Geprägt wurde der Begriff Virtual Reality von dem Autor Bamien Broderik in seinem 1982 erschienenen SF-Roman The Judas Mandala
\section{Virtuelle Realität}
Geprägt wurde der Begriff Virtual Reality (VR) von dem Autor Bamien Broderik in seinem 1982 erschienenen SF-Roman The Judas Mandala \cite{broderick1982judas}.
Eine einheitliche Definition des Begriffs gibt es nicht.
Milgram et al. \cite{doi} definieren eine VR-Umgebung als eine Umgebung in der ein Nutzer komplett in eine künstliche Welt abtaucht.
Dies künstliche Welt kann versuchen die realität zu imitieren, aber kann auch die Grenzen der Realität überschreiten.
Physikalische Gesetze wie Zeit, Gravitation und Materialeigenschaften können verändert und manipuliert werden.
Brooks \cite{799723} definiert eine VR Erfahrung als eine , in der der Benutzer effekitv in eine reagierende virtuelle Welt eintaucht ist.
Das Impliziert eine dynamische Steuerung des Sichtfeldes durch den Nutzer.
Heim \cite{heim2000virtual} definiert Virtual Reality über dei drei ``I''s: Interaktion, Immersion und Informationsintensität.
Die Immersion beschreibt wie stark ein Nutzer in eine virtuelle Welt eintaucht.
Immersion wird laut Heim durch einem Gerät das alle Sinne ausreichend abgeschirmt erreicht, sodass die Person sich fühlt, als wäre sie an einen andern Ort transportiert worden.
Interaktion beschreibt nach Heim die Fähigkeit eines Computers die Perspektive der Szene so schnell anzupassen wie ein Nutzer seine physikalische Position und Perspektive anpassen kann.
Interaktion ist darüber hinaus die Fähigkeit Nutzereingaben zu erkennen und die virtuelle Welt entsprechend in Echtzeit zu ändern \cite{nalbantinteraction}.
Die Informationsintensität ist der Begriff, das eine Birtuelle Welt spezielle Qualitäte mit sich bringen kann, wie Telepräsenz und künstliche Intelligenz.
Durch Konstantes updaten der Informationen unterstützt die Immersion und Interaktion des Systems \cite{heim2000virtual}.
VR ermöglicht es Inhalte in 3D darzustellen. Dies kann zu einem besseren Verständnis der Daten führen durch Wahrnehmungsphänomene wie Kopfbewegungsparallaxe, kinetische Tiefenwirkung und Stereopsis \cite{Mine95virtualenvironment}.
So kann ein VR System zum Beispiel zum Training von Personen welche Blick-Inspektionen an Flugzeugen durchführen sollen, genutzt werden. Durhc die VR umgebung kann auf ein echtes Flugzeig verzichtet werden. Dieses System wurde von Vora et al. untersucht \cite{VORA2002559}.
Auch Design und Produktionskosten können durch VR gespart werden. Zum Biepiel kann VR als Werkzeug zur Überprüfung eines Produktiosnprozesses verwendet werden\cite{GOMESDESA1999389}
Hierbei werden Prototypen in VR visualisiert und müssen nicht mehr gefertigt werden.
Als Schlüsseltechnologien für VR nennt Brooks \cite{799723} Optische, akustische udn haptische Displays, die den Nutzer in die virtuelle Welt eintauchen lassen und die echte Welt ausblenden.
Hierfür wird ein grafisches Rendering System benötigt und ein Tracking System das die aktuelle Position und Orientierung des Kopfes und der Extremitäten des Nutzers bestimmt.
Zusätzlich wird ein System benötigt das die Virtuelle Welt aufbaut und simuliert.
Brooks nennt 2zwei Display Technologien die sich für dei Darstellung von Virtuellen Welten eignen.
Head Mounted Displays (HMD) sind Systeme bei denen sich Bildschirme zur Darstellung der VR Welt direkt vor den Augen des Betrachters befinden und auf dem Kopf getragen werden.
CAVE-artige Systeme haben Projektionsflächen um den Nutzer herum auf denen die Virtuelle Welt dargestellt wird.
Bei aktueller kommerziellen VR Systemen werden fast ausschließlich HMD's verwendet. Diese sind mobiler und günstiger.
CAVE-artige Systeme sind häufig bei Flug und Fahrsimulatoren im Einsatz.
Aktuelle kommerzielle HMDs lassen sich in 2 Gruppen einteilen.
Die Günstigen Systeme sind meistens Halterungen in die ein aktuelles Smartphone eingelegt werden kann (Google Daydream \cite{dayd}, Samsung Gear VR \cite{samsung}, etc.).
Auf dem Display wird nebeneinander für jedes Auge das Bild dargestellt und mit speziellen Linsen so verzerrt, das ein VR Eindruck entsteht.
Durch Sensoren in den Smartphones kann die Kopfbewegung des Nutzers registriert werden und der entsprechende Ausschnitt der VR Welt gezeigt werden.
Interaktionsmöglichkeiten sind der länger Blickkontakt auf ein Objekt oder extra dafür vorgesehene Knöpfe an den Halterungen.
Bei Samsung Gear VR kann zusätzlich eine Controller benutzt werden.
Die Zweite Gruppe der HMDs sind leistungstake Systeme. Hierbei ist das Display fest in dem Headset montiert.
Durch besserer Trackingsysteme wird meist zusätzlich ermöglicht das sich die Nutzer sich nicht nur umschauen kann, sonder auch das die Positon des Kopfes getrackt wird.
Damit steht der Benutzer nicht mehr fest an einem Punkt sonder kann sich frei im Raum bewegen und diese Bewegung wird in die virtuelle Welt übertragen.
Das simuliern der Welt übernimmt hierbei ein stationärer leistungsstarker Computer oder eine Console die per Kabel mit dem HMD verbunden sind.
Die Oculus Rift \cite{occulus} und die Playstation VR \cite{Playstation VR} nutzen für das Tracking ein Kamera System.
Hierzu werden mindesten 2 Kameras genutzt um optische Marker an den HMDS zu registrieren.
Aus den Aufnahmen der Kameras lässt sich die Kopfposition und Orientierung errechnen.
Oculus udn Playstation VR unterstützen das Benutzen von Optisch getrackten Controllern.
Diese ermögliche das Trakcen der Hände in denen sie gehalten werden und bieten zusätzliche Tasten zur Interaktion mit der Virtuellen Welt.
Die HTC Vive\cite{vive} nutzt das dafür entwickelte Lighthouse Trackign System. Durch 2 passive, Laser emittierende, fest montierte Basistationen können die Geräte ihre Position und Rotation im Raum errechnen.
Es wird ebenfalls ein getrackter Controller pro Hand verwendet. Die Vive und das Lighthouse Tracking System werden im Kapitel \ref{\label{sect:vive}} genauer vorgestellt.
Ein Nachteil von HMD's ist der Tragekomfort: Die Dislays sind schwer und durch die Abschirmung der Außenwelt wird es unter den Brillen schnell sehr warm.
Ein generelles Problem mit VR Technologien ist die Motion Sickness.
Die Symptome ähneln einer Seekrankheit, wie Schwindel und Übelkeit.
Effekt stärke und Auftreten ist hierbei stark von dem jeweiligen Nutzer und der VR Welt abhängig.
Deshalb sollten einige Richtlinien beim Entwickeln eines VR Systems eingehalten werden \cite{vrBest}.
Richtlinen sind zum Beipiel das aufrechterhalten einer hohen Framerate(min 60+FPS),
keine Kameras die vom Virtuellen Körper losgelöst werden und keine unnatürlichen Kamerabewegungen wie ein schüttelnder Kamera bei Explosionen oder beim jedem Schritt des virtuellen Laufens.
In diesem Unterkapitel wird verwendete Hardware und Software vorgestellt.
\subsection{HTC Vive und Lighthouse Tracking}
\label{sect:vive}
Die HTC Vive ist im Kern ein Head-Mounted Display (HMD), das von HTC in Kooperation mit Valve seit April 2016 produziert und verkauft wird.
Das System besteht aus dem HMD, zwei Controllern und zwei Basistationen.
Für den Betrieb wird zusätzlich ein leistungsstarker Computer benötigt, der das Simulieren und Rendern der virtuellen Welt übernimmt.
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@@ -86,7 +128,6 @@ Die USB Daten werden per WLAN übertragen, das Bild mit einer speziell dafür en
Als Bibliothek zur Kommunikation mit der HTC Vive wird das OpenVR verwendet.
Die OpenVR API von Valve erlaubt es, auf VR Hardware von verschiedenen Herstellern zuzugreifen.
Unter anderem wird auch SteamVR und damit die HTC Vive unterstützt. % @@@ verstehe ich nicht. vive unterstützt vive. Was ist das besondere?
Die Genauigkeit des Lighthouse Trackings wurde in einigen Arbeiten untersucht.
Das HMD zittert in Ruhelage mit einer Basistation um 0,3mm und mit 2 Basistation erhöht sich diese Ungenauigkeit auf 2,1mm \cite{lighthouseAccuracy}.
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@@ -96,6 +137,7 @@ Die Präzision des Vive trackings wurde auch untersucht.
\cite{lighthouseAccuracy} spricht von einem durchschnittlichen Fehler von 1,5 -1,9 mm beim wiederholten Positionieren an Punkten entlang eines Maßstabs.
