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Head Mounted Displays & Datenbrillen: VDC-Whitepaper

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Das Whitepaper „Head Mounted Displays & Datenbrillen - Einsatz und Systeme“ zeigt Verwendungskontexte, Produkte und Ankündigungen aus diesem sich stark bewegenden Markt.

Das Handelsblatt titelte bereits im März 2012, das Jahr 2012 sei „Das Jahr der Datenbrillen“. In der Tat war bemerkenswert, dass gleich mehrere große Unternehmen - unter ihnen Google, Olympus und Canon - Projekte für Infotainment- und Augmented-Reality-Umsetzung auf der Basis von Datenbrillen ankündigten. Auch Apple erhielt ein Patent für Videobrillen-Technik. Interessant ist nun zu sehen, was den großen Ankündigungen folgt: Augmented Reality ist zum Beispiel eine hochinteressante Technologie, die von diesem Trend profitieren könnte. Einige der heute verfügbaren Lösungen haben einen Reifegrad erreicht, der einen unmittelbaren Einsatz in der Praxis erlaubt. Gleichwohl gibt es eine Reihe ungelöster Herausforderungen.

Der Markt der Head Mounted Displays (HMDs) ist insgesamt in starker Bewegung. Knapp 20 Hersteller wollen in absehbarer Zeit neue Systeme auf den Markt bringen, die sowohl preislich als auch technisch sehr interessant sein dürften: Prototypen dieser HMDs zeigen bereits heute die Integration einer ganze Reihe von Sensoren wie Tracking, Kameras und Tiefenbildkameras.

Das nun vom Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach erstellte Whitepaper zeigt den grundsätzlichen Einsatz von Head Mounted Displays und Datenbrillen auf. Gleichzeitig gibt das VDC einen Überblick über aktuelle Produkte und Produktankündigungen. Verfügbare Spezifikationen sind dazu nebeneinander gestellt worden.
Das Whitepaper kann kostenfrei unter http://www.vdc-fellbach.de/downloads/whitepaper heruntergeladen werden.

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Head Mounted Displays & Datenbrillen: VDC-Whitepaper

  1. 1. © Kompetenzzentrum Virtuelle Realität und Kooperatives Engineering w. V. – Virtual Dimension Center VDC Whitepaper Head Mounted Displays & Datenbrillen Einsatz und Systeme Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Christoph Runde Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach Auberlenstr. 13 70736 Fellbach www.vdc-fellbach.de
  2. 2. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Inhalt Vortrag  Systemklassen Head Mounted Display (HMD) – Videobrille – Datenbrille  Simulatorkrankheit / Cyber Sickness  Einsatzfelder HMDs: Innenraumbegehungen, Training, virtuelle Absicherung Enginering / Ergonomie  Einsatzfelder Datenbrillen: Prozess-Unterstützung, Teleservice, Konsistenz-Checks, Kollaboration  Entwicklungsrichtungen: technische Spezifikationen, (Eye) Tracking, Retinaldisplays, Lichfeldtechnik, Tiefenbildsensoren  Einsatzvoraussetzungen Information & Integration (Menschen, IT, Prozesse)  Abschlussbemerkungen 2
  3. 3. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Head Mounted Displays (HMDs) – kurzer Abriss  1961: erstes HMD auf dem Markt  1965: 3D-getracktes HMD durch Ivan Sutherland  HMDs seit 1970er Jahren in signifikanter Anzahl im militärischen Bereich im Einsatz (Training, Zusatzanzeige) Tabelle: Bedeutende HMD- Projekte seit den 1970er Jahren [Quelle: Li, Hua et. al.: Review and analysis of avionic helmet-mounted displays. In : Op-tical Engineering 52(11), 110901, November 2013] 3 Systemklassen
  4. 4. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Head Mounted Display Videobrille Datenbrille Charakteristik Integration des Benutzers in eine interaktive 3D-Umgebung tragbarer Bildschirm tragbare Zusatzanzeige Zielstellung, Einsatzzweck Virtual Reality, optional Augmented Reality (AR) per Video-See-Through Filmbetrachtung, Bildanzeige Zusatzinformationen bei Arbeit, Freizeit; optional AR per Optical-See-Through Isolation Isolation des Benutzers von der realen Umgebung Isolation des Benutzers von der realen Umgebung keine Isolation des Benutzers; Anzeige zusätzlich zur Realität Field-of-View großes Field-of-View, damit bewegtes Auge geringes Field-of-View, damit tendenziell ruhendes Auge sehr geringes Field-of-View; Auge betrachtet bei Bedarf aktiv die Zusatzanzeige; geringe Beschränkung der natürlichen Sicht Tracking sehr schnelles, sehr exaktes Head Tracking notwendig nicht notwendig zumeist grob; bei Einsatz für Augmented Reality sehr exaktes Head Tracking notwendig Typischer Vertreter Oculus Rift Carl Zeiss Cinemizer Vuzix M100 Klassifizierung Head Mounted Display – Videobrille - Datenbrille 4 Systemklassen
  5. 5. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Vorteile von HMDs gegenüber Projektionen Systemische Vorteile von HMDs  Kompaktheit: umschließendes VR-System auf kleinstem physischen Raum  Preis: preisgünstig im Vergleich zu Mehrkanalprojektionen  Isolation und Immersion: Benutzer konzentriert sich voll auf Inhalt und Aufgabe, blendet Realität aus  Orientierungssinn muss zwangsläufig immer mit bedient werden (wg. Simulatorkrankheit)  kein Akkommodationskonflikt: bei der haptischen Interaktion vor einer Projektionswand kann der Benutzer entweder nur auf die Projektion oder nur auf seine Hände fokussieren. HMDs haben dieses Problem nicht. 5 Bild: Fh-IPA Einsatz eines HMDs und eines Datenhandschuhs zur Roboterprogrammierung Anfang der 1990er Jahre Systemklassen
  6. 6. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Nachteile von HMDs gegenüber Projektionen Systemische Nachteile  Isolation: o fehlende Wahrnehmung der Umgebung führt zu Unsicherheit o fehlende Eigenwahrnehmung verwirrt  Isolation: kooperatives Arbeiten ist nur eingeschränkt möglich  Akzeptanz: Ablehnung von HMDs als technische Spielerei 6 Bild: Fh-IAO Einsatz eines HMDs und eines Datenhandschuhs für Ergonomie-Untersuchungen Mitte der 1990er Jahre Systemklassen
  7. 7. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Nachteile von HMDs gegenüber Projektionen Produktimmanente Nachteile  unzureichende Ergonomie: Gewicht, Gewichtsverteilung, umständlich anzulegen, Passkomfort, Fixierung, Hygiene  fehlende geeignete Eingabesysteme: Verzicht auf Maus, Tastatur  mäßige Auflösung: lediglich oberstes Preissegment > 1280 x 1024  Akzeptanz: Fixierung Beeinträchtigung von Frisur, Kosmetik  feststehender Bildabstand  Wahrscheinlichkeit für Cyber Sickness / Simulatorkrankheit hoch, da stark isolierendes System 7 Systemklassen Bild: British Aerospace Bild: :British Aerospace VECTA Flugsimulator (British Aerospace), 1987, von außen VECTA Flugsimulator (British Aerospace), 1987, Sicht im HMD
  8. 8. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Cyber Sickness Einige Menschen empfinden Übelkeit oder Kopfschmerzen in immersiven Umgebungen: warum?  Grund 1: okulomotorische Tiefenkriterien widersprechen sich: o Akkomodation des Auges: Fokus immer auf das Display, damit wir das Bild scharf sehen o Konvergenz (Eindrehen) der Augen auf das virtuelle Objekt vor oder hinter der Projektionsscheibe [Gehirn legt damit die Bilder der Augen übereinander] -> Widerspruch 8 Fernblick Nahblick Fernblick Nahblick Systemklassen Bild: Tridelity
  9. 9. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Cyber Sickness  Grund 2: vestibuläre Wahrnehmung (Lagesinn) und visuelle Wahrnehmung widersprechen sich o Beispiel Projektionssystem: - mehrere Betrachter - nur 1 Betrachter getrackt - getrackter Nutzer bewegt sich o Beispiel HMD: - schon geringfügige Latenzen zwischen Kopfbewegung und Bildreaktion -> widersprüchliche Bewegungsinformationen 9 Systemklassen Bild: Fh-IAO Vestibulärorgan
  10. 10. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Einsatzfelder HMDs: Innenraumbegehungen Motivation  virtuelle Absicherung von Umgebungen, in denen das Raumgefühl und dessen subjektive Bewertung relevant sind  Sichtverhältnisse (Orientierung und Sicht)  Anwendungsbeispiele: o im PKW o im Cockpit o in Kabine o im Gebäude Bild: CNH Bild: Daimler xxx xxx xxx 10 Einsatzfelder
  11. 11. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Einsatzfelder HMDs: Innenraumbegehungen Beispiele Inneneinrichtung  Innenarchitektur  Badplanung  ähnlich: Flugzeugkabine Bild: Immersight Bild: Inreal Virtuelle Badbegehung mit 6D-getracktem HMD Virtuelle Hausbegehung 11 Hardware-Aufbau für die virtuelle Hausbegehung mit Inreal: weitere Personen (etwa Ehepartner) können die Szene auf dem Monitor verfolgen. Einsatzfelder
  12. 12. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Einsatzfelder HMDs: Innenraumbegehungen 12 Bild: Bauhaus-Universität Weimar Sitzkiste und verteilte 3D-Umgebung für 2 Personen. Links: physischer Aufbau; Rechts: korrespondierende 3D-Szene Einsatzfelder
  13. 13. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Einsatzfelder HMDs: virtuelle Absicherung Engineering / Ergonomie Bearbeiten von 3D-Szenen aus der Ego-Perspektive  Überprüfung von technischen Einrichtungen, Installationen, Arbeitsplätzen, Bedienschnittstellen bezüglich o Bedienbarkeit o Benutzbarkeit o Verständlichkeit o Einsehbarkeit o Erreichbarkeit o Bewegungsfreiräume o …  allgemeine Gültigkeit u.U. eingeschränkt, da Ergebnisse Nutzer-spezifisch Bild: ESI Bild: Fh-IAO Bild: ESI Baubarkeitsuntersuchung mit 3D-Menschmodell Ergonomieuntersuchung mit 3D-Menschmodell Ergonomieuntersuchung mit 3D-Menschmodell 13 Einsatzfelder
  14. 14. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Einsatzfelder HMDs: Training Motivation  360°-Simulation erforderlich  detaillierte haptische Interaktion mit Blick auf die eigenen Hände relevant (wg. Akkomodationskonflikt vor der Powerwall schwierig) simulierte 360°- Umgebung für das militärische Training 14 Bild: NASA Training für Wartungsarbeiten in der Raumfahrt mit einem HMD Bild: NPSNET Bild: NIAR Training von Wartungs- und Inspektionstätig keiten in der Raumfahrt Einsatzfelder
  15. 15. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Einsatzfelder Datenbrillen  Datenbrillen: Großteil der natürlichen Sicht unbehindert  im Allgemeinen kleinere Displayfläche (als HMDs)  im Allgemeinen geringere Auflösung des Displays (als HMDs)  zumeist andere Verwendung als Head Mounted Displays: Zusatzanzeige von Computer-generiertem Content beim Aufenthalt in natürlichen Umgebungen (z. B. Arbeit, Freizeit, Reise)  Content häufig symbolisch, Piktogramm, alphanumerisch wg. Auflösung und Größe des Displays  bei High-End-Produkten im Marktsegment Augmented-Reality- Anwendungen möglich  Vorteil gegenüber Tablet Computern: hands-free 15 Einsatzfelder
  16. 16. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Einsatzfelder Datenbrillen: Prozess-Unterstützung Zusatzinformationen während des Arbeitsprozesses. Ansätze:  aktiver Abruf von Content; Zusammenspiel mit Hand Held, etwa Logistikpad  location-based (z.B. RFID-Bezug)  ortssensitive Annotationen  Anzeige Messdaten  Anzeige Prozessparameter  „Röntgenblick“: Anzeige verborgener Objekte Bild: Boeing Bild: Fh-IGD Bild: Nee Versuche zur AR-gestützten Kabelkonfektionierung Anfang der 1990er Jahre AR-Röntgenblick auf in der Wand verborgene Infrastruktur wie z.B. elektrische Leitungen Überblenden Online-Prozessdaten auf Werkstück 16 Bild: NASA Blick des Raumfahrers auf vor ihm liegende Wartungsarbeit. AR-Unterstützung per ortsrichtiger Annotationen Einsatzfelder
  17. 17. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Einsatzfelder Datenbrillen: Teleservice / Tele-Operations Verbindung von Servicekraft und zentraler Technik  Servicekraft teilt ihre Perspektive (Kamera) mit zentraler Technik  zentrale Technik bringt Hinweise und kann diese verorten (Anzeige im Display mit AR) Bild: Re‘flekt Bild: Fh-IPA frühe Idee der Fernsteuerung eines Roboters mittels seines virtuellen Pendants, der seinerseits über VR manipuliert wird. (Anfang der 1990er Jahre) 17 Einsatzfelder
  18. 18. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Einsatzfelder Datenbrillen: Konsistenz-Checks Modell vs. Realität Überprüfung digitales Modell  Simulation korrekt?  Konstruktion korrekt? Bild: Volkswagen Bild: metaio Bild: HLRS Überlagerung digitales Crashmodell über Versuch: wie gut ist das Modell? Überlagerung Leitungskonstruktion über physisches Bauteil: gut konstruiert? Überlagerung digitales Strömungsmodell über Versuch: wie gut ist das Modell? 18 Einsatzfelder
  19. 19. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Einsatzfelder Datenbrillen: Konsistenz-Checks Modell vs. Realität Überprüfung reale Umwelt  umgesetzt wie geplant?  dokumentiert wie umgesetzt?  Qualitätssicherung  Prototyping Bild: metaio Bild: Volkswagen Bild: Volkswagen Überprüfung der gesetzten Schweißbolzen: realisiert wie geplant? Überprüfung von Anordnung und Fördertechnik: kollisionsfrei für neue Einbringungen? Überprüfung eines Industriearbeitplatzes: alles im Greifraum(rot)? 19 Bild: VolkswagenBild: Volkswagen Einsatzfelder Einplanung neuer Fertigungseinrichtungen (konstruiert, farbig) in Bestandsfabrik
  20. 20. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Einsatzfelder Datenbrillen: kollaborative Arbeitsräume  über gemeinsames Tracking kann übergreifender AR-Arbeitsraum hergestellt werden  individuelle Perspektive  Unterstützung lokaler Zusammenarbeit  natürliche Sicht auf die jeweils anderen Personen (Gestik, Mimik, Diskussion, …) Bild: TU Wien Gemeinsamer AR-Arbeitsraum mittels Head Mounted Displays 20 Einsatzfelder
  21. 21. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Entwicklungsrichtungen: eingesetzte Displaytypen  in bisherigen HMDs (bis 2012) ab SXGA-Auflösung fast nur Einsatz von Microdisplays zweier Hersteller  Virtual Retinal Displays (Projektion auf Netzhaut)  seit 2012: Smartphone-Displays als zusätzliche Bildquelle 21 Hersteller Microdisplays: Hersteller Technologie eMagin Corp. OLED Epson LCD Forth Dimension Displays fLCOS, ForthDD Hitachi LCD Micro Display Corp [Geschäftstätigkeit eingestellt] Olightek Amoled Planar Systems [Geschäftsbereich abgegeben] Reflection Technology [Geschäftstätigkeit eingestellt] Entwicklungsrichtungen
  22. 22. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen 22 Technische Spezifikationen bisheriger „alter“ HMDs Hersteller Modellname Auflösung horizontal Auflösung vertikal Winkel- auflösung Sichtfeld horizontal Sichtfeld vertikal Preis grob aktualisiert Gewicht Tracking Technologie Carl Zeiss Cinemizer 870 500 1,8 26 15 € 650,- mit Tracker 2014 200g Orientierung 3DOF OLED CyberMind Visette45 SXGA 1280 1024 1,7 36 27 kA 2014 kA nein FLCoS HiRes800 800 600 1,7 22 14 $ 3.800,- 2014 700g nein LCD eMagin X800 3D Visor 800 600 2,4 32 24 kA 2006 nein Z800 3D Visor 800 600 2,4 32 24 $ 1.700,- 2014 230g nein OLED Epson Moverio 960 540 1,4 23 17 € 500,- 2014 244g nein LCD Fifth Dimension Technologies 5DT HMD 800-40 3D 800 600 2,4 32 24 $ 2.900,- 2014 600 g nein OLED 5DT HMD 800-26 3D 800 600 1,6 21 16 $ 2.900,- 2014 600 g nein LCoS iO Display Systems i-glasses PC/SVGA-3D Pro 800 600 1,6 21 16 kA 2006 nein kA Kaiser Electro-Optics Inc. ProView SR80 1280 1024 3,0 63 53 kA 2005 nein kA nVision / NVIS nVisor ST50 1280 1024 1,9 40 30 kA 2014 1050g nein OLED nVisor SX 1280 1024 3,6 76 64 kA 2014 1300g nein LCoS Rockwell Collins ProView VO35 800 600 2,1 28 21 kA 2006 kA nein kA Proview XL50 1024 768 2,3 40 30 kA 2006 kA nein kA ProView XL50 STm 1024 768 2,0 34 26 kA 2006 kA nein kA Sim Eye SR100 1280 1024 4,7 100 50 kA 2006 kA nein kA SaabTech Saab AddVisor 150 1280 1024 1,7 37 28 kA 2004 kA nein kA Sensics piSight 2600 1200 4,2 180 60 kA 2014 1000g nein OLED xSight 1680 1050 3,7 104 65 kA 2014 400g nein OLED SEOS SEOS HMD 120/40 1280 1024 5,6 120 67 kA 2006 kA nein kA Silicon Micro Display ST1080 1920 1080 1,4 45 17 kA kA kA nein LCoS Sony HMZ-T1 1280 720 2,1 45 34 $ 799,- 2014 330g nein OLED HMZ-T2 1280 720 2,1 45 34 $ 894,- 2014 320g nein OLED Trivisio VRvision HMD 800 600 2,5 33 25 kA 2014 300g nein AMLCD Virtual Realities VR2200 1024 768 2,2 38 24 $ 1.300,- 2014 200g nein kA HMD Pro 3D SVGA-42 800 600 2,7 36 23 $ 4.000,- 2014 kA nein OLED HMD Pro 3D SXGA-50 1280 1024 2,0 43 27 $ 8.500,- 2014 kA nein OLED HMD Pro 3D WUXGA-60 1920 1080 1,6 51 32 $ 10.500,- 2014 kA nein OLED Virtual Research Systems V8 640 480 4,7 50 38 kA 2004 kA nein kA VR4 480 240 6,0 48 36 kA 2005 kA nein kA VR1280 1280 1024 2,3 48 36 kA 2014 kA nein FLCoS Entwicklungsrichtungen
  23. 23. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Technische Spezifikationen bisheriger „alter“ HMDs Gängige Eigenschaften  durchschnittliches Sichtfeld: 60°  Auflösung: SXGA (1280x1024)  durchschnittliches Gewicht: 1kg  nur bedingt in Form einer Brille erhältlich (wäre Kundenwunsch)  durchschnittlicher Preis: € 15.000,- (rangiert von € 500,- bis € 160.000,-.) 23 Stark abweichende HMD-Systeme : Auflösung  Sensics piSight: 2600 x 1200 Pixel  Sensics xSight: 1680 x 1050 Pixel  Virtual Realities HMD pro 3D WUXGA-60 : 1920 x 1080 Pixel Sichtfeld  Rockwell Collins Sim Eye SR 100: 100°  Sensics piSight: 180°  Sensics xSight: 104°  SEOS HMD 120/40: 120° Entwicklungsrichtungen
  24. 24. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Neue und angekündigte HMDs(April 2015) 24 AntVR Avegant Glyph Durovis Dive GameFace InfinitEye Altergaze Oculus Rift 2 Sulon CortexSony Morpheus Technical Illusions CastAR VRVANA TotemValve HMD vrAse Samsung GearVR Carl Zeiss VR OneArchos VR Glasses Google CardboardFOVE VR Headset Entwicklungsrichtungen
  25. 25. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen 25 Neue und angekündigte HMDs(April 2015) Hersteller Modellname Auflösung horizontal Auflösung vertikal Winkel- auflösung Sichtfeld horizontal Sichtfeld vertikal Preis grob Gewicht Tracking Kommentar AntVR AntVR 960 1080 6,3 100 75 $ 300,- integriert Archos VR Glasses Smartphone-Halterung mit Optik € 25,- Smartphone Smartphones bis 6 Zoll Avegant Glyph 1280 800 2,1 45 29 $ 500,- 450 integriert Befestigung Art Kopfhörer, pixelfreies Bild durch Retinaldisplay Carl Zeiss VROne Smartphone-Halterung mit Optik € 100,- Smartphone nur für iPhone 6, Samsung Galaxy S5 Durovis Dive Smartphone-Halterung mit Optik € 60,- Smartphone FOVE VR Headset kA kA kA 45 kA kA kA kA integriertes Eye Tracking GameFaceLabs GameFace 1280 1440 kA kA kA $ 500,- integriert LCD, kabellos, Low-Persistence- Technologie Google Cardboard Smartphone-Halterung mit Optik $ 10,- Smartphone Gehäuse aus Pappe InfinitEye Gründerteam InfinitEye 1280 800 9,8 210 150 $ 450,- (Bausatz) 490 nein Fresnel-Linse Liviu Berechet Antoni Altergaze Smartphone-Halterung mit Optik € 60,- Smartphone Oculus / Facebook Rift 2 960 1080 6,9 110 90 $ 350,- 400 integriert OLED, sattere Farben, Low-Persistence-Technologie Samsung GearVR Smartphone-Halterung mit Optik $ 200,- Smartphone Sony Morpheus 960 1080 5,6 90 68 $ 300,- integriert LCD Sulon Cortex 140 105 integriert Augmented-Reality-fähig Technical Ilusions Cast AR 1280 720 4,2 90 68 $ 200,- integriert Augmented-Reality-fähig VRVANA Totem 960 1080 5,6 90 68 kA integriert OLED, Augmented-Reality-fähig, Low-Persistence-Technologie Valve HMD Prototyp kA kA kA 110 83 angekündigt vrAse vrAse Smartphone-Halterung mit Optik € 60,- Smartphone Augmented-Reality-fähig Entwicklungsrichtungen
  26. 26. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Neue und angekündigte HMDs : Firmen  angekündigte HMD-Hersteller: Kickstarter:  Oculus: 2,4 Mio$  Avegant: 1,5 Mio$  Technical Illusions: 1,0 Mio$  Meta: 0,2 Mio$  Oculus wurde im März 2014 für 2 Milliarden $ von der Fa. Facebook aufgekauft 26 Nr.Firmenname Ort Land Webseitenadresse 1AntVR Technology Peking China http://www.antvr.com 2Avegant Ann Arbor USA http://www.avegant.com 3Durovis Münster Deutschland http://www.durovis.com 4FOVE Japan http://fove-inc.com 5GameFace Labs San Francisco USA http://gamefacelabs.com 6InfinitEye-Gründerteam Toulouse Frankreich https://www.facebook.com/InfinitEyeVR 7Liviu Berechet Antoni London Großbritannien https://www.facebook.com/altergaze 8Meta Los Altos USA https://www.spaceglasses.com/ 9Oculus / Facebook Irvine USA http://www.oculusvr.com 10Sulon Markham Kanada http://sulontechnologies.com 11Technical Illusions Woodinville USA http://technicalillusions.com 12True Player Gear Outremont Kanada http://www.trueplayergear.com 13Valve Bellevue USA http://www.valvesoftware.com 14vrAse Edinburgh Großbritannien http://www.vrase.com/ Entwicklungsrichtungen
  27. 27. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Datenbrillen – Produkte(April 2015) 27 Epson Moverio BT100 Google Glass ION Glass Meta One Recon Jet Atheer One Samsung Galaxy Glass Vuzix m2000ARVuzix m100 SafetyVuzix M100 Epson Moverio BT200 Meta Pro Microsoft HoloLens OptInvent ORA-1Lumus OE-32 Entwicklungsrichtungen
  28. 28. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Datenbrillen – Produkte(April 2015) 28 Hersteller Modellname Anzahl Displays Auflösung horizontal Auflösung vertikal Winkel- auflösung Sichtfeld horizontal Sichtfeld vertikal Preis grob Gewicht Tracking Kommentar Atheer One 2 1024 768 3,0 52,0 39,0 $ 500,- 70g nein 2 x 8MP cameras Epson Moverio BT100 2 960 540 1,2 18,4 13,8 $ 700,- 240 nein LCD, Audio Epson Moverio BT200 2 960 540 1,2 18,4 13,8 € 700,- 124 Kompass, Gyro, Beschleunigung; GPS in Controller LCD, Audio GlassUp eyeGlasses 1 320 240 k.A. k.A. k.A. $ 300,- k.A. Accelerometer, Kompass Helligkeitssensor Google Glass 1 640 360 1,2 12,5 9,4 $ 1500 54g Beschleunigung, Gyro, Kompass, Eyetracker, Näherungssensor, Lagesensor Audio, LCoS,-Display, Touchpad, Mikrofon, Kamera, Helligkeitssensor ION Glass 1 Mehrfarben- LED k.A. k.A. k.A. k.A. $ 100,- nein Statusanzeige für Smartphone Lumus DK-32 2 1280 720 0,9 20,0 15,0 k.A. k.A. nein Entwicklermodul Lumus DK-40 1 640 480 k.A. k.A. k.A. k.A. k.A. 9DOF-IMU Kamera; Entwicklermodul Lumus OE-32 1 1280 720 1,5 32,0 24,0 k.A. 26g nein nur Optikmodul für Entwickler Lumus PD-18 1 800 600 1,9 25,6 19,2 k.A. 70g nein nur Optikmodul für Entwickler Meta One 2 960 540 1,8 28,0 21,0 $ 667 283g 9DOF-IMU 1 x Tiefenkamera, 2 x RGB-Kamera, Dolby 3D Audio Meta Pro 2 1280 720 1,5 32,0 24,0 $ 3000 180g 9DOF-IMU 1 x Tiefenkamera, 2 x RGB-Kamera, Dolby 3D Audio Microsoft HoloLens bislang nur Ankündigung Optinvent ORA-1 1 640 480 3,6 19,2 14,4 [presales] 80g 9DOF-IMU, GPS Audio Recon Jet 1 432 240 2,4 17,1 9,6 $ 599 60g Beschleunigung, Gyro, Magnetometer, GPS Audio, Altimeter, Barometer, Thermometer Samsung Galaxy Glass [bislang nur Ankündigung/Gerüchte] Vuzix M100, M100 Safety 1 432 240 1,8 13,1 7,3 $999 k.A. 9DOF-IMU, GPS, Näherungssensor Kamera, Helligkeitssensor Vuzix m2000AR 1 1280 720 1,2 26,1 14,7 $6.000 k.A. 9DOF-IMU 1 x 5MP Kamera Entwicklungsrichtungen
  29. 29. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Low-Persistence-Technologie  Technologie der Fa. Valve für OLED-Displays  Reduktion Nachzieh-Effekte des Displays (Verwischen) bei Bewegungen  Kopfbewegungen schnell: auch bei Bildwiederholfrequenz von 60 Hertz kann Display nicht rechtzeitig aktualisiert werden  Nutzer sieht für kurze Zeit (60 Hertz: 16 Millisekunden) Objekt an falscher Stelle.  statt Frame so lange anzuzeigen, bis nächstes Frame geladen ist und es ersetzt, leuchten die Pixel bei "Low Persistence" nur für einen kurzen Augenblick auf und bleiben für die restliche Zeit dunkel  damit dieser Strobing-Effekt dem Nutzer nicht auffällt, ist eine höhere Frequenz notwendig  Tests bestätigten gestiegene Bildqualität Bild: Oculus Vergleich Low Persistence – Full Persistence 29 Entwicklungsrichtungen
  30. 30. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Nvidia GameWorks VR  Sammlung von Hardware- und Software- Technologien für das stereoskopische Echtzeit- Rendering  VR SLI: Aufteilung GPUs nach Augen (nicht Frames)  Multi Resolution Shading: geringere Auflösung in verzerrten (& geschrumpften) Randbereichen  Timewarp: Kopfposition auslesen; auf dieser Basis gerade gerendertes Bild warpen => starke Reduktion Latenz Bild: Nvidia Bild: Nvidia Warping Multi Resolution Shading 30 Bild: Nvidia Timewarp Entwicklungsrichtungen
  31. 31. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Integriertes Tracking: 9-DOF-IMUs  Miniaturisierung, Präzisionssteigerung und Preisverfall: Bedeutungssteigerung der Inertialsensoren (engl. inertial measurement unit - IMU) für das Tracking IMU-Messeinheiten beinhalten folgende Sensorarten:  3 orthogonal angeordnete Beschleunigungssensoren (Translationssensoren): lineare Beschleunigung in x-, y- z-Achse. Translation durch zweimaliger Integration.  3 orthogonal angeordnete Drehratensensoren (gyroskopische Sensoren) : Winkelgeschwindigkeit um x-, y-, z-Achse. Rotation mit einfacher Integration.  Zur Bestimmung der Integrationskonstanten, zur Verbesserung der Genauigkeit und Korrektion der Drift der o.g. Sensoren: zusätzliche Sensoren, z.B. Magnetfeldsensoren (Kompasssensoren) und GNSS-Sensoren. Bild: SEIKO Epson Bild: Sparkfun IMU V340 der Fa. SEIKO Epson IMU Razor der Fa. Sparkfun 31 Entwicklungsrichtungen
  32. 32. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Integriertes Tracking Mehrere Mess-Prinzipien und -Systeme im Einsatz:  9DOF-IMUs  externe Kameras, die IR-Lichtquellen am HMD tracken  Kameras am HMD, die externe IR-Lichtquellen in der Umgebung tracken  Tiefenbildkameras zum Scannen der Realumgebung, fortwährende Referenzierung  hybrider Ansätze: zumeist 9DOF-IMU in Kombination mit optischen Verfahren für schnelles wie auch absolutes 6-DOF-Tracking Bild: Oculus Bild: True Player Gear Bild: Sony IR-LEDs und externe Kamera 2 Kameras an der Frontseite des HMDs IR-LEDs an Rückseite des HMDs für 360°-Drehung 32 Entwicklungsrichtungen
  33. 33. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen 33 Integriertes Tracking: HMDs und Spielekonsolen Firmenname Webseitenadresse Produktname Prinzip DOF Arbeitsraum Abtastrate AntVR http://www.antvr.com AntVR 2 x 9DOF-IMUs 6 nur Relativtracking 1000 Hz Avegant http://www.avegant.com Glyph 9DOF-IMU 3 nur Relativtracking 1000 Hz Carl Zeiss http://www.zeiss.com Cinemizer 9DOF-IMU 3 nur Relativtracking 1000 Hz GameFaceLabs http://gamefacelabs.com GameFace 9DOF-IMU 3 nur Relativtracking 1000 Hz Immersight http://www.immersight.de/ Immersight externe Kamera mit Mustererkennung des passiven Tracking-Targets 6 3m 60 Hz, bei anderer Kamera bis 330 Hz Meta https://www.spaceglasses.com/ SpaceGlasses 9DOF-IMU 3 nur Relativtracking 1000 Hz Microsoft www.microsoft.de Kinect externe Kamera und Tiefenbildkamera Auflösung Kameras 640x480 Motion Capturing 3,5 m 30Hz Nintendo http://www.nintendo.de wii optisch (Infrarot-Kamera in Controller) und Beschleunigungssensoren Auflösung Kamera 1024 x 768 bei 45° Öffnungswinkel 6 1-3 m Sensor 100Hz, Bluetooth-Abfrage aber nur 50 Hz Oculus http://www.oculusvr.com Rift 2 9DOF-IMU und externe Kamera; IR-LEDs vorne auf dem HMD, 360°-Tracking 6 Zimmer 1000 Hz Sony http://www.sony.de Morpheus 9DOF-IMU und externe Kamera, IR-LEDs vorne und hinten auf dem HMD, 360°-Tracking 6 Zimmer 1000 Hz Sony http://www.sony.de Playstation Move optisch (externe Kamera), Gyroskop, Neigungs- winkelmesser 640 x 480 @ 60 Hz 320 x 240 @ 120 Hz bei 56° - 75° Öffn.-Winkel 6 5 m 60 Hz oder 120 Hz je nach Auflösung Sulon http://sulontechnologies.com Cortex 9DOF-IMU und Tiefensensor auf HMD scant Umgebung und referenziert in ihr 6 Zimmer optisch: 50 Hz Technical Ilusions http://technicalillusions.com CastAR Trackingkamera in Brille, die IR-LEDs in Umgebung trackt 6 Zimmer kA True Player Gear http://www.trueplayergear.com Totem 2 Kameras an der Frontseite des HMDs, die Umgebung referenzieren 6 Zimmer kA Valve http://www.valvesoftware.com Valve HMD 2 Kameras vorne und hinten auf HMD zur Umgebungs-/ Mustererkennung 6 Zimmer kA Entwicklungsrichtungen
  34. 34. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Integriertes Tracking: Eye Tracking Nutzen für:  Usability-Untersuchungen  Design-Entscheidungen  Aufmerksamkeitsanalysen HMD-integrierte Eye-Tracking-Lösungen:  2011: Google-Patent für Eye Tracking in Google Glass  Lösungen: - FOVE VR Headset - SensoMotoric Instruments (SMI) für Oculus - Arrington Research für HMDs von Sony, Oculus, Sensics, CyberMind, Virtual Realities Bild: Arrington Research Bild: Arrington Research Bild: Arrington Research Getracktes Auge Heat Map, erzeugt über Eye Tracking Hardware-technischer Aufbau 34 Entwicklungsrichtungen
  35. 35. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Virtual Retinal Displays (VRDs)  direkte Projektion auf die Netzhaut Weiterentwicklung der VRD-Technologie, v.a.  Leuchtdioden in den RGB-Grundfarben erhältlich  gestiegene Lichtleistung der LEDs Vorteile:  Platzbedarf  Helligkeit (See-Through auch bei Tageslicht)  Energieverbrauch  keine Fokussierung des Auges notwendig  geeignet auch für Leute mit Sehschäden  Beispiel: HMD Avegant Glyph Bild: Fiambolis, Bild: Avegant Bild: Fh-IFF Funktionsschema eines Retinaldisplays HMD „Glyph“ Blick in die Anzeige eines Retinaldisplays 35 Entwicklungsrichtungen
  36. 36. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Lichtfeldkameras (plenoptische Kameras) Funktionsweise  konventionelle Kamera erfasst 2D-Bild  plenoptische Kamera erfasst dazu Richtung  für Lichtfeldmessung: Gitter aus mehreren Mikrolinsen vor dem Bildsensor Vorteil  maximale Schärfentiefe sehr hoch  kein Fokussiervorgang  Fokusebene nachträglich anpassbar  Tiefeninformationen ermittelbar Nachteile  Kosten  2D-Auflösung 4MP eher gering Bild: Adobe Bild: Lytro Bild: Raytrix Adobe-Prototyp einer Lichtfeldkamera Lytro M01, Lytro Illum Lichfeldkamera der Fa. Raytrix 36 Bild: Lytro Entwicklungsrichtungen
  37. 37. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen 37 Die Universität Stanford wendet die Lichtfeld-Technik nun auf Head Mounted Dispalys an, um das Akkomodations- problem von HMDs zu lösen Entwicklungsrichtungen
  38. 38. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Integration Tiefenbildsensoren Produkte und Ankündigungen  Microsoft Kinect  Google Projekt Tango  Leap Motion  Intel Real Sense 3D  Primesense Carmine  ASUS Xtion Pro Live  Meta Space Glasses  PMD  Sony Playstation 4 Camera  Softkinetics  Mantis Vision Entwicklungsrichtungen Primesense Meta PMD Google Tango Leap Asus Softkinetics Sony 38
  39. 39. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Integration Tiefenbildsensoren Ermöglichung Selbstwahrnehmung  Erfassung des eigenen Körpers (Rumpf, Hände,…) mit Tiefenbildsensoren anstatt mit Datenhandschuhen und/oder Motion Capturing Aufhebung Isolation von der Umwelt  Benutzer sieht die dynamische Umwelt und kann mit dieser interagieren  Misch-Szenen real-virtuell möglich Bild: Dassault Systèmes dynamische 3D-Szene aus dem 3D-Scan einer Kinect und modellierten 3D-Objekten (hier: Fahrrad) Sicht eines HMD-Trägers auf die 3D-Scan- Punktewolke seiner eigenen Hände und weiteren Umgebungsdaten 39 Bild: Dassault Systèmes Entwicklungsrichtungen
  40. 40. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Integration Tiefenbildsensoren Erfassung der Bewegungen, Gestik des Benutzers  Interaktion: Laufen, Greifen, Dinge bewegen, .. Extraktion von Objekten aus Szene (Nahes, Weites)  Aufbau Misch-Szenen zur Präsentation im Head Mounted Display Verdeckungsberechnung für Augmented Reality  graphische Objekte, die eigentlich von realen (partiell) verdeckt sein müssten, dürfen nicht gezeichnet werden. Die dafür erforderliche Verdeckungsberechnung benötigt ein aktuelles 3D-Abbild der Realität Bild: David Nahon/DS Bild: Quaternion Software Person mit HMD wird mit der Kinect gescannt und kann so interagieren. Hier: Bedienung eines Stellrads mit den Händen, Laufen reale Person in kurzer Distanz in Echtzeit aus 3D-Scan extrahiert 40 Bild: Fh-IGD gezeichnetes Einbauteil (violett) verschwindet teilweise hinter Blech (schwarz). Dazu muss der Rechner Blech und Einbau- teil gegeneinander auf Verdeckung prüfen Entwicklungsrichtungen
  41. 41. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Abschlussbemerkungen: Einschätzungen  der Markt für HMDs und für Trackingsysteme wird sich in den kommenden 5 Jahren (weiter) sehr stark verändern  Markets and Markets: - globaler HMD-Markt bei $12,28 Milliarden im Jahr 2020 - jährliche Wachstumsrate 2014-2020: 57%  Einsatzmöglichkeiten guter HMDs und Datenbrillen enorm (v.a. Support, Service, Innenraum-Begehungen, Training)  Einschränkungen der Fähigkeit zur Kooperation sind reduzierbar 41 Zusammenfassung
  42. 42. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Literatur  Bayer, Michael M.: Introduction to Helmet Mounted Displays. In: Rash, Clarence E. (Ed.): Helmet-mounted displays : sensation, perception, and cognition issues, S. 47-108, U.S. Army Aeromedical Research Laboratory, 2009  Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin: Datenbrillen - Aktueller Stand von Forschung und Umsetzung sowie zukünftiger Entwicklungsrichtungen. Workshop vom 20. Juni 2011, Dortmund, 2011  Gross, Frank: Head Mounted Displays für den professionellen Einsatz: Stand der aktuellen Produkte am Markt. In: Displaytrends 2013 - Head Mounted Displays, Datenbrillen & Co, Workshop am Virtual Dimension Center Fellbach, Fellbach, 14.03.2013  Li, Hua et. al.: Review and analysis of avionic helmet-mounted displays. In : Optical Engineering 52(11), 110901, November 2013 42  N.N.: Head Mounted Display (HMD) Market by Products (Helmet Mounted, Wearable Glass), Components (Micro display, Camera, control unit, Tracker, Accessories), Applications (Defense, industrial, Video Gaming) & Geography - Global Analysis and Forecast to 2020, Markets and Markets, Mai 2014  N.N.: Global Head-mounted Display Market, TechNavio, Januar 2013  N.N.: Head Mounted Display (HMD) Market Analysis By Product (Helmet Mounted Display, Wearable Glass), By End-Use (Defense, Consumer), By Application (Imaging, Security, Tracking, Training & Simulation) And Segment Forecasts To 2020, Grand View Research, Oktober 2014 Zusammenfassung
  43. 43. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Links  http://www.stereo3d.com/hmd.htm Bungert, Christoph: HMD/headset/VR-helmet Comparison Chart, abgerufen am 20.6.2014  http://www.vrbrillen.net Kovshenin, Konstantin: VR Brillen. Head Mounted Display – Der nächste Quantensprung in Gaming und Film, abgerufen am 20.6.2014  http://www.roadtovr.com/head-mounted-display-hmd-vr-headset-comparison/ Road to VR: HMD Comparison. Head Mounted Display (HMD) / VR Headset Comparison Chart, abgerufen am 20.6.2014  http://www.vdc-fellbach.de/wissen/vr-hardware/head-mounted-displays Runde, Christoph: Head Mounted Displays & Datenbrillen, abgerufen am 20.6.2014  http://www.vrnerds.de/hardvr/96-2/ Uthe, Nico, et al.: VR-Nerds a Virtual Reality Showcase: Head Mounted Displays, abgerufen am 20.6.2014 43 Zusammenfassung
  44. 44. ZusammenfassungEinsatzfelderSystemklassen VDC-Whitepaper Head Mounted Displays und Datenbrillen Entwicklungsrichtungen Mitglieder im Thema: 44 Zusammenfassung
  45. 45. © Kompetenzzentrum Virtuelle Realität und Kooperatives Engineering w. V. – Virtual Dimension Center VDC Sie interessieren sich für das Thema und benötigen einen kompetenten Ansprechpartner? Sprechen Sie gerne mit uns. Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach Auberlenstr. 13 70736 Fellbach www.vdc-fellbach.de Tel.: 0711 / 58 53 09 – 0 E-Mail: info@vdc-fellbach.de

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