augmented Reality Anwendungen genutzt werden können, weshalb sie den Entwicklungsprozess maßgeblich mitbeeinflussen.

1.1 Motivation

Nachgehend der These, welchen Nutzen es für den Menschen hat, die reale Welt um virtuelle Kom- ponenten zu bereichern, treten damit verbunden auch weitere Fragen auf:

- Was wird im Allgemeinen unter einem Augmented Reality System verstanden?
- In welcher Art unterscheidet sich Augmented Reality von anderen virtuellen Systemen?
- Welche technischen Voraussetzungen benötigt ein Augmented Reality System?
- Wie und in welcher Form kommen derart neuartige Systeme aktuell zum Einsatz?
- Wie groß ist das Potential solcher Anwendungsszenarien und was könnte uns in Zukunft in diesem Bereich erwarten?

Abgeleitet aus diesen Interessen lässt sich ein Untersuchungsgegenstand formulieren, welcher die Aspekte von Augmented Reality wiederspiegeln soll.

1.2 Ziel und Aufbau der Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist es, den Sachverhalt erweiterter Realitätssysteme in einem kompakten Rahmen zu verdeutlichen. Innerhalb dieses Wissensfundaments soll geklärt werden, was im Allgemeinen ein Augmented Reality System auch aus technischer Sicht ausmacht und worin es sich von anderen Artverwandten unterscheidet. Einige auserwählte Fallbeispiele, die vertretend betrachtet für eine Vielzahl ähnlich umgesetzter AR-Systeme stehen, sollen die aktuellen als auch teils potenziellen Einsatzbereiche von AR-Systemen näher verdeutlichen. Weitere Einsatzgebiete von Augmented Re- ality Systemen, wie etwa in den Bereichen der Industrie und Forschung, werden innerhalb dieser Untersuchung nicht in Betracht gezogen.

Nachfolgend sollen im ersten Teil der Arbeit die theoretischen Grundlagen von Augmented Reality Systemen näher durchleuchtet werden. Dabei wird sowohl auf die Definition von Augmented Rea- lity als auch auf die Unterscheidung zu anderen Mischformen eingegangen. Im Anschluss werden die technischen Gegebenheiten offengelegt. Ein Überblick über die einzelnen Komponenten und deren Zusammenspiel verdeutlichen den Aufbau und die Funktionsweise von Augmented Reality Systemen. Einige Ansätze der Klassifizierung von Augmented Reality Anwendungsszenarien werden im Anschluss beschrieben. Zum Schluss sollen, auf dieser Basis, einige Beispiele die Thematik näher veranschaulichen. Abschließend werden die Ergebnisse vorgestellt und diskutiert.

2. Theoretische Grundlagen

Mit dem revolutionaren technischen Fortschritt sind ebenfalls viele neuartige Bezeichnungen,wie etwa Augmented Reality (AR) oder Virtual Reality (VR), im allgemeinen Sprachgebrauch aufge­ taucht, die allesamt in ihrer Verwendung mit neuen medialen Anwendungsszenarien und deren Nutzung einhergehen.Nachgehend soli daher geklart werden,in welchem Kontext der Begriff Aug­ mented Reality aktuell vertreten ist und wie sich dieser inhaltlich von seinen Artverwandten ab­ grenzen lasst.

2.1 Definition von Augmented Reality

Als Augmented Reality, bzw.(dt.) erweiterte Realitat,wird eine Realitatswahrnehmung bezeichnet, die die reale Welt um computergenerierte lnformationen oder Objekte anreichert. lm Verhaltnis zwischen wahrgenommener Realitat und Virtualitat ist ausschlaggebend,dass der reelle Anteil den virtuellen uberwiegt.Dervirtuelle Part kann zwar aile menschlichen Sinnesmodalitaten ansprechen -also das Sehen,Horen,Riechen,Schmecken und Fuhlen - ublicherweise wird mit Augmented Re­ ality jedoch die visuelle lnformationsdarstellung assoziiert und auch realisiert. Damit ist also vor allem die Erweiterung von Bildern oder Videos durch Oberlagerung von Teilen des Bildes mit virtu­ ellen Objekten oder bestimmten lnformationen zu verstehen.

Abbildung 1(A bis D) zeigen einige Beispiele von Augmented Reality Systemen,die vorab einen ersten Eindruck von der TechnoIogie optisch verdeutlichen sollen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1:Beispiele- Augmented Reality Systeme

Die geläufigste Definition von Augmented Reality in entsprechender Fachliteratur stammt von Ronald T. Azuma:

“ Augmented Reality (AR) is a variation of Virtual Environments (VE), or Virtual Reality as it is more commonly called. VE technologies completely immerse a user inside a synthetic environment. While immersed, the user cannot see the real world around him. In contrast, AR allows the user to see the real world, with virtual objects superimposed upon or composited with the real world.” [5]

Obwohl seine Beschreibung aus dem Jahr 1997 ist, spiegelt sie immer noch die Bedeutung von AR in zahlreich vertretender Lektüre der heutigen Zeit wieder.

Azuma spezifizierte drei Charakteristika, die AR von anderen virtuellen Systemen unterscheidet:

1. Combines real and virtual (dt. kombiniert Realität und Virtualität)
2. Interactive in real time (dt. ist interaktiv in Echtzeit)
3. Registered in 3D (dt. bezieht die dritte Dimension mit ein)

Nach den beschriebenen charakteristischen Merkmalen von Azuma, sind Filme oder 2D-Überlage- rungen keine AR-Szenarien. So fallen bspw. Filme, in denen fotorealistische virtuelle Objekte naht- los gemischt mit einer realen Umgebung abgebildet werden, nicht unter die Kategorie AR, da diese zwar 3D-Elemente, aber keine interaktive Komponente beinhalten. Bekannte Beispiele hierfür sind etwa Filme wie Jurassic Park (1993) oder Minority Report (2002).

Indessen können 2D-Überlagerungen in einer Live-Video Übertragung interaktive Elemente anzei- gen, enthalten allerdings keinen Einbezug der realen Welt. Zu diesen zählt etwa eine Liveübertra- gung eines Fußballspiels im Fernsehen, bei der zusätzliche Informationen zum Spielverlauf einge- blendet werden können, z.B. die Anzahl der geschossenen Tore eines bestimmten Spielers. Andere Modelle, z.B. Monitor-basierte-Schnittstellen, monokulare Systeme, durchsichtige HMDs und ver- schiedene weitere kombinierte Technologien, erfüllen alle drei Bedingungen und lassen sich nach Azuma dem AR-Ansatz zuordnen.

Nachteil der von Azuma beschriebenen Definition ist, dass sie sich nur auf einen Teilbereich bezieht und AR auf gewisse technische Merkmale reduziert. Zudem werden zweidimensionale virtuelle Ele- mente ausgegrenzt, obwohl annehmbar ist, dass diese ebenfalls interaktiv in AR-Anwendung um- gesetzt werden können und teils auch schon sind.

Eine andere Version für die Definition von Augmented Reality liefert Dörner et al. - zweidimensio- nale virtuelle Objekte werden in dieser Beschreibung nicht ausgegrenzt:

„ Augmentierte Realität ist eine (unmittelbare, interaktive und echtzeitfähige) Erweiterung der Wahrnehmung der realen Umgebung um virtuelle Inhalte (für beliebige Sinne), welche sich in ihrer Ausprägung und Anmutung soweit wie möglich an der Realität orientieren, so dass im Extremfall (so das gewollt ist) eine Unterscheidung zwischen realen und virtuellen (Sinnes-) Eindrücken nicht mehr möglich ist.“ [2]

Nachgehend der Frage ,what is augmented in augmented reality?", liefern Hugues,Fuchs und Na­ nipieri (2011} ebenfalls eine modernere Auffassung von erweiterter Realitat, die zudem die funkti­ onalen Unterschiede von ARS in Betracht zieht (s. Abbildung 2}. [6]

Diese Taxonomie liefert eine Klassifizierung fUr die vielfaltigen Anwendungsfalle von Augmented Reality Systemen. Nachteil dieser Einordnung ist, dass sie sich nur auf einige methodische Ansatze eingeht und dabei z.B. auf die Art des verwendeten Endgerats kein Bezug genommen wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Functional classification of Augmented Reality nach Hugues et al.

Ein anderer Ansatz urn AR zu beschreiben besteht darin, diese Form der erweiterten Realitat von anderen Mischungen seiner Art gegeneinander abzugrenzen. Allen voran stellt die Bezeichnung Mixed Reality einen Fachbegriff fUr viele weitere realitatserweiternde Systeme dar, unter dem sich auch Augmented Reality einordnen lasst.

2.2 Mixed Reality

Der Wissenschaftler Paul Milgram definierte 1994 den Begriff Mixed Reality (dt.gemischte Realitat) in einem Realitats-Virtualitats-Kontinuum,welches nahtlos aile Stufen innerhalb der extremen Aus­ pragungen Realitat und Virtualitat einbezieht (s.Abbildung 3}.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3:Milgrams Realitats-Virtualitats-Kontinuum

Sowohl die absolute Realitat selbst als auch das Gegenstuck,also die absolute Virtualitat,stellen nach Milgram keine Bestandteile von Mixed Reality dar. Die Bezeichnung Mixed Reality kann somit als Oberbegriff fur aile Formen verstanden werden,die die reelle (physische} Welt mit Anteilen der Virtualitat (virtuellen Realitat) miteinander vermischen bzw. die wirkliche Welt urn bestimmte vir­ tuelle Anteile erweitern [7].,Die Termini Augmented Reality und Mixed Reality [...] werden meist synonym verwendet" [8], obwohl noch weitere Formen erweiterter Realitat existieren.

Als wichtigste Mischformen zwischen den beiden Realitaten werden zum einen Augmented Reality (dt.erweiterte Realitat} sowie Augmented Virtuality (dt.erweiterte Virtualiti:it} beschrieben.

2.3 Abgrenzung von Augmented Reality

Wie bereits vernehmbar,hat sich die Semantik des Terminus Augmented Reality noch nicht etab­ liert,weshalb gegenwartig im allgemeinen Fachjargon auch andere artverwandte Systeme nicht eindeutig abgegrenzt,sondern haufig bedeutungsgleich verwendet werden. Nachgehend soli des­ halb der lnhalt anderer Mixed Reality Anwendungen auseinandergelegt werden,urn die Bedeu­ tung von Augmented Reality weiter einzugrenzen.

2.3.1 AugmentedVirtuality

lm Unterschied zu Augmented Reality,bei der die Realitat urn virtuelle lnhalte erweitert wird,wird bei Augmented Virtuality (AV} eine virtuelle Umgebung urn reelle Objekte bzw. lnformationen an­ gereichert. AV besteht dabei uberwiegend aus virtuellen Raumen,in der die eingebundenen physi­ kalischen Objekte und Personen dynamisch und in Echtzeit mit der virtuellen Welt interagieren konnen. [9] Die Umsetzung von AVS wird oft mittels Streaming-Videos von physikalischen Raumen (z.B. mit einer Webcam) oder der dreidimensionalen Digitalisierung von physischen Objekten er­ zielt. Der Begriff AV taucht im Gegenzug zu AR kaum im allgemeinen Sprachgebrauch auf,weshalb viele AV Anwendungen gelaufiger zu AR synonym verwendet werden.

Abbildung 4 verdeutlicht die beiden vorab genannten Moglichkeiten von AVS. In Abbildung 4 wird der Nutzer uber eine an einer Spielkonsole angeschlossene Kamera (A} in Echtzeit in ein virtuelles Spielfeld ubertragen, welches er zusammen mit seinem Ebenbild in einem Monitor sieht (B). An­ hand seiner Gesten kann der Nutzer mit den virtuellen Spielobjekten interaktiv agieren.Abbildung 4 (C & D) zeigen eine sogenannte virtuelle Telepriisenz. Sie stellt das virtuelle Aquivalent zur realen Konferenz dar,bei der die Gesprachsteilnehmer virtueII anwesend sind und in Form von z.B. Holo­ grammen in einer realen Umgebung eingeblendet werden. [10]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4:Beispiele -Augmented Virtuality Systeme

2.3.2 Virtual Reality

Als Virtual Reality (VR} wird eine von Computern erzeugte virtuelle Realitat verstanden,anhand der ein sensorisches Abbild der realen Welt assoziiert werden kann. Das Abbild der realen Umgebung kann sowohl realitatsgetreu als auch fiktiv sein, in beiden Fallen wird jedoch erwartet,dass sich dieses der menschlichen Orientierung in Echtzeit anpasst. lm wesentlichen Gegensatz zu Aug­ mented Reality Systemen,verblenden Virutal Reality Systeme dem Nutzer die wirkliche Welt und ersetzen sie durch virtuelle Komponenten.Der Nutzer taucht so mit seinem Bewusstsein exhaustiv in eine immersive virtuelle Umgebung. [11;12] Sogenannte Head Mounted Displays (HMDs) wer­ den seither am haufigsten zusammen mit dem BegriffVirtual Reality assoziiert.Solche,auch als VR­ Brillen bezeichneten Gerate, verdecken das ganze Sichtfeld des Nutzers durch Monitore, die den Nutzer in eine virtuelle Welt blicken lassen und ihn von der realen Umgebung vollig abschirmen. Oftmals werden VRS durch zusatzliche Eingabegerate, wie z.B. Handsteuergerate oder eine Sprachsteuerung,erweitert und konnen zudem weiteren realitatsahnlichen Anspruchen gerecht werden.[4] So kann z.B. die visuelle Verblendung noch mit einer Art omnidirektionafes Laufband kombiniert werden,anhand dem sich der Nutzer in der ihm vorgezeigten virtuellen Welt durch re­ ale Bewegungen innerhalb des laufbandes in aile Richtungen bewegen kann.Abbildung 5 zeigt zwei Beispiele von VRS.

[...]


1 Helm mit einem eingebauten Bildschirm im Sichtfeld des Nutzers

Ende der Leseprobe aus 30 Seiten

Details

Titel
Einführung in Augmented Reality Systeme
Hochschule
Hochschule der Medien Stuttgart  (Elektornische Medien Master)
Veranstaltung
Internetkonzeption
Note
1,7
Autor
Jahr
2016
Seiten
30
Katalognummer
V508150
ISBN (eBook)
9783346075420
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Augmented Reality, AR, Klassifizierung von Augmented Reality, Funktionsweise von Augmented Reality Systemen, Augmented Reality Praxisbeispiele
Arbeit zitieren
Jenny Susanne Forc (Autor), 2016, Einführung in Augmented Reality Systeme, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/508150

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