Virtuelle Realität

mini|Fallschirmspringer der US Navy übt mit einem Head-Mounted Display (HMD) virtuell das Fallschirmspringen Als virtuelle Realität, kurz VR, wird die Darstellung und gleichzeitige Wahrnehmung einer scheinbaren Wirklichkeit und ihrer physikalischen Eigenschaften in einer in Echtzeit computergenerierten, interaktiven virtuellen Umgebung bezeichnet.

Geprägt wurde der Begriff Virtuelle Realität von dem Autor Damien Broderick in seinem 1982 erschienenen SF-Roman . 1987 erschien der Begriff erstmals als theoretisches Konzept im Oxford English Dictionary.Vor dem Internet kam der Dungeon Telepolis, 20. Oktober 2013, abgerufen am 21. Oktober 2013

Mittlerweile ist Virtual Reality Teilbestand des übergeordneten Sammelbegriffs Extended Reality (XR), welcher noch weitere immersive Medien mit hohem Grad an Immersion (Mixed Reality und Augmented Reality) unter sich vereint.

Der hohe Grad an Immersion in VR kann zu temporären Erkrankungen führen, die der Seekrankheit ähneln und VR-Krankheit oder Simulator-Krankheit heißen.

Anforderungen Beim Erstellen einer virtuellen Welt kann man einige Anforderungen definieren, die erfüllt werden sollten. Einige mögliche Anforderungen sind zum Beispiel Immersion, Plausibilität, Interaktivität und Wiedergabetreue.

Immersion beschreibt die Einbettung des Nutzers in die virtuelle Welt. Die Wahrnehmung der eigenen Person in der realen Welt wird vermindert, und der Nutzer fühlt sich mehr als Person in der virtuellen Welt. Je immersiver eine VR-Erfahrung ist, desto realistischer fühlt sie sich für den Nutzer an. Dies lässt sich durch eine anspruchsvolle und spannende Gestaltung der virtuellen Welt erreichen, zum Beispiel durch eine hohe Anzahl der möglichen Aktionen in dem System.

Eine virtuelle Welt wird als plausibel angesehen, wenn die Interaktion in ihr logisch und stimmig ist. Dies betrifft einerseits das Gefühl des Nutzers, dass die eigenen Aktionen auf die virtuelle Umgebung Einfluss haben, andererseits jedoch auch den Sachverhalt, dass die Ereignisse in der Umgebung die Sinne des Nutzers beeinflussen, er also in der Welt agieren kann. Durch diese Interaktivität wird die Illusion geschaffen, dass das, was zu passieren scheint, tatsächlich geschieht.

Wiedergabetreue wird erreicht, wenn die virtuelle Umgebung genau und naturgetreu gestaltet wird. Dies geschieht, wenn die virtuelle Welt Eigenschaften einer natürlichen Welt abbildet. Dem Nutzer erscheint diese dann glaubwürdig.

Ein häufiges Problem bei VR ist etwa motion sickness (etwa „Bewegungsübelkeit“): Benutzern kann schwindelig werden, wenn die real empfundene von der virtuell gesehenen Beschleunigung abweicht. Dies kann der Fall sein, wenn der reale zur Verfügung stehende Raum kleiner als der virtuelle Raum ist, in dem sich ein Benutzer bewegen kann.Walking in Telepresence: Motion Compression, youtube.com, 28. November 2013, abgerufen am 10. Mai 2016

Meilensteine Visuelle Strategien heutiger Illusionstechniken lassen sich von der Antike bis zur Gegenwart paradigmatisch verfolgen. So ist beispielsweise ein Bildfries in der Villa dei Misteri in Pompeji aus dem Jahre 60 v. Chr. ein den Betrachter vollständig umgebendes 360-Grad-Rundbild. Rundpanoramen waren auch im 19. Jahrhundert sehr beliebte Massenunterhaltungen.

Der erste Entwurf eines VR-Systems stammt von Morton Heilig (1956), der eine Apparatur namens Sensorama entwickelte, die das „Cinema of the Future“ werden sollte.

Im Jahr 1965 entwickelte der Harvard-Student Ivan Sutherland das Konzept des „Ultimate Display“, welches die Basis für die heutige VR-Technik beschrieb. Drei Jahre später veröffentlichte Sutherland das Buch A Head-Mounted-Three Dimensional Display welches grundlegend für die Entwicklung von Head-Mounted-Displays war. Dieses verwirklichte er mit Hilfe eines am Kopf getragenes visuelles Ausgabegeräts in Verbindung mit einem hierüber befestigten mechanischen Tracking-Systems (das sogenannte „Sword of Damocles“, welches fälschlicherweise oft als Bezeichnung für das HMD verwendet wird), das am Rechner erzeugte Bilder auf einem augennahen Bildschirm darstellte und damit das Fenster in eine virtuelle Welt suggerieren sollte.

Eine Alternative zu den am Kopf befestigten HMDs wurde 1992 mit der Visual Experience CAVE an der University of Illinois entwickelt. Aufgrund der hohen Kosten, des hohen Platzbedarfs, des hohen Rechenaufwands und der eingeschränkten Bewegungsfreiheit des Nutzers kamen sie jedoch nur bei großen Unternehmen im Bereich des Produkt-Designs zur Anwendung.

Nintendo brachte 1995 den „Virtual Boy“ auf den Markt, jedoch bereiteten die zu geringen Rechnerkapazitäten und leistungsschwachen Grafikkarten noch große Probleme, sodass der Versuch an zu schlechter Bildqualität und Auflösung scheiterte. Im Jahr 2012 läutete das Startup Oculus VR mit der Vorstellung der Oculus Rift eine neue Ära im Bereich der Virtual-Reality-Entwicklung ein.

Die United States Army führte 2012 mit dem Dismounted Soldier Training System (DSTS) das weltweit erste virtuelle und immersive Trainingssystem für Infanteriesoldaten ein.Samuel Greengard: Virtual Reality, Verlag MIT Press, 2019, ISBN 978-0-262-35469-1, S. 25. Wegen verschiedener Probleme und Einschränkungen wurde das DSTS jedoch bereits 2015 aus dem aktiven Dienst entfernt.US Navy Cautiously Embracing XR, Military Simulation & Training Magazine, Juni 2019 (englisch).

Aufgrund der gestiegenen Verkaufszahlen von VR Headsets stieg der VR-Softwaremarkt ebenfalls kontinuierlich an. So wurde beispielsweise 2024 ein bis 2029 weiter steigendes Jahreswachstum von 7,71 % prognostiziert. Dies führte in Deutschland u. a. zum Aufbau von spezialisierten Studiengängen und zur Einführung des Gestalters für immersive Medien, einen staatlich anerkannten Ausbildungsberuf zur Konzeption, Gestaltung und Erstellung immersiver Medienprodukte, wie auch 3D-Anwendung für VR.

Hardware Virtual-Reality-Headsets Um ein Gefühl der Immersion zu erzeugen, werden zur Darstellung virtueller Welten spezielle Ausgabegeräte namens Virtual-Reality-Headsets benötigt. Bekannt sind vor allem die Oculus Rift und HTC Vive. Um einen räumlichen Eindruck zu vermitteln, werden zwei Bilder aus unterschiedlichen Perspektiven erzeugt und dargestellt (Stereoprojektion). Um das jeweilige Bild dem richtigen Auge zuzuführen, existieren verschiedene Technologien. Man unterscheidet aktive (z. B. Shutterbrillen) und passive Technologien (z. B. Polfilter oder Infitec).

Während die ersten VR-Headsets immer auf einen PC angewiesen waren, gibt es mittlerweile auch so genannte Standalone-VR-Headsets. Diese funktionieren gänzlich autark. Das heißt, sie kommen ohne einen PC und Stromanschluss aus und sind somit auch kabellos und per Akku mobil nutzbar. Die Leistung ist im Vergleich zu einem Headset mit PC-Verbindung geringer, kann aber ebenfalls verhältnismäßig grafikintensive virtuelle Umgebungen darstellen. Ein Beispiel für ein solches Standalone-VR-Headset ist Meta Quest 2.

Mit der virtuellen Welt lässt sich über spezielle Eingabegeräte interagieren. Zu nennen sind hier unter anderem 3D-Maus, Datenhandschuh und Flystick sowie das omnidirektionale Laufband, mit welchem das Gehen im virtuellen Raum durch reale Gehbewegungen gesteuert wird. Manche Systeme kommen jedoch ganz ohne externe Eingabegeräte aus und lassen sich beispielsweise nur über Handgesten oder Knöpfe am Headset steuern.

mini|Ein omnidirektionales Laufband, der Cyberith Virtualizer, auf der Gamescom 2013 Der Flystick wird zur Navigation mit einem optischen Trackingsystem genutzt, wobei Infrarot-Kameras durch Erfassung von Markern am Flystick permanent die Position im Raum an das VR-System melden, damit sich der Benutzer ohne Verkabelung frei bewegen kann. Optische Trackingsysteme können auch für die Erfassung von Werkzeugen und kompletten Menschmodellen eingesetzt werden, um diese innerhalb des VR-Szenarios in Echtzeit manipulieren zu können.

Einige Eingabegeräte vermitteln dem Benutzer eine Kraftrückkopplung auf die Hände oder andere Körperteile (Force Feedback), sodass der Mensch sich durch die Haptik und Sensorik als weitere Sinnesempfindungen in der dreidimensionalen Welt orientieren und realitätsnahe Simulationen durchführen kann.

Cave Automatic Virtual Environment Als Alternative zum VR-Headset bietet das Cave Automatic Virtual Environment (CAVE) einen VR-Raum bei dem die virtuelle Realität auf die Wände projiziert wird.

360-Grad-Kamera VR-Kameras geben dem Benutzer die Möglichkeit, Erlebtes in einen 360-Grad-Panoramabild-Film zu verpacken. Dieser kann im Nachhinein über eine Smartphone-VR-Brille oder eine Gamingbrille am PC abgespielt werden. Dem Zuschauer gibt sie das Gefühl von Nähe zum Geschehen. 360-Grad-Kameras sind seit 2015 auf dem deutschen Markt erhältlich. Auch in der Filmbranche sind die virtuellen Filme angekommen. In Filmtrailern und Kurzclips werden 360-Grad-Kameraaufnahmen mit virtuellen Elementen vermischt. So ist es möglich, auch echte Videoausschnitte mit Programmen, wie etwa Aftereffects, zu bearbeiten und Realität und Fiktion zu verschmelzen.

360-Grad-Kamera-Techniken Virtual-Reality-Kameras zur Aufnahme von 360-Grad-Videos gibt es in verschiedenen Formaten. Ausschlaggebend dabei ist die Linsenanzahl, welche in der Kamera verbaut ist. Kameras mit einer Linse besitzen das Fisheye-Prinzip. Dabei filmen die Kameras im Winkel von 360 × 235 Grad, sodass kein vollständiges 360-Grad-Bild entsteht und eine schwarze Stelle im Bild auf der VR-Brille zu erkennen ist. Weitere Kameramodelle besitzen 2 Linsen (z. B. Insta360 One X2 oder Ricoh Theta), welche dicht gegenüberliegend verbaut sind. Diese VR-Kameras erzeugen ein vollsphärisches und lückenloses Bild. Bei dieser Technik werden die Bilder über eine spezielle Software zusammengefügt. 360-Grad-Kameras mit zwei Linsen weisen derzeit noch Probleme auf, was das Zusammennähen der zwei aufgenommenen Bilder angeht. Das heißt, die Naht, die beide Bilder zu einem zusammenfügen soll, ist oft noch sichtbar.

Weitere Kameramodelle haben mehr als zwei Linsen. Modelle wie die Panono besitzen eine Vielzahl von Kameralinsen. Diese werden wie bei Dual-Lense-Kameras über Kamerasoftware gestitched. Auch die ersten 3D-360-Grad-Kameras sorgen für VR-Ansichten in 3D, was die Aufnahmen noch realistischer wirken lässt. Zudem können 360 Grad Bilder über die Verbindung mehrerer Kameras erstellt werden. Kamera-Rigs dienen meist zur Befestigung von 6 herkömmlichen Actioncams. GoPro stellte eins der ersten Kamera-Rigs her. Diese gibt es in verschiedenen Ausführungen und verbindet mehrere Einzelkameras. Aufgebaut sind diese wie ein Würfel. In diesem Würfel werden die Kameras platziert und nehmen die Umgebung nach allen Richtungen hin auf. Werden mehrere „normale“ Kameras in einem Verbund zusammengeschlossen, so spricht man von mosaikbasierten Kameras. Jede dieser Kameras nimmt dabei einen kleinen Bereich der Umgebung auf. Anschließend werden die Einzelbilder wie Mosaiksteine aneinandergefügt, sodass ein omnidirektionales Gesamtbild entsteht. Die Anzahl der dabei zu benutzenden Kameras ist abhängig von der Brennweite der eingesetzten Objektive. Je geringer diese ist, desto größer ist der Blickwinkel und desto weniger Kameras müssen eingesetzt werden.

Herstellerübersicht mit Modellen Meta (ehemals Facebook) (Oculus Rift, Oculus Rift S, Oculus Go, Oculus Quest, Oculus Quest 2, Meta Quest 3) Google (Google Cardboard, Google Daydream) HTC (HTC Vive, Vive Pro, Vive Cosmos, Vive Focus, Vive Elite XR) Lenovo (Lenovo Explorer für Windows Mixed Reality und Lenovo Mirage Solo für Google Daydream) Microsoft (Microsoft HoloLens, Windows Mixed Reality) Pico (Pico G2, Pico G3, Pico Neo 3, Pico 4) Pimax (Pimax 4K, Pimax 5K, Pimax 8K) Razer (OSVR Hacker Dev Kit) Samsung (Samsung Gear VR, Samsung Odyssey) Sony Computer Entertainment (PlayStation VR, PS VR2) Starbreeze Studios (StarVR) Valve (Valve Index) Apple (Vision Pro)

Software mini|Interaktion mit Flystick und 6DoF Force-feedback in Mehrseitenprojektion