Erweiterte Realität

Was ist erweiterte Realität?

Bei der Technologie der erweiterten Realität werden grafische Inhalte über eine Ansicht der realen Welt integriert.

Dies geschieht über verschiedene Geräte wie Smartphones oder Smart Glasses, bei denen virtuelle Informationen und die Realität, die der Benutzer sieht, zusammengespielt werden.

Bei der Verwendung des Smartphones wird das Ergebnis auf dem Bildschirm angezeigt und das über die Kamera aufgenommene Video wird erweitert.

Bei Smart Glasses wird das Erlebnis der erweiterten Realität im Sichtfeld des Benutzers durch ein auf das Brillenglas projiziertes Bild dargestellt, wodurch ein ähnlicher Effekt wie bei einem Hologramm entsteht.

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Geschichte der erweiterten Realität

Um zu erfahren, wie und wann die Technologie der erweiterten Realität entstanden ist, muss man mit der ersten Verwendung des Konzepts beginnen, im Jahr 1901. Der Schriftsteller Frank Baum war der erste, der mit der Idee einer elektronischen Brille aufkam, und zwar mit der Fähigkeit zusätzliche Informationen über die Personen vor ihm anzuzeigen.

Die erste technologische Umsetzung die sich auf erweiterte Realität basierte kam in 1957 von Morton Heiling, einem Kinematographen, der in seinem Sensorama ein multisensorisches Erlebnis für den Benutzer vorschlug. Dieses Erlebnis war eine Summe aus visuellen, akustischen und olfaktorischen Elementen. Dies war der Anfang der Geschichte der erweiterten Realität

Im Jahr 1973 errichtete der Computerkünstler Myron W. Krueger die erste Installation von erweiterter Realität, die Videokameras mit einem Projektionssystem zusammensetzte. Er war in der Lage, eine interaktive Umgebung zu schaffen, die durch die Erkennung von Schatten und Bewegung auf die Bewegungen der Benutzer reagierte.

In den 90er Jahren tauchten sehr interessante und neue Anwendungen der erweiterten Realität auf, die dieses Konzept nutzten, um Probleme in verschiedene Bereichen wie der Industrie oder dem Design zu lösen. Tom Caudell ist hier eine sehr anerkannte Figur, denn er war derjenige, der den Begriff “Augmented Reality” einführte, um eine Anwendung zur Unterstützung der Montage von komplexen elektrischen Leitungen zu beschreiben.

Obwohl dieses Konzept schon vor vielen Jahren erfunden wurde, ist die erweiterte Realität auch heute noch eine aufkommende Technologie, die ständige technologische Fortschritte in der Datenverarbeitung und Visualisierung benötigt, um auszureifen. Dies hat zur Gründung von Firmen im Bereich erweiterte Realität geführt, die sich aufgrund der Weiterentwicklung dieser Technologien das große Potenzial zunutze machen, das erweiterte Realität in verschiedenen Sektoren hat.

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Wie funktioniert die erweiterte Realität?

Erweiterte Realität ist die Kombination aus zwei Technologien: die Bildverarbeitung und das Grafik-engine.

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Grafik-Engine

Die Grafik-Engine hat die Aufgabe den Inhalt zu rendern, typischerweise in 3D, der die erweiterte Realität darstellt. Die künstliche Sicht sorgt dafür, dass die Position der erweiterten Inhalte in der Szene korrekt ist, wodurch eine zusammenhängende und verständliche Komposition für den Benutzer entsteht.

Das wichtigste Element im grafischen Teil wäre die Bildsynthese (rendering). Dieser Prozess besteht aus der Interpretation einer dreidimensionalen Szene durch den Computer, um ein zweidimensionales Bild zu erzeugen.

Die Informationen, die verarbeitet werden, um die Bildsynthese durchzuführen, sind die Geometrie des 3D-Modells, die Eigenschaften seiner Oberfläche (Farbe und Material), die Beleuchtung der Szene und die Stellung der Kamera.

Künstliche Sicht

Es gibt verschiedene Techniken der künstlichen Sicht, die in der erweiterten Realität angewendet werden, und sie werden hauptsächlich als Tracking-Technologien bezeichnet. Es gibt viele Arten, wie zum Beispiel Gesichts-Tracking, was die Position eines Gesichts erkennt und verfolgt, oder Textur-Tracking, was ein Referenzbild in einem dreidimensionalen Koordinatensystem platziert. Die neuesten Techniken der künstlichen Sicht enthalten aktive Sensoren, die sich auf strukturiertem Licht, SLAM-Tracking oder 3D-Tracking gründen.

Damit ein Erlebnis mit erweiterten Realität erfolgreich ist, muss es in Echtzeit und ohne Verzug funktionieren. Daher muss jedes der beiden Module dies auch tun, und beide sind sehr anspruchsvoll in Bezug auf die Nutzung von Rechenressourcen. Das Bildsynthese-Modul muss in der Lage sein, etwa 60 Bilder pro Sekunde zu zeichnen, und das Tracking-Modul sollte in der Lage sein, Informationen aus 60 Bildern pro Sekunde zu analysieren und zu extrahieren.

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Formen der erweiterten Realität

Je nach dem Gerät, mit dem die erweiterte Realität erzeugt und erlebt wird, können drei Arten unterschieden werden.

Erweiterte Realität auf Personal Computer

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Ungefähr im Jahr 2006, dank den Fortschritten in der Videospielwelt, begannen die Computer leistungsfähigere Prozessoren und dedizierte Grafikkarten einzubauen, was zum ersten Mal die Entwicklung von qualitativ hochwertigen erweiterte-Realität-Erlebnissen zu einem guten Preis ermöglichte.

Damals waren die Anwendungen der erweiterten Realität vor allem im Marketingbereich sehr beliebt, zum Beispiel an der Verkaufsstelle, bei Veranstaltungen und Roadshows, aber auch durch ihre integration in Webseiten. Werbekampagnen nutzten diese Technologie und ihr Wow-Effekt um neue Produkte zu fördern und Benutzer zu Erlebnissen einzuladen, bei denen sich Digitales und Reales vermischten.

Erweiterte Realität auf Smartphone und Tablet

Die soziale und technologische Revolution, die durch Smartphones ausgelöst wurde, förderte die Entwicklung der erweiterten Realität. Smartphones, und schließlich auch Tablets, erlaubten einen einfachen Zugang zu erweiterte-Realität-Erlebnissen, und von überall aus. Zwischen 2009 und 2010 hatten Smartphones genug Rechenleistung, um leistungsstarke erweiterte-Realität-Apps auszuführen.

Es ist ersichtlich, dass die ersten Apps in Verbindung mit Zeitschriften, Katalogen oder Werbeplakaten erschienen. Natürlich wurden diese auch in anderen Sektoren wie dem Tourismus eingesetzt, wo man die Stadtinformationen auf die Handykamera überlagerte, unter Berücksichtigung der Orientierung und dem Standort des Benutzers, dank des Geolocation-Systems und der mobilen Sensoren. Andererseits entstanden Unternehmen, die sich auf Schulung und Unterhaltung fokussierten. Diese erzeugten die ersten erweiterte-Realität-Videospiele und die ersten interaktiven erweiterten Anleitungen.

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Erweiterte Realität durch Brillen und Visiere

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Das erste Visier, das als erweiterte-Realität-Gerät bekannt wurde, war die Google Glasses im Jahr 2012. Doch trotz des großen medialen und technischen Aufwands, war das Projekt nicht sehr erfolgreich und kam letztendlich zum Stillstand. Dies war jedoch ein großer erster Schritt für erweiterte Realität, da ab diesem Zeitpunkt klar wurde, dass die Zukunft dieser Technologie mit einer Brille verbunden sein würde.

Eine weitere Brille, die fast zeitgleich mit Google Glasses auf den Markt kam, war die Epson Moverio BT-100. Das Produkt enthielt Mikroprojektoren, die dem Benutzer eine der ersten “see through”-Erfahrungen in Brillen ermöglichte. Der Benutzer kann ganz natürlich durch die Brille sehen, aber auch gleichzeitig den virtuellen Inhalt, der auf das Visier projiziert wird.

Im Jahr 2016 brachte Microsoft das Gerät Hololens 1 auf den Markt: eine komplette, auf erweiterte Realität ausgerichtete Computing-Plattform. In diesem Produkt wurde eine Vielzahl von Sensoren und Technologien integriert, die es ermöglichen, die Umgebung oder die Aktivität des Benutzers zu erkennen, um die Erfahrung des Benutzers deutlich zu verbessern. Das Gerät hatte einen solchen Einfluss, dass man sogar begann, einen neuen Begriff zu verwenden, um seine Hauptfunktion zu benennen: Mixed Reality. In Wahrheit unterscheidet sich diese neue Bezeichnung nicht viel von der traditionellen erweiterten Realität. Der Hauptunterschied liegt in der Fähigkeit der Hololens Brille, virtuelle Elemente intelligent im realen Raum zu platzieren, dank des 3D-Modells der Umgebung, das während der Nutzung erzeugt wird.

Später wurden neue Modelle von erweiterten-Realität-Brillen auf den Markt gebracht, wie zum Beispiel Magic Leap, Hololens 2 oder Nreal, die die Stärke dieser neuen Technologiebranche bestätigen. Die größten Herausforderungen bestehen jetzt dabei, die Kosten dieser Brillen für den Massenmarkt zu senken und mehr Apps zu entwickeln die die Fähigkeiten der erweiterten Realität nutzen, um unser tägliches Leben zu verbessern und erleichtern.

Bei Innovae haben wir zwei Produkte, die auf Augmented Reality beruhen. Dabei werden Augmented-Reality-Brillen verwendet, um den Wartungsprozess durch einen Prozessleitfaden und eine technische Telecare durchzuführen.

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Unterschiede zwischen virtuelle Realität und erweiterte Realität

Seitdem erweiterte-Realität-Brillen benutzt werden, werden diese beiden Technologien oft verwechselt. Der Hauptunterschied liegt wesentlich in der Intensität des immersiven Erlebnisses.

Maximale Immersion wird erlebt, wenn alle Empfindungen des Benutzers virtuell sind, also mit dem Computer erzeugt werden. Dies wäre der Fall bei virtuellen Realität und den “geschlossenen” Videobrillen, die es nicht erlauben Sachen zu sehen, die außerhalb der geschaffenen virtuellen Umgebung passieren.

Im Fall der erweiterten-Realität-Brille, überlagert diese die Informationen an dem Ort, an dem wir uns befinden, so dass immer noch ein direkter Kontakt mit der Umgebung und den Hindernissen im physischen Raum besteht.

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Die Anwendungen von virtueller und erweiterter Realität sind sehr unterschiedlich, gerade wegen dem Unterschied in der Immersionsfähigkeit.

Theoretisch wird die erweiterte Realität mehr Anwendungsmöglichkeiten haben als virtuellen Realität, da sie in jeden Bereich unseres Lebens integriert werden kann, weil sie die Erfahrungen und Prozesse bereichert.

Die virtuelle Realität hingegen ermöglicht es uns, Erfahrungen in einer kontrollierten Umgebung zu simulieren und erleben. Um sie gut auszunutzen, müssen wir unsere Gewohnheiten und Bräuche radikaler ändern als bei der erweiterten Realität.

Hauptvorteile der erweiterten Realität

Erweiterte Realität ist eine Technologie, die uns eine verbesserte Schnittstelle für den Zugriff auf Informationen oder Dienste bietet.

Es ermöglicht dem Benutzer, schnell und einfach auf die benötigten Informationen zuzugreifen, und das von überall aus und freihändig.

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Schneller Zugang auf Informationen durch die Erkennung von kalibrierten visuellen Mustern.

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Hochwertige 3D-Inhalte und Animationen, die in die physische Umgebung integriert sind.

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Multimodale Benutzeroberflächen, die es ermöglichen, durch Gesten und Sprache mit den Anwendungen zu interagieren.

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Empfindlichkeit gegenüber der Umgebung und dem Standort, so dass sich der Inhalt, also die Informationen, je nach der Aktivität des Benutzers ändert.

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Es bereichert die tägliche Aktivität durch nützliche, erweiterte Informationen, die jeder Situation anpassbar sind.

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Aktuelle Anwendungsbereiche der erweiterten Realität

Die erweiterte Realität ist sehr vielfältig einsetzbar und man kann sie in verschiedenen Anwendungskontexten nutzen, um das Endergebnis zu verbessern.

Einige Beispiele für erweiterte Realität sind die folgenden.

Marketing

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Print- und Convenience-Werbung ist ein üblicher Weg, um Marken und Produkte zu bewerben. Eine häufige Anwendung von erweiterten Realität besteht darin, diese Anzeigen mit einer mobilen App, die über die Market Stores veröffentlicht wird, zu erweitern. Die App bietet zusätzliche Inhalte wie Videos oder 3D-Animationen, Rabatte, Geschenke und mehr.

Es besteht auch die Möglichkeit, direkt die Produkte zu erweitern. In einem Autohaus kann man zum Beispiel die Autos digital zur Vorzeige überlagern und zusätzliche Informationen bereitstellen, um optionale Ausstattungen oder nicht sichtbare Motorteile anzuzeigen.

Erweiterte Kataloge sind im Marketing auch sehr verbreitet. Sie bieten dem Anwender zusätzliche Informationen, um besser zu verstehen, wie ein Produkt funktioniert, wie man es zusammensetzen muss oder wie es in ein größeres Ganzes integriert ist.

Schulung

Es gibt viele Möglichkeiten, erweiterte Realität zur Verbesserung der Schulung einzusetzen.

Wir sind es gewohnt, bei der Handhabung von physischen Elementen die Betriebsanleitung auf Papier zu haben, beispielsweise beim Zusammenbau eines Möbelstücks oder bei der Bedienung einer Maschine.

Für solche Fälle bietet die erweiterte Realität durch Brillen viele Erleichterungen, da wir dann nicht nur die Hände für die Montage frei haben, sondern die Informationen auch im realen Raum vergrößert werden, oder sogar auf dem zu bedienenden Objekt überlagert werden.

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Schulbildung

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Traditionelle Lehrbücher werden ins Hintertreffen geraten, wenn erweiterte Realität eingesetzt wird um Anatomie-, Chemie- oder Geschichtsunterricht interaktiv und in 3D zu erleben und lernen.

Die Möglichkeit, dreidimensionale Informationen mit Bildungsinhalten zu verknüpfen, kann den Verständnis der verschiedenen Fächer erleichtern.

Die Anwendung von erweiterter Realität in der Schulbildungswelt ist ebenfalls interessant, weil sie den Schülern eine interaktive Umgebung mit Wissen und Lernen bietet.

Die Freiheit, die 3D-Elemente zu manipulieren und mit ihnen zu interagieren oder die Szenen zu erkunden ist sehr unterhaltsam und kann die Schüler motivieren, wodurch auch das Lerntempo erhöht wird.

Industrie 4.0

Die Industrie ist einer der Sektoren, in denen erweiterte Realität früher eingesetzt wird.

Erweiterte Realität ist sehr praktisch für Bereiche wie Wartung/Instandhaltung, Montageunterstützung oder Qualitätskontrolle.

Die Hauptanwendung dieser Technologie bezieht sich auf die Darstellung von schrittweise geführten Verfahren, die dem Bediener nahebringen, wie er eine Montage oder Reparatur durchführen muss. Auch fernbediente Assistenzsysteme, die die Lösung von Vorfällen aus der Ferne erleichtern, werden immer häufiger, da ein Experte dank der erweiterten Anweisungen effektiver helfen kann.

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Medizin

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Einer der vielversprechendsten Aspekte von der erweiterten Realität ist ihre Fähigkeit, Dinge zu zeigen, die mit den eigenen Augen nicht sichtbar sind. Für die Medizin ist dies sehr nützlich.

Zum Beispiel könnte ein Chirurg vergrößerte Informationen über den Patienten sehen, während er die Operation durchführt. Dank der Verwendung von erweiterte-Realität-Medizinbildern (CT, Röntgen oder MRT) könnte man auch Hilfslinien auf den Körper des Patienten anzeigen, um die Operation zu erleichtern.

Ein großer Vorteil der erweiterte-Realität-Brille für den chirurgischen Bereich ist, dass sie durch Sprache und Gesten bedient werden kann. Es ist also nicht notwendig, etwas zu berühren, und dadurch behindert es auch nicht das vorgeschriebene Sterilisationsystem im Operationssaal.

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