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Virtual and Augmented Reality
Interaktionsparadigmen
Virtual and Augmented Reality

(1) Begriffe & Konzepte

(2) Historische Entwicklung

(3) Interaktion in der Virtual Reality

(4) VR-System & Standards

(5) AR-Systeme
Virtual Reality – Definitionen (1)


„ Virtual reality (VR) is a term that applies to computer-
  simulated environments that can simulate places in the
  real world as well as in imaginary worlds.“


                                                [Wikipedia (1)]
Virtual Reality – Definitionen (2)


„ The ultimate display would, of course, be a room within
  wich the computer can control the existence of
  matter. [… ] With appropriate programming such a
  display could literally be the Wonderland into wich Alice
  walked.“
                                         [Sutherland 1965]
[TNG „ Hollow Pursuit“, Sternzeit: 43807.4]
Virtual Reality – Definitionen (3)
                                             [Brill 2009]

Virtuelle Realität meint neuartige Benutzeroberflächen die

Den Benutzer in einer simulierten Realität handeln lassen

Den Benutzer damit eine Anwendung steuern lassen

Sich im Idealfall konvergent zur bekannten realen Umgebung
   verhalten

Ziel ist eine möglichst voraussetzungslose Nutzung.
Virtual Reality – Definitionen (4)
                                          [Brill 2009]


Anwendungen im Kontext der VR sind multimodale
  Software mit visuellen, akustischen und taktilen Aus-
  und Eingabemöglichkeiten.

Ziel ist die Immersion
Virtual Reality – Definitionen (4)

Anwendungsgebiete

Planung und Gestaltung

Simulation

Visualisierung

Telekommunikation/‐
Kooperation

Spiele
Virtual Reality – Exkurs Immersion (1)
                                     [Brill 2009]


Immersion ist der Effekt einer VR-Anwendung bzw. das
  Gefühl, der/das den Benutzer glaube lässt innerhalb
  einer logischen, existierenden Umgebung zu agieren.
  (Gefühl des „ beeing there“)
Virtual Reality – Exkurs Immersion (2)
                                     [Brill 2009]

Faktoren die zu Immersion führen sind

Übereinstimmung zwischen virtueller und realer Umgebung

Beeinflussbarkeit der virtuellen Umgebung

Echtzeit bei Ein- und Ausgabeaktionen

Positionierung und Orientierung im virtuellen Raum
Virtual Reality – Exkurs Immersion (3)
                             [Pietschman 2009]

„ Presence Konzept“ beschreibt den psychischen Zustand
   einer Person während der Medienrezeption.

Presence beschreibt die Summe der Wahrnehmung der
   reale, der virtuellen und der imaginierten Umgebung.
Virtual Reality – Exkurs Immersion (4)
                                [Pietschman 2009]


                            Presence




Spatial Presence          Self-Presence       Social Presence


                           Mentales Modell
      Virtueller Körper                      Physischer Körper
                             des Körpers
Virtual Reality – Historische Entwicklung (1)

Der Ursprung der VR liegt in der Entwicklung mechanischer
  Simulatoren.

Erste computerunterstützte Systeme waren
   Flugsimulatoren.

Innovative VR-Systeme integrieren mehrere VR-
   Einzelkomponenten in einem Systeme.
Virtual Reality – Historische Entwicklung (2)


                Meilensteine

1955 u. 1962 Sensorama (Morton Heilig)
1968 u. 1970 The Sword of Damocles (Ivan Sutherland)
       1978 Aspen Movie Map (Andrew Lippman)
       1992 CAVE
Interaktion in der Virtual Reality (1)


VR-Systeme weisen grundlegend andere
   Interaktionsparadigmen auf als herkömliche Desktop-
   Systeme.

Hauptunterschied ist die virtuelle Szene. Diese stellt eine
   Ansammlung von Objekten und deren Beziehungen im
   virtuellen Raum dar.

Weiterhin ist die Interaktion in VR-Systeme ausgeprägter.
Interaktion in der Virtual Reality (2)

VR-Systeme können auf unterschiedliche Art und Weise
  realisiert werden

Simulation

Projektionen

Avatare

Desktop-Anwendungen

„ True Immersive Virtual Reality“
Interaktion in der Virtual Reality (3)

Visuelle Ausgabe

Projektoren

Polarisations- oder Shutterbrillen

Head-Mounted-Display

Retinal Displays
Interaktion in der Virtual Reality (4)

Akustische Ausgabe

Stereo-Kopfhörer

Surround-Sound Systeme

Haptische Ausgabe

Rezeptoren und Aktoren („Force Feedback“)
Interaktion in der Virtual Reality (5)

Eingabe

Tracking-Systeme (mechanische, optische, elektro-
  magnetische, akustische Systeme)

Omnidirectional Treadmill

3D-Maus, Wand“
         „

Datenhandschuh, Datenanzug

Spracheingabe
Interaktion in der Virtual Reality (6)




                                 [Wikipedia (2)]
Interaktion in der Virtual Reality (7)




                                     [Wikipedia (2 u. 3)]
Interaktion in der Virtual Reality (8)




                                         [Wikipedia (4)]
Virtual Reality – Systeme (1)

Sensorama

Das Sensorama von Heilig war der Entwurf eines System aus
  mehreren Projektonen. Er kombinierte räumliche Sicht,
  Ton, Wind und Gerüche.

In den 60er Jahren wurde dieses System teilweise realisiert.
Virtual Reality – Systeme (2)




                                [Sensorama]
Virtual Reality – Systeme (3)

CAVE (Cave Automatic Virtual Environment)

Vier Leinwände (C4) mit mehreren Rückprojektoren
   erzeugen eine virtuelle Szene die von mehreren
   Benutzern gleichzeitig genutzt werden kann.

Es existieren verschiedene Frameworks für die Entwicklung
   von Software für CAVE-Systeme: Beispielsweise: CaveLib
   oder VRJugger .

Die Interaktion durch verschiedene Modalitäten erfolgen.
Virtual Reality – Systeme (4)

Neuer Systeme verfügen über sechs Leinwände und nutzen
  pro Wand mehrere Projektoren für höher auflösende
  Darstellung und/oder Stereografik.

Man spricht dann von sogenannten Powerwalls.
Virtual Reality – Systeme (5)




                                [Wikipedia (5)]
Virtual Reality – Standards

CAVE-System ist ein de-facto Standard.

Die Virtual Reality Modelling Language (VRML) und deren
   Nachfolger X3D sind standardisierte Dateiformate zur
   Repräsentation von 3D-Objekten.

VR Juggler und CAVELib sind APIs die die
  Softwareentwicklung für CAVE-Systeme vereinfachen.

Des Weiteren sind gängige Standards der 3D-
  Programmierung relevant.
Augmented Reality – Definiton (1)


„ Augmented reality (AR) is a term for a live direct or
  indirect view of a physical real-world environment
  whose elements are augmented by virtual computer-
  generated imagery.“


                                            [Wikipedia (6)]
Augmented Reality – Definiton (2)

Augmented Realtity ersetzt, anders als Virtual Reality, nicht
  die reale, physische Umgebung.

Stattdessen wird die Umwelt mit weiterreichenden
   Informationen ergänzt.

Dies geschieht durch Kombination der realen Perspektive
   (View) des Nutzers mit virtuellen Inhalten in Echtzeit.
Augmented Reality – Definiton (3)




                                    [Wikipedia (7)]
Augmented Reality – Definiton (3)

Anwendungsgebiete

Navigation

Arbeitsplatz

Medizin

Militär

Rettungskräfte
Augmented Reality – Interaktion (3)

Visuelle Ausgabe

Spezialisierte Systeme mit Head-Mounted-Displays

Head-Up-Displays

Mobile Endgeräte

Tracking

GPS
Augmented Reality – Systeme: AndAR (1)

AndAR

AndAR ist ein Softwareprojekt das AR auf dem Android-OS
  ermöglicht.

Ein realisiertes Projekt ist der AndAR Modelviewer, eine
   Software die virtuelle 3D-Modelle in die Kameraansicht
   von Smartphones integriert.
Augmented Reality – Systeme: AndAR (2)
Augmented Reality – Systeme: Navit (1)

Navit with Augmented Reality

Navit with Augmented Reality ist eine Software die AR-
  Elemente für die Navigationssoftware Navit bereitstellt.

Die Elemente sind Navigation, Tracking und
   Visualisierung.

Speziell für Fussgänger optimierte Navigationshilfen
  werden in eine Liveview integriert.

Die virtuellen Einblendungen passen sich der realen
   Geometrie, etwa Sichteinschränkung durch Häuser, an.
[Navit (2)]
Augmented Reality – Systeme: AugSatNav (1)
Augmented Reality – Systeme: AugSatNav (2)
Augmented Reality – Systeme: Layar (1)

Layar

Layar ist eine Software die Kamera, GPS und Lagesensor
   mobiler Geräte nutzt um verschiedene ortsbezogene
   Informationen in eine Liveview einzublenden.

Die Informationen sind in sogenannten Layers gespeichert
   die frei erstellt werden können.
Literatur (1)

Brill 2009

Brill, Manfred, Virtuelle Realität, Heidelberg, 2009

Pietschmann 2009

Pietschmann, Daniel, Das Erleben virtueller Weltenm
   Boizenburg, 2009

Sutherland 1965

Sutherland, I.E, The ultimate display, in: Procedings of the
   IFIP Congress, Vol. 2, S. 506-508, 1965
Literatur (2)

New Scientist 06/2007

[http://www.newscientist.com/article/dn12169-tangible-display-
   makes-3d-images-touchable.html]
Literatur (3)

AndAR
[http://code.google.com/p/andar/]

Layar
[http://www.layar.com/]

Sensorama
[http://design.osu.edu/carlson/history/images/small/sensorama
   -1.jpg]
Literatur (4)

Navit

1: Navit with Augmented Reality
[http://wiki.navit-
   project.org/index.php/Navit_with_Augmented_Reality]

2: [http://wiki.navit-project.org/images/4/48/Navithero.jpg]

3:[http://wiki.navit-project.org/images/e/ef/Realityview.jpg]

4: Open-Source Navigation
Haase, Thomas, Feilner, Markus, Richtungsweisend. Open-Source-
   Navigation mit Navit, in: Linux Magazin, München, Ausgabe 7,
   2010
Literatur (5)
Wikipedia


1: Virtual Reality
[http://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_reality]


2: PowerGlove
[http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nintendo_fighter.jpg]


3: Nintendo Fanboy
[http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fanboy_Nintendo.jpg]


4: Treadmill
[http://en.wikipedia.org/wiki/File:ARL_ODT.jpg]


5: CAVE-System
[http://en.wikipedia.org/wiki/File:CAVE_Crayoland.jpg]


6: Augmented Reality
[http://en.wikipedia.org/wiki/Augmented_reality]


7: Augmented Reality – Milgram
[http://en.wikipedia.org/wiki/File:Milgram_Continuum.png]

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Virtualreality

  • 1. Virtual and Augmented Reality Interaktionsparadigmen
  • 2. Virtual and Augmented Reality (1) Begriffe & Konzepte (2) Historische Entwicklung (3) Interaktion in der Virtual Reality (4) VR-System & Standards (5) AR-Systeme
  • 3. Virtual Reality – Definitionen (1) „ Virtual reality (VR) is a term that applies to computer- simulated environments that can simulate places in the real world as well as in imaginary worlds.“ [Wikipedia (1)]
  • 4. Virtual Reality – Definitionen (2) „ The ultimate display would, of course, be a room within wich the computer can control the existence of matter. [… ] With appropriate programming such a display could literally be the Wonderland into wich Alice walked.“ [Sutherland 1965]
  • 5. [TNG „ Hollow Pursuit“, Sternzeit: 43807.4]
  • 6. Virtual Reality – Definitionen (3) [Brill 2009] Virtuelle Realität meint neuartige Benutzeroberflächen die Den Benutzer in einer simulierten Realität handeln lassen Den Benutzer damit eine Anwendung steuern lassen Sich im Idealfall konvergent zur bekannten realen Umgebung verhalten Ziel ist eine möglichst voraussetzungslose Nutzung.
  • 7. Virtual Reality – Definitionen (4) [Brill 2009] Anwendungen im Kontext der VR sind multimodale Software mit visuellen, akustischen und taktilen Aus- und Eingabemöglichkeiten. Ziel ist die Immersion
  • 8. Virtual Reality – Definitionen (4) Anwendungsgebiete Planung und Gestaltung Simulation Visualisierung Telekommunikation/‐ Kooperation Spiele
  • 9. Virtual Reality – Exkurs Immersion (1) [Brill 2009] Immersion ist der Effekt einer VR-Anwendung bzw. das Gefühl, der/das den Benutzer glaube lässt innerhalb einer logischen, existierenden Umgebung zu agieren. (Gefühl des „ beeing there“)
  • 10. Virtual Reality – Exkurs Immersion (2) [Brill 2009] Faktoren die zu Immersion führen sind Übereinstimmung zwischen virtueller und realer Umgebung Beeinflussbarkeit der virtuellen Umgebung Echtzeit bei Ein- und Ausgabeaktionen Positionierung und Orientierung im virtuellen Raum
  • 11. Virtual Reality – Exkurs Immersion (3) [Pietschman 2009] „ Presence Konzept“ beschreibt den psychischen Zustand einer Person während der Medienrezeption. Presence beschreibt die Summe der Wahrnehmung der reale, der virtuellen und der imaginierten Umgebung.
  • 12. Virtual Reality – Exkurs Immersion (4) [Pietschman 2009] Presence Spatial Presence Self-Presence Social Presence Mentales Modell Virtueller Körper Physischer Körper des Körpers
  • 13. Virtual Reality – Historische Entwicklung (1) Der Ursprung der VR liegt in der Entwicklung mechanischer Simulatoren. Erste computerunterstützte Systeme waren Flugsimulatoren. Innovative VR-Systeme integrieren mehrere VR- Einzelkomponenten in einem Systeme.
  • 14. Virtual Reality – Historische Entwicklung (2) Meilensteine 1955 u. 1962 Sensorama (Morton Heilig) 1968 u. 1970 The Sword of Damocles (Ivan Sutherland) 1978 Aspen Movie Map (Andrew Lippman) 1992 CAVE
  • 15. Interaktion in der Virtual Reality (1) VR-Systeme weisen grundlegend andere Interaktionsparadigmen auf als herkömliche Desktop- Systeme. Hauptunterschied ist die virtuelle Szene. Diese stellt eine Ansammlung von Objekten und deren Beziehungen im virtuellen Raum dar. Weiterhin ist die Interaktion in VR-Systeme ausgeprägter.
  • 16. Interaktion in der Virtual Reality (2) VR-Systeme können auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden Simulation Projektionen Avatare Desktop-Anwendungen „ True Immersive Virtual Reality“
  • 17. Interaktion in der Virtual Reality (3) Visuelle Ausgabe Projektoren Polarisations- oder Shutterbrillen Head-Mounted-Display Retinal Displays
  • 18. Interaktion in der Virtual Reality (4) Akustische Ausgabe Stereo-Kopfhörer Surround-Sound Systeme Haptische Ausgabe Rezeptoren und Aktoren („Force Feedback“)
  • 19. Interaktion in der Virtual Reality (5) Eingabe Tracking-Systeme (mechanische, optische, elektro- magnetische, akustische Systeme) Omnidirectional Treadmill 3D-Maus, Wand“ „ Datenhandschuh, Datenanzug Spracheingabe
  • 20. Interaktion in der Virtual Reality (6) [Wikipedia (2)]
  • 21. Interaktion in der Virtual Reality (7) [Wikipedia (2 u. 3)]
  • 22. Interaktion in der Virtual Reality (8) [Wikipedia (4)]
  • 23. Virtual Reality – Systeme (1) Sensorama Das Sensorama von Heilig war der Entwurf eines System aus mehreren Projektonen. Er kombinierte räumliche Sicht, Ton, Wind und Gerüche. In den 60er Jahren wurde dieses System teilweise realisiert.
  • 24. Virtual Reality – Systeme (2) [Sensorama]
  • 25. Virtual Reality – Systeme (3) CAVE (Cave Automatic Virtual Environment) Vier Leinwände (C4) mit mehreren Rückprojektoren erzeugen eine virtuelle Szene die von mehreren Benutzern gleichzeitig genutzt werden kann. Es existieren verschiedene Frameworks für die Entwicklung von Software für CAVE-Systeme: Beispielsweise: CaveLib oder VRJugger . Die Interaktion durch verschiedene Modalitäten erfolgen.
  • 26. Virtual Reality – Systeme (4) Neuer Systeme verfügen über sechs Leinwände und nutzen pro Wand mehrere Projektoren für höher auflösende Darstellung und/oder Stereografik. Man spricht dann von sogenannten Powerwalls.
  • 27. Virtual Reality – Systeme (5) [Wikipedia (5)]
  • 28. Virtual Reality – Standards CAVE-System ist ein de-facto Standard. Die Virtual Reality Modelling Language (VRML) und deren Nachfolger X3D sind standardisierte Dateiformate zur Repräsentation von 3D-Objekten. VR Juggler und CAVELib sind APIs die die Softwareentwicklung für CAVE-Systeme vereinfachen. Des Weiteren sind gängige Standards der 3D- Programmierung relevant.
  • 29. Augmented Reality – Definiton (1) „ Augmented reality (AR) is a term for a live direct or indirect view of a physical real-world environment whose elements are augmented by virtual computer- generated imagery.“ [Wikipedia (6)]
  • 30. Augmented Reality – Definiton (2) Augmented Realtity ersetzt, anders als Virtual Reality, nicht die reale, physische Umgebung. Stattdessen wird die Umwelt mit weiterreichenden Informationen ergänzt. Dies geschieht durch Kombination der realen Perspektive (View) des Nutzers mit virtuellen Inhalten in Echtzeit.
  • 31. Augmented Reality – Definiton (3) [Wikipedia (7)]
  • 32. Augmented Reality – Definiton (3) Anwendungsgebiete Navigation Arbeitsplatz Medizin Militär Rettungskräfte
  • 33. Augmented Reality – Interaktion (3) Visuelle Ausgabe Spezialisierte Systeme mit Head-Mounted-Displays Head-Up-Displays Mobile Endgeräte Tracking GPS
  • 34. Augmented Reality – Systeme: AndAR (1) AndAR AndAR ist ein Softwareprojekt das AR auf dem Android-OS ermöglicht. Ein realisiertes Projekt ist der AndAR Modelviewer, eine Software die virtuelle 3D-Modelle in die Kameraansicht von Smartphones integriert.
  • 35. Augmented Reality – Systeme: AndAR (2)
  • 36. Augmented Reality – Systeme: Navit (1) Navit with Augmented Reality Navit with Augmented Reality ist eine Software die AR- Elemente für die Navigationssoftware Navit bereitstellt. Die Elemente sind Navigation, Tracking und Visualisierung. Speziell für Fussgänger optimierte Navigationshilfen werden in eine Liveview integriert. Die virtuellen Einblendungen passen sich der realen Geometrie, etwa Sichteinschränkung durch Häuser, an.
  • 38.
  • 39. Augmented Reality – Systeme: AugSatNav (1)
  • 40. Augmented Reality – Systeme: AugSatNav (2)
  • 41. Augmented Reality – Systeme: Layar (1) Layar Layar ist eine Software die Kamera, GPS und Lagesensor mobiler Geräte nutzt um verschiedene ortsbezogene Informationen in eine Liveview einzublenden. Die Informationen sind in sogenannten Layers gespeichert die frei erstellt werden können.
  • 42.
  • 43.
  • 44.
  • 45.
  • 46. Literatur (1) Brill 2009 Brill, Manfred, Virtuelle Realität, Heidelberg, 2009 Pietschmann 2009 Pietschmann, Daniel, Das Erleben virtueller Weltenm Boizenburg, 2009 Sutherland 1965 Sutherland, I.E, The ultimate display, in: Procedings of the IFIP Congress, Vol. 2, S. 506-508, 1965
  • 47. Literatur (2) New Scientist 06/2007 [http://www.newscientist.com/article/dn12169-tangible-display- makes-3d-images-touchable.html]
  • 49. Literatur (4) Navit 1: Navit with Augmented Reality [http://wiki.navit- project.org/index.php/Navit_with_Augmented_Reality] 2: [http://wiki.navit-project.org/images/4/48/Navithero.jpg] 3:[http://wiki.navit-project.org/images/e/ef/Realityview.jpg] 4: Open-Source Navigation Haase, Thomas, Feilner, Markus, Richtungsweisend. Open-Source- Navigation mit Navit, in: Linux Magazin, München, Ausgabe 7, 2010
  • 50. Literatur (5) Wikipedia 1: Virtual Reality [http://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_reality] 2: PowerGlove [http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nintendo_fighter.jpg] 3: Nintendo Fanboy [http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fanboy_Nintendo.jpg] 4: Treadmill [http://en.wikipedia.org/wiki/File:ARL_ODT.jpg] 5: CAVE-System [http://en.wikipedia.org/wiki/File:CAVE_Crayoland.jpg] 6: Augmented Reality [http://en.wikipedia.org/wiki/Augmented_reality] 7: Augmented Reality – Milgram [http://en.wikipedia.org/wiki/File:Milgram_Continuum.png]