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Wege in virtuelle Welten

Was ist Virtual, Augmented und Mixed Reality?

| Autor: Klaus Länger

Mit Virtual-, Mixed- und Augemented Reality kann man in virtuelle Welten eintauchen oder die reale Welt durch virtuelle Elemente ergänzen.
Mit Virtual-, Mixed- und Augemented Reality kann man in virtuelle Welten eintauchen oder die reale Welt durch virtuelle Elemente ergänzen. (Bild: Microsoft)

Bei Begriffen wie Virtual Reality, Augmented Reality und Microsofts Mixed Reality geht es manchmal bunt durcheinander. Wir erklären die Ursprünge, Unterschiede und Gemeinsamkeiten der verschiedenen Verfahren und der dafür verwendeten Brillen.

Virtual Reality, Augmented Reality und Mixed Reality sind allesamt Erlebnisräume, bei denen mit Hilfe spezieller Brillen die erfahrene Realität verändert wird. Zumindest die ersten beiden sind keineswegs neu, auch wenn sie erst jetzt den Sprung zu für Konsumenten brauchbare Technologien geschafft haben. Mixed Reality ist hingegen eher ein Versuch seitens Microsoft, verschiedene, in Redmond entwickelte Verfahren, unter einen Hut zu bekommen.

Virtual Reality existiert als Begriff seit 1982. Der Ursprung liegt, wie so oft bei innovativen Technologien, in einem Science-Fiction-Roman. Und zwar in dem Titel „The Judas Mandala“ von Damien Broderick. Der technische Ursprung ist aber viel älter: Das erste Head-Mounted-Display für einen Computer entwickelte Ivan Sutherland bereits 1968 an der Harvard University. Es konnte mit zwei Kathodenstrahlröhren Liniengrafiken in 3D darstellen und war so schwer, dass es an der Decke des Laboratoriums befestigt werden musste. Daher die scherzhafte Bezeichnung „Schwert des Damokles“.

So funktionieren Virtual-Reality-Brillen

Virtual-Reality-Brillen oder präziser Head-Mounted-Displays (HMDs) sind Geräte, die den Weg in virtuelle Welten ermöglichen. Die reale Außenwelt wird komplett ersetzt, die Kopf- und teilweise auch Körperbewegungen des Trägers werden aber auf die Spielfigur oder die virtuelle Kamera übertragen. Das soll ein möglichst weites Eintauchen in die computergenerierte Szenerie ermöglichen, man spricht hier von „Immersion”. Das Problem bei VR-HMDs ist, dass es zwischen Tracking, also der Erfassung von Bewegungen sowie Position des Trägers, und deren Umsetzung auf die virtuelle Szenerie möglichst wenig Zeitversatz geben darf und dass sie mit hoher Präzision erfolgen muss. Ist das nicht der Fall, dann wird vielen Trägern von VR-Brillen schlicht übel („Motion Sickness”). Den Effekt kann man nur durch sehr präzise Tracking-Systeme, schnelle Displays und leistungsfähige Rechner eliminieren. Ein schneller PC ist auch notwendig, da für jedes Auge ein geringfügig anderes Bild gerendert wird, um den gewünschten 3D-Effekt zu erzielen.

Vieles von dem, was wir heute an VR-Geräten kennen, wurde ab 1984 in der Firma VPL Research entwickelt, die von vom VR-Pionier Jaron Lanier gegründet wurde. Die Firma brachte eine VR-Brille mit dem Namen EyePhone, den ersten kommerziellen Datenhandschuh und sogar einen VR-Anzug auf den Markt, der die Bewegung des kompletten Körpers erfassen konnte. Allerdings waren die Produkte extrem teuer und ihrer Zeit voraus. 1990 ging die Firma in Konkurs, die Überreste wurden von Sun übernommen. Die im Hollywood-Film „Der Rasenmähermann“ von 1992 eingesetzten VR-Requisiten folgen den Vorbildern von VPL Research. Zu dieser Zeit wurde auch versucht, die erste Welle von günstigen VR-Produkten für Konsolen- und Computerspieler auf den Markt zu bringen. Aber Headsets wie Sega VR, Nintendo Virtual Boy oder die für PCs bestimmten Forte VFX oder Philipx Scuba konnten sich wegen miserabler Auflösung, technischer Unzulänglichkeiten und zu hoher Preise nicht durchsetzen. Im professionellen Bereich wurden VR-Lösungen dagegen immer häufiger eingesetzt. Allerdings oft in speziellen VR-Räumen und gekoppelt an teure Workstations.

Neustart mit Oculus Rift und HTC Vive

Zeitsprung ins Jahr 2012: John Carmack, Entwickler von Spielen wie Doom oder Quake, stieß auf eine VR-Brille, die Student Palmer Luckey seit 2009 in der Garage seiner Eltern entwickelte, und nahm einen Protoyp mit auf die Spielemesse E3. Das Publikum war begeistert. Damit begann die Erfolgsstory der Oculus Rift und gleichzeitig eine Renaissance der VR-Brille für Computerspiele. Die als Kickstarter-Projekt gestartete Firma Oculus wurde 2014 für drei Milliarden US-Dollar von Facebook übernommen und brachte nach einigen Entwicklermodellen 2016 die Rift VR mit deutlich verbesserten Displays als erste Brille für Endverbraucher auf den Markt. Seit 2017 gibt es VR-Controller mit Positionserkennung.

Als Konkurrenz für die Rift VR folgte die 2015 vorgestellte HTC Vive, die ein Jahr später auf den Markt kam. Sie wurde auch zur offiziellen Steam-VR-Brille da Oculus nach der Übernahme durch Facebook aus dem Rennen war.

Beide Headsets verwenden für das Tracking eine Kombination aus internen Gyrometern sowie Beschleunigungssensoren und externem Komponenten. Bei der Rift erfasst eine Kamera die Infrarot-LEDs auf Brille und Controllern, HTCs „Lighthouse” nutzt zwei im Raum zu positionierende Laserlichtquellen und einen Lasersensor auf der Brille für die Positionsberechnung. Der Aufbau ermöglicht bei Oculus und HTC zusätzlich zur Erfassung der Kopfposition auch die der Position des Spielers im Raum, der sich so mit sechs Freiheitsgraden bewegen kann.

Für das Display nutzen beide Brillen jeweils zwei OLEDs mit 1.080×1.200 Pixel. Für das Greifen und Bewegen virtueller Objekte oder das Feuern von Waffen dienen jeweils zwei spezielle Controller mit einigen Tasten und Positionserkennung.

Da man mit Brillen wie der Rift oder der Vive mit dem ganzen Körper agieren kann, besteht immer die Gefahr, sich in den Kabeln zu verheddern, die Headset und PC verbinden. Hersteller wie HP, MSI, Schenker oder Zotac bieten daher leistungsstarke Gaming-Rechner im Rucksack-Format an, die auch mit Akkus ausgestattet sind. Einen anderen Weg beschreitet TPCast mit einem Wireless-Kit für die HTC Vive, das Brille und Rechner drahtlos und trotzdem ohne Latenz verbinden soll. Der TPcast Wireless Adaptor nutzt dafür das 60-GHz-Band mit einer proprietären Wireless-HD-Lösung.

Mit einer deutlich höhere Auflösung als die Brillen von HTC oder Oculus arbeitet die Starbreeze Studios und Acer entwickelte StarVR. Die Brille liefert mit ihren beiden 5,1-Zoll-AMOLED-Displays eine Auflösung von 2.560 x 1.440 und ermöglicht so einen 120-Grad-Blickwinkel. Sie ist aber für den professionellen Einsatz in der Industrie oder im Unterhaltungssektor gedacht. So richtet IMAX derzeit in seinen Kinos Spielstationen mit der StarVR ein.

VR für die Konsole und mit dem Smartphone

Die derzeit kommerziell erfolgreichste VR-Brille mit eigenen Displays ist die seit Ende 2016 erhältliche Sony Playstation VR für die Spielekonsole Playstation 4, die mit einem externen Kamera-Tracking arbeitet.

Mit einem passenden Gehäuse lässt sich auch jedes Smartphone mit großem Display und ausreichend starkem Prozessor als VR-Brille nutzen. Es wird in ein Gehäuse eingeschoben, das dann wie eine VR-Brille vor den Augen sitzt. Diese Gehäuse gibt es in verschiedenen Qualitäts- und Preisstufen von der Pappbox bis hin zum komfortablen Einschub aus Kunststoff. Der Screen des Smartphone wird für die 3D-Darstellung geteilt.

Für grafisch aufwändige Spielen sind Smartphone-CPUs aber schlicht zu schwach. Zeiss nutzt bei der VR One Connect das in eine Brille eingeschobene Smartphone nur als Streaming-Client für Steam-VR-Spiele auf dem Gaming-PC. Zudem werden die Smartphone-Sensoren für das Tracking der Kopfbewegungen genutzt. Im Gegensatz zu MR-Brillen, Rift oder Vive ist ein Trackeing im Raum nicht möglich.

Das ist Augmented Reality

Bei der Augmented Reality (AR) geht es nicht darum, sich komplett in eine virtuelle Realität zu versetzen, sondern darum, die „echte” Realität durch zusätzliche Elemente zu ergänzen, etwa durch Hinweise zu Objekten, die man betrachtet.

Ihren technischen Ursprung hat die Augmented Reality in den HUDs (Head Up Displays), die in den 50er-Jahre für Kampfflugzeuge entwickelt wurden und dann auch Einzug in die zivile Luftfahrt nahmen. Heute sind HUDs auch in einigen Autos zu finden. Heute sind militärisch genutzte HUDs oft in Helmvisieren integriert und mit AR-Funktionen ausgestattet.

AR funktioniert grundsätzlich auch ohne Brille, sondern auch mit jedem Smartphone oder Tablet. Pokemon Go ist ein Beispiel für ein Spiel mit AR-Elementen. Apple beschreitet mit dem im September 2017 präsentierten AR-Kit diesen Weg. Googles Tango funktioniert ähnlich, benötigt aber Smartphones oder Tablets mit speziellen Kameras. Allerdings bleibt bei derartigen Lösungen immer das Problem der Handhabung, die mit AR-Brillen nicht besteht. Denn hier hat man die Hände frei.

Die meisten AR-Brillen wie AirScouter von Brother oder die Moverio-Modelle von Epson sind allerdings für professionelle Anwendungen in vertikalen Märkten bestimmt. Das ergibt sich schon durch den hohen Preis für die Brillen. Einsatzbereiche sind etwa die Unterstützung von von Monteuren beim Arbeiten durch zusätzliche Informationen oder das Fliegen von Drohnen mit dem Einspiegeln des Livebilds der Drohnenkamera. Auch in Museen werden AR-Brillen verwendet. Sie können beispielsweise zusätzliche Informationen zu Ausstellungsobjekten liefern und auch Videos abspielen.

Auch Google hat sich nach dem Misserfolg von Google Glass als Consumer-Produkt auf den professionellen Bereich verlegt. Google hatte die von Foxconn hergestellte Brille Mitte 2012 vorgestellt und Anfang 2013 eine Entwickler-Version auf den Markt gebracht. 2014 folgte der Verkauf der Brille im Rahmen eines offenen Beta-Programms. In der Brille war ein kleiner Rechner mit Android-Betriebssystem integriert, der mit Sprachkommandos und einem Mini-Trackpad im rechten Brillenbügel gesteuert wurde. Der dort ebenfalls integrierte Mini-Projektor mit einer Auflösung von 640 x 360 Pixel deckte nur einen kleinen Teil des Blickfelds ab. Für Kontroversen und die Einstellung des Projekts sorgte die in der Brille integrierte Kamera, die bei vielen Menschen die Sorge auslöste, ohne Wissen und Zustimmung gefilmt zu werden. Die Träger der Brille sahen sich daher Beschimpfungen („Glassholes") und teilweise auch körperlicher Gewalt ausgesetzt. Etliche Bars verboten Google-Glass-Trägern den Zutritt. Die Befürchtungen hinsichtlich der Google Glass nimmt auch der 2016 ausgestrahlte Spielfilm „Operation Naked" auf, den der Journalist und Dokumentarfilmer Mario Sixtus für das ZDF produziert hat. Ein weiteres Motiv für die Einstellung der Brille waren der zu schwache Prozessor, die kurze Akkulaufzeit und letztlich auch der zu hohe Preis.

Da anders als bei VR keine aufwändigen Szenerien gerendert werden und auch kein so exaktes Tracking notwendig ist, kommen AR-Systeme wie die Moverio-Modelle mit internen Rechnern aus. Die AirScouter von Brother wird dagegen über HDMI an einen Rechner angeschlossen. Allen AR-Brillen ist gemeinsam, dass sich das in die Brille gespiegelte Bild nicht in die Umgebung einfügt, sondern mit der Kopfbewegung mitbewegt. Sie sind damit nicht immersiv. Zudem nimmt das eingespiegelte Bild nur einen sehr kleinen Teil des Blickfelds ein.

Mixed Reality: Microsofts Doppelstrategie

Mit der Hololens hat Microsoft 2016 ein deutlich leistungsfähigeres AR-System vorgestellt, das virtuelle Objekte über ein halbtransparentes Display in reale Szenen einfügt. Dabei erfasst der in der Brille integrierte Windows-10-Rechner mit leistungsfähigen Sensoren seine Umwelt und ermöglicht so eine sehr genaue Positionierung und eine Interaktion zwischen virtuellen und realen Objekten. Microsoft prägte dafür den Begriff Mixed Reality (MR). Die Steuerung erfolgt durch Spracherkennung und eine Gestenerkennung mittels des integrierten Kamerasystems, das ein Weiterentwicklung der Kinect-Technik darstellt. Der für die Hololens entwickelte Rechner basiert auf einem Intel Atom x5-Z8100 und einem Holographic Processing Unit (HPU), den Microsoft speziell für die Brille entwickelt hat. Als Display dienen zwei transparente LCOS-Screens, eines vor jedem Auge. Sie decken nur einen Teil des Blickfelds ab, allerdings ist der Bereich, in dem die computergenerierten Animationen zu sehen sind, größer als bei AR-Brillen.

Auf der Hololens läuft als Betriebssystem eine spezielle Version von Windows 10. Neben speziellen 3D-Hololens-Apps und Spielen kann sie auch herkömmliche 2D-Apps ausführen, die dann in virtuellen Windows-Fenstern im Raum schweben. Gedacht ist die Hololens allerdings primär für den professionellen Einsatz beispielsweise in der Wartung oder im Showroom. So kann ein Wartungstechniker mittels Sprachsteuerung Informationen abrufen oder Geräten virtuell „unter die Haube” blicken. Auch auf der internationalen Raumstation ISS ist eine Hololens im Einsatz.

Eine neue Hololens-Generation wird frühestens Ende 2018 kommen. Neben einem größeren Sichtfeld und einer stärkeren CPU soll eine neue HPU mit AI-Coprozessor zu den Neuerungen gehören. Er soll die Erkennung von Objekten und Gesten durch Machine-Learning-Verfahren verbessern.

Mit Magic Leap gibt es eine weitere Firma, die an einer Brille arbeitet, die ähnlich wie die Hololens virtuelle Objekte in die Wahrnehmung der Realität einfügen kann. Allerdings ist über den Entwicklungsstand der Brille wenig bekannt. Intel hatte mit dem Project Alloy eine autonome Brille mit „Merged Reality"-Technik vorgestellt, die VR-Technik mit Realsense-Kameras kombiniert, um eine gemischte Realität zu schaffen. Eingebaut ist hier ein Rechner mit Core-Prozessor mit Windows 10 als Betriebssystem. Allerdings hat Intel das Projekt im September 2017 eingestellt.

Mixed Reality mit VR-Brillen

Als Produkt für Consumer ist die Hololens mit einem Preis von 3.000 Euro schlicht zu teuer. Daher entwickelte man in Redmond Spezifikationen für eine deutlich günstigere VR-Brille, die unter der Bezeichnung Windows Mixed Reality Headset an den Start geht. Diese auch als Head Mounted Displays (HMD) bezeichneten Brillen sind im Prinzip VR-Brillen, die an einen PC oder ein Notebook mit Windows 10 Fall Creators Update. Produziert wird sie von PC-Herstellern als OEM-Partnern. Die Headsets nach Microsoft-Spezifikation verwenden zwei spezielle Kameras auf der Brille für die Orientierung im Raum. Sie kommen damit ohne externe Komponenten wie Kamera oder Laserlichtquellen aus, die man erst aufstellen und justieren muss. Das erlaubt ein sehr schnelles Setup der Brillen. Praktisch ist auch, dass der Visor mit den beiden LCDs einfach hochgeklappt werden kann, ohne dass die Brille abgenommen werden muss. Kopfhörer sind im Gegensatz zu den VR-Brillen von Oculus und HTC nicht eingebaut. Die ersten MR-Brillen nach diesem Muster stammen von Acer, Asus, Dell, HP und Lenovo. Sie nutzen keine OLEDs, sondern LCDs mit einer Auflösung von 1.440 x 1.440 Pixel und einer Refresh-Rate von bis zu 90 Hz. Einen eigenständigeren Weg geht Samsung mit der MR-Brille HMD Odyssey. Die Koreaner setzen AMOLEDs mit einer Auflösung von 1.440 x 1.600 Bildpunkten ein. Zudem ist in der Brille ein Kopfhörer eingebaut. Allerdings ist die Samsung-Brille schwerer und sie lässt sich nicht hochklappen. Die in den Brillen integrierten Tracking-Kameras erfassen auch die mit LEDs ausgestatteten Controller für die beiden Hände.

Für Microsoft ist das Label „Mixed Reality” für die neuen Brillen zutreffend, auch wenn es sich eigentlich um reine VR-Headsets handelt. Greg Sullivan, Microsofts Director of Communications for Mixed Reality, erklärte das auf der IFA 2017 im Gespräch mit IT-BUSINESS damit, dass seine Firma die Plattform in den Vordergrund stelle. Alle MR-Geräte nutzen dieselbe Software, nur eben in unterschiedlicher Weise. Zudem werde es in Zukunft weitere Headsets geben, die eine Position zwischen AR und VR einnehmen. So wäre die Integration einer zusätzlichen Kamera für die Außensicht grundsätzlich möglich. Das virtuelle „Cliff House”, das als eine Art Startmenü für MR-Anwendungen dient, enthält auch Elemente, die von der Hololense bekannt sind. So lassen sich herkömmliche Windows-Anwendungen wie Bilder an virtuelle Wände hängen und ganz normal nutzen. Auch die im Raum positionierbaren 3D-Objekte werden im Cliff House geboten.

Ein weiterer Vorteil der MP-Plattform liegt laut Sullivan auch im sehr effizienten Tracking, das mit weniger Rechenleistung auskomme, als bei anderen Konzepten.

Derzeit sind VR- und MR-Brillen noch zu schwer und zu unbequem, um sie längere Zeit zu tragen. Aber es ist durchaus eine Zukunft möglich, in der wir keine PCs oder Notebooks mit Display verwenden, sondern ein leichtes und günstiges Gerät wie die Hololens, mit dem das eigene Heim oder Büro zu einer Light-Version des Holodecks wird, von dem wir seit Star Trek Next Generation träumen.

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