Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Untersuchungen zur
ergonomischen Gestaltung
von VR-Systemen
von
Andreas Pusch
verfasst im WS 2003/2004
Diplomarbeit im Studiengang Medieninformatik
des Fachbereichs Digitale Medien an der Fachhochschule Furtwangen
in Zusammenarbeit mit dem
Fraunhofer Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation in Stuttgart
Betreuer:
Koreferent:
Institutsbetreuer:
Prof. Arthur Schrödinger
Prof. Daniel Fetzner
Frank Haselberger
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ii

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Erklärung gemäß §27, Absatz 1 der Studien- und Prüfungsordnung
für Diplom-Studiengänge der FH Furtwangen
Ich erkläre hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Diplomarbeit
selbständig und ohne unzulässige fremde Hilfe angefertigt habe. Alle
verwendeten Quellen und Hilfsmittel sind angegeben.
Furtwangen, den ________________________
Andreas Pusch
iii

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Inhaltsverzeichnis
I Einleitung 1
1 Theoretische Vorbetrachtung 2
1.1 Arbeitswissenschaft 2
1.1.1 Ergonomie 4
1.1.2 Arbeitsgestaltung 5
1.2 VR/VE 6
1.2.1 Grafikrechner 8
1.2.2 Eingabegeräte 10
1.2.3 Ausgabegeräte 17
1.2.4 Erzeugung der 3D-Wahrnehmung 23
1.2.5 Relevante Systeme 33
1.3 Erleben virtueller Umgebungen 38
1.3.1 Immersion 38
1.3.2 Präsenz 39
1.3.3 Aftereffects 42
1.3.4 Interaktion 43
1.4 Pionierforschungsobjekt VR-Ergonomie 45
1.4.1 Evolution im Bereich VR-Ergonomie 46
1.4.2 Relevanzfaktoren 47
2 Richtlinienbewertung und Maßnahmenentwicklung im VR/VE-Umfeld 49
2.1 Rückblick auf Vorarbeiten, Voraussetzungen, Defizite 49
2.2 Finalisierung der Richtlinienbewertung 50
2.2.1 Relevante Richtlinien und Normen 53
2.2.2 Anforderungskataloge 54
2.2.2.1 Hardware und Umgebung 55
2.2.2.2 Software 55
2.2.2.3 Arbeitspsychologie 56
2.3 Strategien zur Maßnahmenentwicklung 56
2.3.1 Systembezogene Erfüllungserhebung 56
2.3.2 Konzept zu Maßnahmenkatalogen 57
2.3.2.1 Hardware und Umgebung 58
2.3.2.2 Software 62
2.3.2.3 Arbeitspsychologie 64
2.4 Konsequenzen aus den Untersuchungsergebnissen 66
2.4.1 VR-Ergonomie als interdisziplinäres Forschungsobjekt 66
2.4.2 Notwendigkeit der Systematisierung von Erhebungsprozessen 67
2.4.3 Umgang mit normativen Defiziten 67
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3 Systematisierung der Anforderungs- und Maßnahmenerhebung, 68
anwendungsspezifische ergonomiebezogene VR-Systembewertung
3.1 Systematiken zur Anforderungs- und Maßnahmenerhebung 69
3.1.1 Systematisierungsmethoden 69
3.1.2 Anforderungserhebung 70
3.1.3 Maßnahmenerhebung 74
3.2 Konzept zur systematischen, qualitativen Bewertung virtueller, 78
immersiver Systeme
3.2.1 Bewertungsrelevanzen 79
3.2.2 Formalistisches Bewertungsmodell 81
3.3 Schlussfolgerungen 83
4 Praktische Schwerpunktbetrachtungen 84
4.1 Zielsetzungen 84
4.2 Untersuchungsbeispiele 84
4.2.1 Filtergüte 85
4.2.2 Winkelfehlerbelastung 85
4.2.3 Physiologische Belastungsgrößen 86
4.3 Explizite Untersuchung: Filtergüte und Stereoseparation 87
4.3.1 Theoretische Voraussetzungen 87
4.3.2 Untersuchungsmethoden 90
4.3.3 Versuchsaufbau 94
4.3.4 Auswertung, Ergebnisse 97
4.3.4.1 Filterklassifizierung 98
4.3.4.2 Phänomenanalyse und Konsequenzen 104
5 Ausblicke 108
II Zusammenfassung 111
III Quellenverzeichnis 112
IV Abbildungsverzeichnis 116
V Anhänge 119
vi

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
I Einleitung
In einem Zeitalter rasanter technologischer Fortschritte, in dem sich Innovationszyklen ebenso
verkürzen, wie ungeahnte technische Möglichkeiten entstehen, drängen immer häufiger vor
allem ökonomische Richtgrößen die vielleicht wesentlichste Komponente im Geflecht der
Dinge in den Hintergrund: den Menschen. Dabei ist gerade er es, der sich mit den neuesten
Errungenschaften auseinandersetzen muss, mit ihnen lebt und arbeitet, aber auch von ihnen
beeinflusst wird. Um so bedeutsamer ist es, sein Wesen, seine Fähigkeiten und seine Grenzen
in die verschiedenen Entwicklungsprozesse einzubinden.
Für ein derartiges Vorgehen ist jedoch die Existenz gemeinsamer normativer Grundlagen eine
notwendige Voraussetzung. Dieses essentielle Fundament zu schaffen, muss, je innovativer
das betreffende Objekt ist, neben der eigentlichen technologischen Entwicklung das
vorrangige Ziel von Wissenschaftlern und Ingenieuren sein. Insbesondere die Erreichung
einer allgemeinumfassenden Akzeptanz spielt in diesem Zusammenhang, d.h. in Hinblick auf
eine spätere erfolgreiche Vermarktung eine ganz entscheidende Rolle.
Als geradezu idealtypisch für ein solch hochinnovatives Objekt ist ein revolutionäres
Technologiekonstrukt anzusehen, dass Vielen unter dem Begriff VR – Virtual Reality –
bekannt ist. Hier treffen so unterschiedliche Aspekte von Technik, Arbeit, Psychologie und
Ökonomie aufeinander, dass ein differenziertes, systematisches Vorgehen zur angemessenen
Berücksichtigung der Größe Mensch stets angestrebt werden muss. Dies gilt insbesondere für
die Untersuchung der Referenzsysteme am Fraunhofer IAO und der damit verbundenen
Herausarbeitung von spezifischen, ergonomischen Relevanzen. Der Gliederungspunkt 1,
später auch 2, wird diese Thematik ausführlich diskutieren.
Aufbauend auf diesen theoretischen Vorbetrachtungen soll die Definition ergonomischer
Anforderungen an VR-Systeme, entweder auf Basis z.B. bestehenden Normenmaterials oder
gestützt auf explizit zu gewinnende Studienergebnisse erfolgen. Hierzu müssen einerseits
Vorgehensweisen erarbeitet und überprüft, sowie konkrete Kataloge für die verschiedenen
Anforderungsklassen erstellt werden. Weiterhin sollen Konzepte zur gezielten Verbesserung
defizitärer Systeme entwickelt, sowie in exemplarischen Fällen angewandt werden.
Gliederungspunkt 2 spielt für diese Aufgaben die zentrale Rolle.
Um nun die bis dato durchgeführten Prozessschritte in Form von universellen Systematiken
für eine generische Benutzung bereitzustellen, muss deren VDI-konforme Synthese erfolgen.
Hierzu sei in allen notwendigen Details auf den Gliederungspunkt 3 verwiesen, der sowohl
für die Anforderungs- und Maßnahmenerhebung, als auch für die ergonomiebezogene VR-
Systembewertung die entsprechenden Werkzeuge herleitet.
In Gliederungspunkt 4 wird schließlich ein besonders wichtiger Problemfall (Filtergüte und
Stereoseparation) zum Anlass genommen, die später fortzuführenden, vielfältigen,
praktischen Studien einzuleiten. Aber auch, um zu zeigen, dass im Bereich der VR-
Ergonomie trotz anspruchsvollster Technologien noch immer erhebliche Defizite bestehen –
der Mensch als wesentliches Element des Ganzen vernachlässigt wird.
Diese Arbeit soll also nicht nur wissenschaftlicher Analysator, sondern auch Impulsgeber
sein, sich der Tatsache bewusst zu werden, gerade angesichts scheinbar unbegrenzter
technologischer Möglichkeiten die Notwendigkeit ganzheitlicher Betrachtungen nicht außer
Acht zu lassen.
1

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1 Theoretische Vorbetrachtung
Zum allgemeinen Verständnis der Thematik ist es notwendig, eine Reihe von theoretischen
Vorbetrachtungen anzustellen, die Rahmenbedingungen zu beleuchten und so den Grundstein
für das weitere Vorgehen innerhalb dieser Diplomarbeit zu legen.
Zunächst findet eine Einordnung des Begriffs Ergonomie in die Arbeitswissenschaft statt.
Danach wird sowohl der technische Background bezüglich virtueller, immersiver
Umgebungen geschaffen, als auch eine umfassende Begriffsklärung durchgeführt.
Schließlich wird die Betrachtung von Ergonomie in virtuellen, immersiven Umgebungen als
völlig neues Forschungsobjekt charakterisiert und so die Eröffnung des Gliederungspunktes 2
formuliert.
1.1 Arbeitswissenschaft
Bei der Arbeitswissenschaft handelt es sich um eine recht junge Forschungsdisziplin, die sich
jedoch etablierter Geistes-, Naturwissenschaften bedient. Erst mit dem deutlich zunehmenden
Industrialisierungsprozess in den letzten hundert Jahren wurde die Arbeit selbst Objekt
wissenschaftlicher Bemühungen. Auslösendes Moment war vor allem das stetig steigende
Problembewusstsein im Zusammenhang mit arbeitenden Menschen und der Bedarf, die Arbeit
unter humanistischen („Arbeit als Einsatz menschlicher Ressourcen“) und rationalisierenden
(„Arbeit als Herstellen“) Aspekten zu sehen. [1, S. 5f.] Arbeit soll also zu gleich human und
effizient sein.
Doch wofür steht der Begriff „Arbeit“ in diesem Kontext? Wladimir Eliasberg formulierte
1926 dazu: „Arbeit ist eine innere und äußere Anstrengung, durch welche Werte geschaffen
werden sollen, als ein Begriff aus der geistigen Sphäre des Seelenlebens. Motivation, Werk
und Wert ergeben die Arbeit.“ Arbeit findet also zweckgebunden und mit der Ausrichtung auf
bestimmte Ziele statt, wobei es dem arbeitenden Menschen direkt oder indirekt v.a. um die
Existenzerhaltung geht. [2, S. 1] Ansätze jüngerer Forschungen zu diesem Thema sprechen
der Arbeit überdies eine essentielle soziale Bedeutung, gleichsam eines Grundbedürfnisses,
zu.
Aus diesen Vorüberlegungen heraus ergibt sich für die Arbeitswissenschaft die Forderung
nach definierten Beurteilungs- und Gestaltungsregeln. Dazu geht sie von dem in der
nachstehenden Grafik dargestellten Arbeitssystem aus.
Abb. 1, Arbeitssystem
2

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Als Konsequenz aus diesem System ergeht folgende „Kerndefinition der Arbeitswissenschaft“
nach Luczak und Volpert (1987): „Arbeitswissenschaft ist die Systematik der Analyse,
Ordnung und Gestaltung der technischen, organisatorischen und sozialen Bedingungen von
Arbeitsprozessen mit dem Ziel, dass die arbeitenden Menschen in produktiven und effizienten
Arbeitsprozessen
• schädigungslose, ausführbare, erträgliche u. beeinträchtigungsfreie Arbeitsbed. vorfinden,
• Standards sozialer Angemessenheit nach Arbeitsinhalt, Arbeitsaufgabe, Arbeitsumgebung
sowie Entlohung und Kooperation erfüllt sehen, sowie
• Handlungsspielräume entfalten, Fähigkeiten erwerben und in Kooperation mit anderen
ihre Persönlichkeit erhalten und entwickeln können.“
Im Zentrum arbeitswissenschaftlicher Betrachtungen steht schlussendlich immer der Mensch,
wodurch die Arbeitswissenschaft zu einer „Erfahrungswissenschaft“ wird. [2, S. 1] Mit dem
Menschen als Mittelpunkt versucht sie Arbeitsmittel, Arbeitsplätze, die Arbeitsumgebung und
–organisation, aber auch Produkte und Unternehmen zu beeinflussen. Sie ist also
zwangsläufig Teil des sog. Technologiemanagements und erhält damit neben der humanen
auch eine wirtschaftliche Bedeutung, die in zunehmendem Maße relevanter wird.
Die zentrale Ausrichtung auf den Menschen ist jedoch nicht unidirektional. Vielmehr findet
eine iterative Rückkopplung statt, die auch den Menschen an die Arbeit anpasst. Dies passiert
vornehmlich in Form von persönlichem Einsatz und Ausbildung. Auch die Menschen
untereinander stehen in Beziehung und machen so einen erheblichen Teil des Gesamtsystems
Arbeit aus. Die Anpassung unter den Menschen erfolgt vorwiegend nur indirekt über
organisatorische und technische Arbeitsbedingungen. [3]
Um Arbeit auf den Menschen bezogen unter wissenschaftlichen Gesichtspunkten bewerten zu
können, haben Luczak u.a. (1987) eine Hierarchie von Kriterien aufgestellt. Diese
Bewertungshierarchie wird nach dem Prinzip angewandt, dass die Kriterien der niedrigeren
Stufen erfüllt sein müssen, um das Tor für höhergelagerte zu öffnen. Sie ist überdies ein
bedeutender Ansatzpunkt für die Ergonomie.
Abb. 2, Bewertungshierarchie
Schädigungslosigkeit
• keine Verletzung physiologischer und
ökologischer Prinzipien
• problemfreie Mehrfachausführbarkeit
Ausführbarkeit
• keine Überschreitung biomechanischer
oder mentaler Grenzen des Arbeitenden
Zumutbarkeit
• Bewahrung eines individuellen
Arbeitsgestaltungsspielraums
Zufriedenheit
• arbeitspsychologisch orientierte
Persönlichkeitsförderung
• u.a. Anerkennung, Motivation, Entlohung,
Führungsverhalten der Vorgesetzten etc.
Sozialverträglichkeit
• Beteiligung der Arbeitenden an der
kooperativen Organisation von Produktion
und / oder Dienstleistungen
• Stichwort: Gruppenarbeit
3

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Auch im Arbeitsrecht schlägt sich die Arbeitswissenschaft spürbar nieder. Bedeutendstes
Indiz dafür ist die Forderung nach „gesicherten arbeitswissenschaftlichen Erkenntnissen“ in
vielen der Richtlinien, Normen und Gesetze, die sich auch mit der gesellschaftlichen
Relevanz dieses Themas umfassend auseinandersetzen. Um einen kleinen Einblick
dahingehend zu erlangen, sollen nachfolgend kurz die wichtigsten Gesetze und
Regelungskonstrukte benannt werden.
gesellsch.bez. Arbeitsschutz
• Betriebsverfassungsgesetz
• Mitbestimmungsgesetz
• Urlaubsgesetz
• Mutterschutzgesetz
• Jugendschutzgesetz
tätigkeitsbez. Arbeitsschutz
• Arbeitssicherheitsgesetz
• Arbeitsstättenverordnung
• Gefahrenstoffverordnung
• Unfallverhütungsvorschr.
• Arbeitszeitordnung
industr. Standardisierungen
• DIN/ISO-Normen
• VDI-Richtlinien
• EG-Maschinenrichtlinien
• TÜV-Prüfungen
• Berufsgenossensch. (BG-)
Richtlinien
Weitere Fachgebiete, die eng mit der Arbeitswissenschaft zusammenhängen, sind z.B.
Arbeitspsychologie, Arbeitspädagogik (Berufspädagogik), Arbeitssoziologie (Betriebs- und
Industriesoziologie), Arbeitsphysiologie und Arbeitsmedizin. [1, S. 10]
Nach diesem kurzen und konzentrierten Blick in die Arbeitswissenschaft werden nun ihre
beiden inhaltlichen Schwerpunkte näher betrachtet: die Ergonomie und die Arbeitsgestaltung.
1.1.1 Ergonomie
Der Begriff „Ergonomie“ entstammt dem Altgriechischen und ist zusammengesetzt aus
„Ergon“ (Arbeit) und „Nomos“ (Gesetz). In das moderne Umfeld eingeführt wurde er in den
50er-Jahren des 20. Jahrhunderts, als eine Gruppe englischer Wissenschaftler um Murrell zur
Untersuchung der Problemstellungen menschlichen Arbeitens eine Forschungsgesellschaft
unter dem Namen „Ergonomics Research Society“ gründeten. Als die entscheidenden
„Mutterwissenschaften“ galten und gelten v.a. die Physiologie, die Psychologie und die
funktionelle Anatomie. Nochmals eine Bekräftigung des o.g. Ansatzes, dass von Anfang an
darauf gesetzt wurde, klassische „naturwissenschaftlich arbeitende Humanwissenschaften“ in
einer neuen Form zu vereinen. [4, S. 125] Inhaltlich ähnliche Überlegungen können bei
historischer Betrachtung noch etwas früher datiert werden. So formulierte der russische
Psychologe Mjasischtschew 1921 den Vorschlag, die von ihm benannte „Lehre von der Arbeit
des Menschen“ mit „Ergologie“ zu bezeichnen. Im gleichen Jahr kreiert Bechterew den
Begriff „Ergonologie“, mit der klaren Basisvision von den heute weitläufig bekannten
Hauptzielen der Ergonomie.
Da die Bezeichnung „Lehre von der Arbeit des Menschen“ jedoch zur alleinigen
Charakterisierung der heutigen Betätigungsfelder von Ergonomie nicht mehr genügt, kann
man nach Hans-Jörg Bullinger (1994) folgendes festhalten: „Ergonomie ist die Wissenschaft
von der Anpassung der Technik an den Menschen zur Erleichterung der Arbeit. Das Ziel, die
Belastung des arbeitenden Menschen so ausgewogen wie möglich zu halten, wird unter
Einsatz technischer, medizinischer, psychologischer sowie sozialer und ökologischer
Erkenntnisse angestrebt.“ Es zeigt sich nicht zuletzt an der Vielzahl von relevanten
Partnergebieten, wie groß die Bedeutung der Ergonomie inzwischen geworden ist. Dies sind
insbesondere:
• Arbeitsphysiologie
• Arbeitspsychologie
4

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• Arbeitsumgebungsgestaltung
• Arbeitsplatzgestaltung
• Integrierte Produktgestaltung
• Mensch-Maschine-Schnittstellen.
Dabei ist es völlig irrelevant, in welchen Bereichen ein Mensch arbeitet. Die Grundideen der
Ergonomie gelten genauso für Rennfahrer, wie für ganz normale Bürokräfte. Allerdings ergibt
sich schon aus dieser Feststellung, dass es spezifische Ansätze für quasi jeden Arbeitsplatz
geben muss. Dieser Forderung wird durch das Vorhandensein eines sehr umfangreichen
Normen- und Richtlinienrepertoires auf nahezu jedem erdenkbaren Gebiet Rechnung
getragen. Aber es gibt auch Defizite. Je jünger die betreffende Technologie, desto größer der
Mangel an fundierten Gestaltungs- und Handhabungsvorschlägen. V.a. der Gliederungspunkt
2 wird sich speziell mit dieser Thematik beschäftigen.
Schlussendlich versteht sich die Ergonomie heutzutage als eine Wissenschaft, „von der
Erkenntnisse und Regeln zur Beurteilung und Gestaltung menschlicher Arbeit entwickelt und
angeboten werden“. [5] Ein weiterer wesentlicher Fakt dieser Diplomarbeit, bezogen auf das
Anwendungsfeld VR..
1.1.2 Arbeitsgestaltung
Die Arbeitsgestaltung oder auch Anthropotechnik [4, S. 129] beschäftigt sich hauptsächlich
mit der Analyse, Gestaltung und Bewertung von Mensch-Maschine-Systemen. Dabei besteht
das Ziel in der Optimierung bezüglich „Leistung, Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und
Arbeitsbefriedigung durch Anpassung der Technik an den Menschen“. [6] Diese Zielsetzung
verlangt eine stark ingenieurmäßige Ausrichtung auf arbeitswissenschaftliche Aspekte und
liefert demnach ein angemessenes „Methodeninventar“, das beispielsweise in die
Systemtechnik einfließen kann. Begriffe wie „Human Factors Engineering“ und „Human-
Machine Systems“ sind Äquivalente im englischsprachigen Raum.
Erstmals ernsthaft zum Tragen gekommen ist die Arbeitsgestaltung im 2. Weltkrieg. So
wurde untersucht, warum es insbesondere bei der Benutzung komplexer Waffensysteme
immer wieder zu Handhabungsfehlern und schweren Unfällen kam. Ab Mitte der 60er Jahre
wurde zunehmend die Gestaltung von Arbeitsplätzen, Anzeigen und Bedienelementen
bedeutsamer. Mit den Anfängen der Rechnertechnik in den frühen 70ern rückten schließlich
Untersuchungen zur Mensch-Rechner-Interaktion (HCI: Human-Computer Interaction) in den
Mittelpunkt. Inzwischen agiert die Arbeitsgestaltung nicht nur auf diesem Gebiet, sondern
beschäftigt sich v.a. mit dem Zusammenwirken zwischen Menschen und intelligenten bzw.
teilautonomen Automaten. Dabei fließen stärker denn je die kognitiven Eigenschaften und
physiologischen Fähigkeiten des Menschen in den Systementwurf mit ein. [4, S. 130]
Bezogen auf virtuelle, immersive Umgebungen eröffnet sich hierdurch ein Spektrum
anthropotechnischer Gestaltungsmöglichkeiten u.a. bei der Schnittstellentechnik, der
Informationsein-/ausgabe, der Softwaregestaltung in Bezug auf Benutzungsdialoge,
Handhabungsweisen, Funktionsaufteilungen zwischen Mensch und Automatik u.v.m. Auch
damit wird sich speziell der Gliederungspunkt 2 auseinandersetzen.
Neben diesen Faktoren und in Erweiterung des o.G. finden sich in der wissenschaftlichen
Literatur [2, S. 4f.] noch eine Reihe weiterer bedeutenden Aufgabenbreichen der
Arbeitsgestaltung:
5

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• Analyse von Arbeitstätigkeiten
• Analyse und Planung von Produktionsstrukturen
• Gestaltung von Arbeitsinhalten und -systemen
• Auslegung von Systemkomponenten
• Integration von Aufgabenbereichen
• Arbeitsbewertung
• Personal- und Qualifikationsentwicklung
• Arbeitszeit- und Arbeitslohngestaltung
Daraus lässt sich erkennen, dass ein großer Bereich der Arbeitsgestaltung unter
arbeitswissenschaftlichen Gesichtspunkten die Ergonomie logisch umschließt. Sie etabliert
die Ergebnisse ergonomischer Betrachtungen und sorgt für eine sach- und zeitgemäße
Realisierung. Zudem darf man davon ausgehen, dass aus der sehr engen Verwandtschaft
zwischen der Ergonomie und des entsprechenden Themenkomplexes der Arbeitsgestaltung
auf absehbare Zeit eine zunehmenden Integration resultieren wird. In der Literatur spricht
man z.T. schon heute an mehren Stellen häufig nur noch von Ergonomie, selbst wenn es um
Belange der Arbeitsgestaltung im herkömmlichen Sinne geht.
1.2 VR/VE
VR – Abbreviatur, Oxymoron und Synonym zugleich. Primär steht VR natürlich für nichts
Geringeres als Virtual Reality / Virtuelle Realität - die Verbegrifflichung von weit mehr als
nur einer technischen Entwicklung. Geprägt wurde sie erstmals Ende der 80er Jahre durch
Jaron Lanier, der durch sie dem Aufkommen computergenerierter Welten und interaktiver
Mensch-Maschine-Schnittstellen begegnete. Bis dato existierten weitere Wendungen, wie
„Computer Simulation“, „Artificial Reality“, „Virtual Environments“, „Augmented Reality“
(heutige Bedeutung: Compositings aus realen und eingeflochtenen virtuellen Darstellungen),
„Cyberspace“ etc., doch setzte sich v.a. im populären Umfeld „Virtual Reality“ durch. Dies
liege daran, dass jener Begriff eine technologische Zukunft definiere, ein Ziel, auf das es
hinzuarbeiten gelte: die virtuelle Realität, so Boccia, Kim & Levy. [7, S. 4] Zudem beschreibt
das Synonym VR auch einen Wunsch. Den Wunsch, etwas Virtuelles, etwas Künstliches zu
schaffen, das ein wahrhaftiges Realitätsempfinden beim Rezipienten hervorruft. Etwas
Nichtexistentes soll erfahrbar werden, ähnlich wie ein Traum, der täuschend echt die Sinne
umschmeichelt. VR entsteht also nicht zuletzt im Kopf des Betrachters.
Weit kritischer bewertet ein weites Feld der Spezialisten, darunter renommierte
Wissenschaftler wie Biocca und Blascovich, den Begriff „Virtual Reality“. Man unterstellt
ihm das Wesen eines Oxymorons, eines Widerspruches in sich [7, S. 6] und lehnt ihn deshalb
weitestgehend ab. Stattdessen sei der wesentlich generischere Begriff „Virtual Environments“
(VE) im professionellen Umfeld weit verbreitet und beschreibe deutlich treffender, worum es
der Technologie gehe. [8] Nämlich nicht nur darum, möglichst real wirkende Abbilder der
wirklichen Welt zu erschaffen und erlebbar zu machen, sondern u.a. abstrahierte Prozesse,
Datenrepräsentationen oder Objekte, die bisher überhaupt nicht in der realen Welt existierten,
virtuell, also computergestützt, darzustellen, interaktiv zu entwickeln, zu explorieren und zu
bewerten.
Der Bedeutungsgehalt von VE geht jedoch noch weit über diesen Ansatz hinaus.
Fortschreitend wurden in der Vergangenheit verschiedene zuvor autark betrachtete Felder
unter dem Begriff VE zusammengefasst. So steht VE heute neben der o.g. erfahrbaren
6

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virtuellen Repräsentation, dem eigentlichen kognitiven Wahrnehmen/Erleben (vgl. 1.3),
insbesondere auch für die zugehörige Software- bzw. Hardware-Umgebung. Diese
Umgebungen sind i.d.R. hochintegriert, sehr anwendungsspezifisch und können demzufolge
in ihrem Systemdesign extrem facettenreich ausfallen. Gemein ist den vielen virtuellen,
immersiven Umgebungen die allgemeine Grundstruktur. So werden sie im Normalfall
gekennzeichnet durch:
• Grafikrechner und –software (vgl. 1.2.1)
• Ein- und Ausgabegeräte (vgl. 1.2.2 und 1.2.3)
• spezifische 3D-Wahrnehmungsanforderungen und -prozesse (vgl. 1.2.4)
• eventuell erweiterte multimodale Rückkopplungssysteme (taktil, olfaktorisch etc.).
Beispielhafte Gesamtsysteme und ihre Einsatzbereiche werden unter 1.2.5 vorgestellt. Wie
virtuelle Umgebungen, u.a. gemessen an den o.g. Charakteristika, anwendungsbezogen
bewertet werden können, ist Inhalt der Systematisierungsentwicklung unter Gliederungspunkt
3.
Abschließend sei zu diesem Abschnitt noch festgehalten, dass aus objektiver Sicht eine u.U.
formulierbare stringente Forderung nach der Entscheidung zugunsten einer der beiden o.g.
Formulierungen (VR,VE) im Rahmen dieser Arbeit auch vom wissenschaftlicher Standpunkt
her nur wenig Sinn machen würde. Ergo wird in den nachfolgenden Ausführungen weiterhin
wertungsfrei und kontextbedingt auf den entsprechenden Begriff zurückgegriffen. Trotz der
vielen Berührungspunkte, die es zweifelsohne gibt, sind die relevanten Spezifika beiderseits
einfach von zu großer Bedeutung - ob nun rein technischer- oder symbolischerseits.
Abb. 3, Beispielhaftes VE-System
Nachdem die begriffliche Erklärung abgeschlossen ist, stellt sich ebenso die Frage nach dem
Warum von VR. Wieso beschäftigt man sich überhaupt damit? Worin liegt ihre
Kernbedeutung? Allein zu diesem Thema könnte man sicherlich umfassend diskutieren,
sowohl bezüglich technologischer und wirtschaftlicher Belange, als auch den soziologischen,
psychologischen und philosophischen Ansätzen Rechnung tragend. Da sich diese
Diplomarbeit aber nur am Rande mit den o.g. Themen beschäftigt, sei an dieser Stelle nur die
ökonomische Relevanz herausgestellt. So liegt die ausschlaggebende Bedeutung von VR v.a.
in folgenden Vorteilen:
• 1-zu-1-Darstellung auch von größeren Objekten; dadurch gewohnte Wahrnehmung,
gewohnte Proportionen
7

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• bei großen Darstellungssystemen (vgl. 1.2.3) Betrachtung auch durch mehrere Personen
gleichzeitig möglich; dadurch Diskussionspotentiale noch während der Interaktion
• stereoskopische Betrachtungsmöglichkeit; dadurch natürlicheres Erleben, gewohnte
Umgebung
• Objekte in bestimmten Systemen be-/umgehbar (z.B. CAVE, vgl. 1.2.5), dadurch
natürliche Erfahrbarkeit (z.B. Architektur, Interieurs)
• qualifiziert realitätsnahe Verifizierung von CAD-Modellen aus z.B. Technik, Innen-
/Außenarchitektur, Stadt-/Landschaftsplanung; dadurch gravierende Rationalisierung und
Effizienzsteigerung bei Entwurfs-/Entwicklungsprozessen (virtual prototyping, virtual
mock-ups)
• Ausbildung von Ärzten, Ingenieuren, Mechanikern etc. beispielsweise durch Augmented-
Reality (mit spezifischen Eingabe-/Arbeitsgeräten) und der mit ihr verbundenen stark
realitätsverwandten Tätigkeitssimulation
• Prozessplanung & -integration z.B. in Zusammenhang mit effizienter Produktentwicklung
durch Kopplung von Entwurf, Design und Verifikation
• beeindruckendes Marketingtool zur Gestaltung überzeugende Präsentationen und
ungeahnt effektiver Wirkungsverstärkungen (z.B. virtual conferences)
• Entertainment in allen Facetten (TV, Games, Information etc.)
• Einsatz von Trackingsystemen (vgl. 1.2.2); dadurch gewohnte Reaktion der VE auf
Positionsänderungen, Kopfdrehungen, Handbewegungen etc. zur Förderung des
natürlichen Interaktionsempfindens
• Militär (Zusatzinfos über spezielle Display z.B. in Kampfhubschraubern)
Nach der allgemeinen Begriffs- und Sinnbetrachtung werden nun die wichtigsten
gemeinsamen Systemelemente vorgestellt, auf die auch im weiteren Verlauf dieser Arbeit
Bezug genommen wird. Dabei wird der Umfang insofern eingeschränkt, dass nur die
allgemein relevanten Komponenten beleuchtet werden.
1.2.1 Grafikrechner
Im sog. „Grafikrechner“ findet jede virtuelle Umgebung über der Hardware gelagert ihr
softwaremäßiges Zentrum, das Daten der Ein- und Ausgabegeräte applikationsspezifisch
interpretiert, verarbeitet und so ggf. die erwünschte Interaktion ermöglicht. Dabei werden die
von den Eingabegeräten (vgl. 1.2.2) bereitgestellten und z.B. aus Objektdatenbanken
bezogenen Daten synchronisiert, über z.B. eine entsprechenden 3D-Anwendung verrechnet
(dynamisches Echtzeit-Szenenrendering), für die Ausgabe vorbereitet und auf den
systemabhängigen Ausgabegeräten (vgl. 1.2.3) repräsentiert. Dieser Kommunikationsprozess
(Mensch ↔ VE) erfolgt im Idealfall kontinuierlich und schafft dadurch für den/die Benutzer
der VE aufgrund der direkten Umsetzung des Umgangs mit den Eingabegeräten in eine
visuelle Rückkopplung den Eindruck der unmittelbaren Interaktion.
Abb. 4, VR-Struktur
8

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Der Eindruck des zielgemäßen multimodalen sensorischen Erfahrens/Erlebens der virtuellen
Umgebung (vgl. 1.3) ist somit extrem von den technischen Eigenschaften des gesamten VE-
Systems abhängig, sowohl software-, als auch hardwareseitig. Je komplexer die virtuelle
Szene, je mehr Ein- und Ausgabegrößen berücksichtig werden müssen, desto mehr
Rechenleistung und geschwindigkeitsoptimierte Hardware ist notwendig. Jene ist jedoch nicht
immer verfügbar und so entstehen schnell Engpässe in der VR-Pipeline. Welche
Systemeigenschaften sich nun besonders auf Immersion (vgl. 1.3.1), Präsenz (vgl. 1.3.2) und
somit auf die Systemqualität auswirken, seien nachfolgend aufgeführt:
• Systemlatenz
• Repräsentationsauflösung/-helligkeit/-kontrast/-farbechtheit
• Bildwiederholfrequenz
• Trackingintegration
• Interaktionsschnittstellen
• Rückkopplungssysteme
• Verfügbarkeit
• Software-/Hardwareergonomie
Da auch für den Einsatz von VEs insbesondere finanzielle Rahmenbedingungen als nahezu
unverrückbare Limiter fungieren, stellen heutige Systeme sehr häufig einen Kompromiss dar.
Einerseits möchte man v.a. die Detailfülle aus Gründen der Immersionsförderung so hoch wie
möglich halten, aber auf der anderen Seite immer noch eine akzeptierbar geringe
Systemlatenz bei möglichst guter visueller Qualität erreichen – und das bei vorgegebener
knapper Rechenleistung. Ein hoher Anspruch, nicht zuletzt an die VR-Software!
Dank der Forschungen am Fraunhofer IAO ist es jedoch gelungen, die bei wirtschaftlich sehr
bedeutsamen großflächigen Mehrwandprojektionen übliche Architektur einer sehr
kostenintensiven monolithischen Multipipe-Hochleistungsgrafikstation (SGI Onyx 3 IR3)
durch ein skalierbares PC-Multi-Node-System (Unix-PC-Cluster) substituierbar zu machen.
Damit besteht auf Anwenderseite die Möglichkeit einer äußerst flexiblen technologischen
Gestaltung der persönlichen virtuellen Umgebung. [9]
Abb. 5, Arbeit in Mehrwandprojektionsraum
9

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Bei kleineren oder auch Desktopsystemen ist der Bedarf an Rechenleistung im Verhältnis
deutlich geringer. Daher kommen dort entweder kleinere SGI-Grafikstationen oder
entsprechend konfigurierte Einzel- oder Paar-PCs (z.B. bei BARON oder HMD) zum Einsatz.
Wie die Konfigurationen im einzelnen aussehen, ist anwendungs- und anforderungsabhängig.
1.2.2 Eingabegeräte
Die Eingabegeräte - oder vielmehr Mensch-Maschine-Schnittstellen - sind die entscheidenden
Kommunikationsmittel innerhalb einer VE, die es dem Nutzer erst ermöglichen, das virtuelle
Umfeld zu manipulieren, zu explorieren, mit ihm zu interagieren. Grundsätzlich unterscheidet
man zunächst Eingabegeräte mit diskreter oder kontinuierlicher Signalerzeugung.
Unter diskreter Signalerzeugung versteht man die systemseitige Binärimpulsveranlassung
(gedrückt – nicht gedrückt) auf ein eindeutiges Ereignis hin. Solche Ereignisse können sein:
• Tastendruck (z.B. Tasten von 3D-Mouse/-Joystick, Tastatur)
• Berührung (z.B. kapazitive Touchscreens, Sensorfolien)
• direkter elektrischer Kontakt (z.B. Fußkontakte, PinchGlove – „Handschuhe“ mit der
Möglichkeit der elektrischen Signalerzeugung durch Zusammenführen zweier Finger)
Problem bei allen elektrokontaktorientierten Eingabegeräten ist die Tatsache, dass sie
„getragen“, also „angezogen“ werden müssen. Vor allem im Mehrbenutzerbetrieb sowohl
ergonomisch (Passform für Hand-/Schuhe etc.), als auch hygienisch u.U. problematisch.
Darüber hinaus sind freiliegend nutzbare Kontakte stets besonderen Beanspruchungen
unterworfen.
Der Hauptvorteil diskreter Eingabegeräte liegt vornehmlich darin, dass die entsprechende
Handhabung, v.a. aber die Ereigniserzeugung für Benutzer und Entwickler eindeutig, schnell
auswert-/verarbeitbar sind und schlussendlich auch mit dem gewohnten Einsatz im
„normalen“ täglichen Bildschirmarbeitsplatzumfeld korrelieren. Die Benutzung bedeutet also
allgemein den Umgang mit Bekanntem, ein intensives Lernen ist nicht notwendig.
Abb. 6, Auswahl diskreter Eingabegeräte
10

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Unter den kontinuierlichen Eingabegeräten findet man jedoch viel „Unbekanntes“ vor.
Zunächst bedeutet kontinuierlich, dass permanent Eingabedaten vom System eingelesen
werden, die sich im Idealfall unverzüglich auf das VR-Erlebnis auswirken. Oberstes Ziel der
kontinuierlichen Eingabeverarbeitung ist neben der technischen Effizienz die Ausrichtung auf
die Nachbildung intuitiver Interaktionsmechanismen. Dazu zählen der Perspektivwechsel bei
Blickrichtungsänderungen oder dem „Laufen um Objekte herum“ und die
Positionsabhängigkeit handgeführter Eingabegeräte (z.B. Hornet, Mike). Das Hauptaugemerk
sei deshalb an dieser Stelle auf das sog. „Tracking“ gerichtet. Tracking in VEs steht allgemein
für das sensorische Erfassen kinematischer Eingaben (Bewegungen z.B. von Händen und
Kopf) des Benutzers, im Idealfall in allen 6 Freiheitsgraden (6 DoF – 6 Degrees of Freedom;
d.h.: Position im Raum [x,y,z] und Orientierung im Raum [3D-Richtungsvector, Rotation um
x,y,z]). Dabei kann das Tracking elektromagnetisch, optisch, mechanisch, auf Trägheit oder
Ultraschall basierend oder in Kombination der genannten erfolgen.
Elektromagnetisches Tracking
Hierbei wird von drei orthogonal angeordneten Emitterspulen im tatsächlichen
Interaktionsraum ein elektromagnetisches Feld aufgebaut. Der u.a. mit drei analog
angeordneten Empfangsspulen ausgestattete Sensor befindet sich z.B. im Hand- und/oder
Stereosichtgerät (spezielle Brille, vgl. 1.2.4). Über die in diesen Empfangsspulen induzierte
Spannung lassen sich nun Position und Lage (6 DoF) des Sensors über Feldstärke und –
winkel relativ zum Emitter bestimmen. Zur Übertragung der vom Sensor aufgenommenen
Daten wird abermals ein Sendesystem verwendet, welches der Benutzer beispielsweise in
einem Rucksack mit sich führt.
Grundsätzlich ist dieses System recht robust, hinreichend genau und gemäß aktueller
Standards gesundheitlich unbedenklich. Verdeckungen der Sensoren oder Emitter spielen
keine Rolle. Problematisch verhält sich das System jedoch gegenüber magnetischen oder
metallischen Oberflächen, durch die es zu Datenverfälschungen aufgrund von Streufeldern
kommen kann. Auch emitterbedingte Magnetfeldschwankungen weisen ähnliche Phänomene
auf. Aus der Forderung nach geeigneten Filtermaßnahmen zur Kompensation der genannten
Störeinflüsse resultiert auch eine erhöhte Systemlatenz, die sich anwendungsabhängig
durchaus störend auswirken kann. Aus ergonomischer Sicht ist insbesondere der erwähnte
Rucksack ein Hindernis. In diesem müssen sowohl die von den Sensoren belieferte
Sendeanlage, als auch die zugehörigen Akkus zum Betrieb von Sendeanlage und
Eingabegeräten untergebracht werden. An einer kabellosen Variante wird noch gearbeitet.
Abb.7, Komponenten für elektromagnetisches Tracking
11

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Optisches Tracking
Die zweite sehr wichtige Klasse von Trackingsystemen ist das optische Tracking. Häufig
werden dazu Eingabegeräte oder Hilfsgeräte zur Stereosicht mit sog. entweder passiven
„Targets“ (meist kleine weiße Kugeln) oder aktiven LEDs (Light Emitting Diods) versehen,
die einfallendes Umgebungslicht reflektieren bzw. entsprechendes Licht aussenden. Dieses
wird dann von Kameras erfasst und über eine Bilderkennungssoftware zur Positions- und
Lagebestimmung (6 DoF) genutzt. Um nun eine 3-dimensionale Orientierung in allen sechs
Freiheitsgraden zu ermöglichen, werden wenigstens zwei Kameras benötigt. Vier oder mehr
kommen zum Einsatz, wenn eine erhöhte Trackinggenauigkeit/-verfügbarkeit bei
vergrößertem Bewegungsraum erzielt werden soll.
Die Verfügbarkeit ist insofern ein Problem, da es bei Verdeckungen der „Targets“ z.B. durch
bestimmte Bewegungen zu Trackingsausfällen kommen kann. Das heißt, die Bewegungen der
Benutzer sind allgemein gegenüber dem elektromagnetischen Tracking eingeschränkt.
Dahingegen sind optische Systeme meist kabellos, unempfindlich gegenüber magnetischen
Feldern, deutlich genauer und schneller als elektromagnetische Systeme.
Abb. 8, Komponenten für optisches Tracking
Mechanisches Tracking
Diese Form das Trackings lässt sich zurückführen auf bekannte haptische Eingabesysteme,
wie Mouse, Trackball und Joystick. Hauptdefizit dieser Gerätetypen ist aber das Fehlen der
räumlichen Orientierbarkeit, sie basieren ausschließlich auf einer 2-dimensionalen Eingabe. In
Erweiterung dessen und die Forderung nach Intuitivität im Fokus wurden die ersten
immersiven Eingabegeräte über kinematische Ketten realisiert.
Abb. 9, Kinematische Kette „Phantom“
12

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Dabei kommen Sensoren in den Gelenken der Kette zum Einsatz, deren Daten von der
entsprechenden Applikation dazu verwendet werden können, um den Endpunkt der Kette zu
kalkulieren. So konnten also zunächst Position (3 DoF), später Position und Lage (6 DoF)
innerhalb eines kleineren Raumareals zur 3-dimensionalen Eingabe benutzt werden. Ergänzt
wurde dieses System durch kleine Motoren in den Gelenken, die eine Kraftrückkopplung
(Force Feedback) erlaubten. So ließen sich Begrenzungen und Oberflächen erfühlen und
Vorgänge, wie Schaben, Bohren, Eindrücken etc. auf relativ realistische Art und Weise
nachempfinden. Eine vollständig auf mechanischem Tracking basierende VE ist „BOOM“
(„Binocular Omni Oriented Monitor“), ein an einem vollbeweglichen Schwenkarm
angebrachtes HMD, z.T. mit Force Feedback ausgestattet (s.u. haptische Ausgabegeräte). [10]
Abb. 10, BOOM
Die zweifelsfreien Vorteile mechanischen Trackings liegen insbesondere in der sehr hohen
Genauigkeit in kleinen Raumvolumina, der Geschwindigkeit, sowie der realitätsnahen
haptischen bzw. kinästhetische Erfahrbarkeit. Auch spielen Verdeckungen oder
elektromagnetische Störeinflüsse keine Rolle. [11] Das größte Manko hingegen ist die starke
räumliche Begrenzung und die damit verbundene erhebliche Bewegungseinschränkung. Dies
wiederum zieht Interaktionsverluste nach sich und ist auch einer der Hauptgründe dafür,
weshalb solche Systeme, wenn überhaupt, dann nur noch in Verbindung mit Desktop-VEs
zum Einsatz kommen.
Tracking über Trägheitssensoren
Das Arbeiten mit Trägheitsgrößen bietet v.a. eine kostengünstige und schnelle Möglichkeit,
Trackingdaten zu ermitteln. Abhängig davon, ob es sich um ein 3-DoF- oder 6-DoF-Tracking
handelt, werden entsprechend Beschleunigungsmesser (Accelerometer) und Kreisel
(Gyroscope) oder elektronische Kompasse (trotz sehr hoher Genauigkeit mit 5 Hz Datenpush
für viele Anwendungen allerdings zu langsam) eingesetzt. Sie dienen der Bestimmung der
Position entlang bzw. der Rotation um eine Achse in jeweiliger orthogonaler Anordnung.
Wobei sich herausgestellt habe, dass zur Rotations-, also Orientierungsbestimmung die
Kreisel erheblich besser geeignet seien, als die Beschleunigungsmesser, deren Ausgangssignal
13

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neben den eigenen Positionsdaten auch proportional abhängig die Winkelgeschwindigkeit
ergebe. [12] Dennoch werden weiterhin Systeme getestet, die nur Beschleunigungsmesser
enthalten. Übertragen werden die ermittelten Daten via Funk an eine separate Station, die
wiederum über eine RS-232-Schnittstelle an einen Rechner angeschlossen ist. Dort werden
die Daten analog zu den anderen Trackingsystemen verarbeitet.
Hauptnachteil dieser Methode ist die Ungenauigkeit bei langsamen Bewegungen. Auch
pflanzen sich Mess- und Berechnungsfehler kumulierend fort, sofern nicht häufig aufwendig
rekalibriert wird. Dafür sind die Sensoren i.d.R. recht klein, es gibt keine
Verdeckungsprobleme (vgl. z.B. Optisches Tracking), magnetische Interferenzen bleiben aus
und die Bewegungsfreiheit bzw. –reichweite des Benutzers ist theoretisch unbegrenzt (Tragen
des Trackers z.B. als Ring). [11] Hauptsächlich wird diese Form des Trackings in
Kombination mit anderen, z.B. dem akustischen Tracking eingesetzt.
Abb. 11, Komponenten für trägheitsorientiertes Tracking
Akustisches Tracking
Das akustische Tracking mittels Ultraschall (oberhalb 20 kHz) ist im Verhältnis ein recht
einfaches Verfahren, das seine Wurzeln in der Seefahrt bzw. Natur (Fledermäuse, Delphine
etc.) findet. Echolote werden schon sehr lange eingesetzt und funktionieren nach dem
folgenden Prinzip: ein Sender sendet Schallimpulse aus, die von irgendeiner Oberfläche
reflektiert und vom Empfänger wieder empfangen wird. Aus der Sende-Empfangs-
Verzögerung, der Signalveränderung etc. können nun die Entfernung und Ausrichtung (6
DoF) des Reflektors berechnet und ggf. Oberflächenbeschaffenheiten (für dieses Verfahren
bislang irrelevant) bestimmt werden. Die Anwendung in VEs ist i.d.R. so konzipiert, dass es
triangulär auswertbar drei Ultraschallemitter und entsprechend drei Mikrophone (angebracht
am Benutzer oder Eingabegerät) gibt.
Aber bereits in der Entfernungsbestimmung liegt der Hauptnachteil des akustischen
Trackings. Aufgrund der Signallaufzeit (Quelle Reflexion Empfänger), die noch dazu
entscheidend von Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflusst wird, kommt es schnell zu
Einschränkungen der Systemlatenz und ungenauen Messwerten. Darüber hinaus existieren
hier ähnlich Verdeckungsprobleme, wie beim optischen Tracking. Auch Schallreflexionen
(Echos „ghost pulses“ [11]) oder Schallinterferenzen können sich negativ auf die
Messergebnisse auswirken. Ähnlich wie beim elektromagnetischen Tracking wird deshalb mit
Filtern gearbeitet, die den Einfluss der zuletzt geschilderten Effekte minimieren sollen.
14

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Entscheidende positive Faktoren des akustischen Trackings sind der sehr geringe Preis, die
Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Einflüssen, das geringe Gewicht der
Sensoren und die gute Realisierbarkeit kabelloser Lösungen.
Abb. 12, Komponenten für akustisches Tracking
Hybrides Tracking
Wie sich aus den obigen Trackingerläuterungen erkennen lässt, besitzt im Endeffekt jedes
System seine spezifischen Stärken und Schwächen. Damit liegt es nahe, entsprechend
sinnvolle Kombinationen (kombiniertes Tracking = Hybrides Tracking) zu etablieren. Im
Zentrum der Betrachtungen stehen dabei neben Kosten- und Immersionsaspekten vor allem
ergonomische Belange. Leider sind bislang entsprechende Umsetzungen hybrider
Trackingsysteme zumeist nur in wissenschaftlichen Einrichtungen zu finden – sicherlich nicht
selten aus Kostengründen.
Neben dem diskreten und dem kontinuierlichen Eingeben von Daten in eine VE besteht noch
die Möglichkeit der Eingabe über Sprach- und Gestenerkennung. Beide sind auf ihre Art
symbolbasiert und werden nachfolgend kurz vorgestellt.
Spracherkennung
Vornehmlich aus dem Office-Bereich bekannt, ist Spracherkennung in VEs v.a. dann ein
Thema, wenn beide Hände bereits mit Eingabegeräten belegt sind – wie bspw. während der
Benutzung von Fahrsimulatoren. Um ohne Unterbrechungen jederzeit Befehle an das System
absetzen oder auch alphanumerische Eingaben machen zu können, ist eine Nutzung der
Sprache als zusätzlichem Inputkanal beinahe unumgänglich.
Handicap ist dabei allerdings noch immer, dass das System die Sprache des aktuellen Nutzers
erst „lernen“ muss und eine 100%ige Erkennungen nicht gesichert werden kann. Auch
gestalten sich komplexere Anweisungen recht schwierig. Eine menügesteuerte Anwendung
kann abhängig von der Implementierung der Spracherkennung in eine VR-Applikation
durchaus integriert werden, wobei eine solche Konstellation nicht der Regelanwendung
entspricht. Häufig müssen die Nutzer ein Vielzahl von Befehlen auswendig lernen, um in den
entsprechenden Situationen mit der VE interagieren zu können.
Aufgrund dessen hat sich die Spracheingabe als Zusatzmedium zu den anderen Formen v.a.
zur Eingabe von kurzen Befehlen und begrenzter Alphanumerik in ansonsten ausgelasteten
Eingabeumfeldern als nützlich erwiesen. Dennoch steht ein Durchbruch auf diesem Gebiet
15

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aus. Das zur Eingabe notwendige Mikrofon wird am Körper des Nutzers angebracht. Je nach
Größe des Mikrofons z.T. ergonomisch bedenklich.
Gestenerkennung
Hierbei kommt der sog. Datenhandschuh zum Einsatz. Über verschiedene Sensoren ist er in
der Lage, Fingerstellungen und -bewegungen zu erkennen. Über diese Gesten können nun
dank Bildverarbeitung Befehle an die Software übermittelt werden, die schließlich
ausgewertet und entsprechend interpretiert werden.
Abb. 13, Datenhandschuh
Allerdings wird diese Ausprägung der Interaktion von den Benutzern als nur wenig intuitiv
und schwer erlernbar beschrieben. Auch aus ergonomischer Sicht stellt sich der
Datenhandschuh als grenzwertig heraus. Dies begründet sich einmal darin, dass einerseits nur
Standardgrößen verfügbar sind und andererseits eine Reinigung nur sehr umständlich zu
bewerkstelligen ist. Vermutlich liegt darin auch die Ursache, dass der Datenhandschuh im
Grunde nicht mehr eingesetzt wird.
Alternativ dazu bietet sich das „virtuelle Keyboard“ an. [13] Bei dieser Konfiguration wird
um jede Hand kabellos eine Art große Spange/Klammer getragen, die recht genau
Fingerbewegungen detektiert.
Abb. 14, Senseboard
16

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Der bisherige Einsatz konzentrierte sich auf die Palm-Welt (Kleinstcomputer ohne Tastatur).
Einziger erwähnenswerter Nachteil am „virtuellen Keyboard“ ist die Voraussetzung des
Zehnfingerschreibvermögens beim Nutzer. Dennoch dürfte diese Variante, da ergonomisch
sinnvoller (bessere Anpassbarkeit an den jeweiligen Benutzer) und leichter zu reinigen, für
kurze und einfache Eingaben/Eingabegesten innerhalb einer VE sehr nützlich und besser
geeignet sein, als dies der Datenhandschuh jemals war.
Hybride Eingabegeräte
Hybride Eingabegeräte vereinen in sich mehrere Interaktionsformen. Dies sind in den
allermeisten Fällen ein bis drei diskrete Eingabefunktionen (unterschiedliche Buttons,
Joysticks etc.) für Bestätigungs- oder Auswahlfunktionen und ein kontinuierliches
kinematisches Tracking zur Bewegungsanalyse. Auf Trackingseite werden derzeit die
elektromagnetische und die optische Variante favorisiert. Darüber hinaus werden auch
Kombinationen erprobt, welche zusätzlich die Gestenerkennung oder die Funktionalität des
PinchGlove integrieren. Allerdings konnten sich diese bisher nicht durchsetzen.
Durch intensive Forschungen und die stete Forderung nach ergonomischer Optimierung
(Handhabung, Tragekomfort, intuitive Interaktionspotentiale etc.) hybrider Eingabegeräte
werden dagegen v.a. auch am Fraunhofer IAO entsprechende Kandidaten permanent
perfektioniert. Als Beispiel für ein solches „gereiftes“ und hochaktuelles hybrides
Eingabegerät lässt sich die sog. „Hornet“ (s.o., s. Grafik) anführen. Sie verbindet
elektromagnetisches oder optisches Tracking (variabel modifizierbar) mit diskreten
Eingabefunktionen. Die Akzeptanz und Nachfrage dieser Form hybrider Eingabegeräte zeigt,
dass man sich hierbei konsequenterweise auf dem richtigen Wege befindet.
1.2.3 Ausgabegeräte
Abb. 15, Hybrides Eingabegeräte „Hornet“
Die Kommunikationsrückkanäle einer virtuellen, immersiven Umgebung werden durch
unterschiedliche Ausgabegeräte bzw. Gerätetypen repräsentiert. Entscheidend ist auch hierbei,
dass die Wahrnehmungsmodalitäten so intuitiv und natürlich, wie möglich gestaltet werden.
Davon lässt sich wiederum die spezifische Relevanz der Bedienung verschiedener
Wahrnehmungskanäle (visuell, auditiv, haptisch etc.) des Benutzers ableiten. Die Dominanz
visueller Ausgabesysteme begründet sich insbesondere in der Evolutionsgeschichte des
Menschen, der daraus resultierenden generellen Informationsaufnahmequote von 80% über
visuelle Reize [14, S.66] und dem damit direkt verknüpften Gewicht des
Immersionspotentials. Akustische Rückkopplungen hingegen spielen häufig nur im
Entertainmentbereich eine größere Rolle, sind jedoch, neben dem haptischen Feedback,
speziell für den Grad der Immersion (vgl. 1.3.1) sehr förderlich. Weitere Möglichkeiten der
17

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Ausgabe werden nur am Rande behandelt, da sie sich häufig noch im Experimentierstadium
befinden, keine VR-spezifische Relevanz besitzen oder aus z.B. medizinischen Gründen
abgelehnt werden müssen.
Visuelle Ausgabegeräte
Hierbei handelt es sich um die wichtigste Ausgabeform (s.o.). Bedeutendstes Merkmal
visueller Ausgabegeräte aus dem VE-Umfeld ist die Fähigkeit zur stereoskopischen
Darstellung (vgl. auch 1.2.4). Hauptsächlich wird diese Art der Darstellung dadurch erreicht,
dass jeweils ein Bild für das linke und eines für das rechte Auge bereitgestellt wird
(binokulare Disparität, [15]). Ziel ist es folglich, einen 3-dimensionalen Eindruck
(Querdisparation, Stereopsie [15], vgl. auch 1.2.4), also räumliches Sehen zu simulieren. Aus
technisch-ergonomischer Sicht kommt es dabei speziell in Bezug auf die Bewertung der
Darstellungsqualität auf eine flimmerfreie Wiedergabe an. Laut der EU-Richtlinie
„Bildschirmarbeitsplätze“ wird eine Mindestbildwiederholfrequenz von 73 Hz, in diesem Fall
je Auge, empfohlen. Inwieweit dieser und andere Grenzwerte auf das VR-Umfeld übertragbar
sind, ist Betrachtungsgegenstand von Gliederungspunkt 2. Allgemein durchgesetzt haben sich
zwei grundsätzliche Prinzipien der visuellen Ausgabe: erstens die der sog. „Head Mounted
Display“s (HMD) und zweitens die Projektions- bzw. Rückprojektionssysteme. Der Desktop-
Einsatz ist hingegen eher weniger bedeutend, wird aber der Vollständigkeit halber
untenstehend ebenfalls betrachtet.
Desktopsysteme (CRT)
Angelehnt an den gewohnten Umgang mit Desktop-PC-Offices existieren schon seit geraumer
Zeit Ideen und Ansätze, spezielle Applikationen zu verwenden, die gewisse Inhalte in
„virtueller Form“ darbieten. Das hat jedoch mit VR im eigentlichen Sinne nichts zu tun. Am
besten lässt sich dies am Beispiel von 3D-Spielen oder (eher seltenen) 3D-
Datenverwaltungssystemen beschreiben, die praktisch auf einem ganz normalen Monitor
monoskopisch ein 3D-Umfeld repräsentieren, das aufgrund fehlender Stereoskopie nicht
„räumlich erfahrbar“ ist.
Anders verhält es sich mit besonderen Rechnerkonfigurationen (u.a. hinreichend schnelle
Grafikkarte und angemessen schneller Monitor), die die „aktive Stereoskopie“ (vgl. 1.2.4)
erlauben. Kurz gesagt werden abwechselnd die Bilder für das linke und das rechte Auge auf
dem Monitor dargestellt. Dem Benutzer schaltet währenddessen eine sog. Shutterbrille (vgl.
1.2.4) synchron zum Bildwechsel auf dem Monitor über transparente LCDs entsprechend das
linke oder das rechte Auge „dunkel“. Die Synchronisierung erfolgt z.B. über ein IR-Signal.
Durch die alternierende Umschaltung sieht das jeweilige Auge nur das zugehörige Einzelbild
und das Gehirn kann den 3D-Eindruck synthetisieren (vgl. 1.2.4). Auch in größeren VEs bis
hin zur CAVE (vgl. 1.2.5) kommt diese Technologie zum Einsatz.
Der Nachteil der oben beschriebenen desktopbasierter Systeme, abgesehen von der „unechten
VR“, liegt v.a. darin, dass Kopfbewegungen im Normalfall nicht getrackt werden (nur bei
hochspeziellen Systemen oder zu Forschungszwecken) und der Blick eher dem Schauen durch
ein kleines Fenster in die Virtuelle Realität gleicht. Interaktionen sind in begrenztem Maße
z.B. über mechanische Tracker und Eingabegeräte (vgl. 1.2.2) realisierbar.
Unterdessen wird am Fraunhofer IAO an einer Desktop-VE gearbeitet, die sich der
Projektionstechnik und bspw. optischem Tracking bedient, aber sehr kompakt bleibt. Zur
allgemeinen Funktionsweise der Projektionssysteme s.u. Als etwas exotisches, inzwischen
aber anwendungsreifes Verfahren im Desktopbereich wäre der Vollständigkeit halber noch
Dresden3D (Bildtrennung erfolgt durch eine vor dem Display platzierte Prismenmaske) zu
nennen. [16]
18

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Abb. 16, Desktop-VR
HMD
HMD steht für die Gruppe der „Head Mounted Display“s und bezeichnet all jene Systeme,
die, im Regelfall als Helm getragen, die visuelle Darstellung über zwei kleine
LCDs/LCoSs/TFTs/CRTs/CRT-LWLs (je eines für das linke und für das recht Auge,
Fokussierung über Linsen) direkt vor den Augen platzieren. Dadurch wird gegenüber
desktopbasierten VR-Systemen das Problem bei der stereoskopischen Bildtrennung eliminiert
und eine perzeptuell deutlich vergrößerte Immersion erreicht. Zum einen schließt die
künstliche Darstellung den visuellen Apparat des Benutzers ein und außerdem entzieht sie
ihm durch ihre Bauweise den Blick auf die echte Wirklichkeit, bei Einsatz von Kopfhörern
auch die auditive Verbindung. Leider geht damit aber ein entscheidendes Präsenzkriterium
verloren: die Propriozeption (Eigenwahrnehmung). Abhilfe wird angesichts dieser
Einschränkung über Avatare (künstliche Stellvertreter, meist humanoid) geschaffen, die
zumindest eine gewisse Form der persönlichen Präsenz widerspiegeln. Kopfbewegungen
werden ggf. z.B. durch elektromagnetisches oder optisches Tracking registriert und in
entsprechende Perspektivanpassungen der VR umgerechnet. Interagiert wird im Allgemeinen
ähnlich wie bei Desktopsystemen.
Die größten Nachteile von HMDs stellen zweifelsohne deren ergonomische Parameter dar.
Dazu lassen sich folgende kritische Punkte festhalten:
• mangelnder Tragekomfort, aufgrund des Gewichts, der Passform und u.U. der Sperrigkeit
• häufig dürftige Displayauflösung (Consumerbereich:

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Variante des HMDs sollte noch das VRD („Virtual Retina Display“) genannt werde. Hierbei
werden die separaten Bilder mit Hilfe von Lasern in einer Auflösung von 640x480 Pixeln
direkt auf die Netzhaut projiziert. [17] Bedingt durch das aus medizinischer Sicht recht hohe
potentielle Risiko einer Verletzung der Augen, bleibt bis heute eine allgemeine Akzeptanz des
Verfahrens aus.
Abb. 17, HMD
Projektion
Projektionssysteme stellen derzeit den „State of the Art“ in der VR-Repräsentation dar. Dabei
kommen bis zu sechs semitransparente Projektionswände (CAVE, vgl. 1.2.5) zum Einsatz, die
im Allgemeinen rückwärtig, also von der dem Benutzer abgewandten Seite, von Beamern
(meist hochwertige, leuchtstarke CRT-Beamer), z.T. über Spiegel, mit den entsprechenden
Bildern bestrahlt werden. Die entscheidenden Vorteile gegenüber allen anderen visuellen
Ausgabesystemen liegen in der Möglichkeit der relativ beliebig skalierbaren, großenflächig
und gut justierbaren stereoskopischen Darstellung, bei Mehrwandsystemen bis hin zum
vollständigen virtuelle Umschließen der Benutzer, mit einem deutlich erweiterten
Gesichtsfeld und dem dadurch erreichbaren Zugewinn an Immersion, sowie der echten
Propriozeption (der eigene Körper wird innerhalb der VR wahrgenommen, eine gänzlich freie
Bewegung innerhalb der Raumbegrenzungen ist möglich). Es können z.B. 1:1-
Repräsentationen von Automobil- und Architekturenwürfen, sowie virtuelle Prototypen
vielfältigster technischer Systeme exploriert, tatsächlich be-/umgangen, geplant und
begutachtet werden. Auch das „immersive Modellieren“ (Modellieren direkt innerhalb der
virtuellen, immersiven Umgebung) erscheint hier in einem völlig neuen Licht. Außerdem
bieten großwandige oder Mehrwandkonfigurationen die Gelegenheit, die virtuellen
Repräsentationen in Gruppen zu erfahren, Entwürfe zu diskutieren, gar in der VR zu arbeiten.
Um die Stereoprojektion letztendlich auch in eine echte 3-dimensionale Wahrnehmung
umsetzen zu können, wird entweder die aktive (ein Beamer je Fläche notwendig; vgl. 1.2.4
und Desktopsysteme) oder die passive (zwei Beamer je Fläche; vgl. 1.2.4) Stereoprojektion
verwendet. Entsprechend der angewandten Methode müssen bestimmte Stereosichtgeräte
(3D-Brillen, vgl. 1.2.4) von den Benutzern getragen werden. Das Tracking von Kopf und
Eingabeextremitäten erfolgt zumeist elektromagnetisch, bei kleineren oder
Einzelflächenprojektionen (z.B. Powerwall, Workbench/BARON; vgl. 1.2.5) auch optisch.
Zur akustischen Immersion tragen Lautsprechersysteme in Stereo- oder Surroundanordnung
bei.
Doch haben natürlich auch Projektionssysteme ihre Schattenseiten. So bestehen sie generell
aus einer großen Anzahl unterschiedlichster Komponenten, benötigen zum Teil sehr viel
Platz, der Dank der Projektionsumlenkung über Spiegel etwas reduziert werden kann,
erfordern hochwertige Projektionstechnologien (z.B. CRT-Beamer), sehr leistungsstarke
Rechnersysteme, sind demzufolge oft extrem teuer und bieten am Ende genaugenommen
doch nur einem einzigen Benutzer die absolut korrekte, verzerrungsfrei virtuelle Realität in
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häufig lichtschwacher, kontrastarmer und nicht vollständig farbechter Qualität. Warum setzt
man sie aber dennoch ein? Weil die Vorteile, v.a. die unvergleichbare VR-Erfahrung, sowie
die einzigartigen Möglichkeiten im Anwendungsbereich selbst über z.T. gravierende
ergonomische Mängel hinweghelfen. Nichtsdestotrotz kann man aktuell recht sicher davon
ausgehen, dass mit einer Verbesserung der Technik und dem Ansatz, desktoporientierte
Projektionssysteme zu entwickeln, die allgemeine Akzeptanz noch steigen wird und Kosten
moderater ausfallen.
Abb. 18, Projektionssystem
Akustische Ausgabegeräte
Die akustische Ausgabe verstärkt im Normalfall die Immersion und trägt so einer erhöhten
Präsenz bei. So ließen sich beispielsweise Ereignisse (Berührungen, Inter-/Aktionen etc.) mit
einem Soundfeedback kombinieren. [10] Ähnlich wie bei der visuellen Ausgabe spielt dafür
v.a. die Position des Benutzer bei der Soundausgabe eine erhebliche Rolle. Gemäß der
getrackten Koordinaten, sofern Tracking zum Einsatz kommt, wird die Musik-/Geräusch-
/Sprachausgabe über die zur Verfügung stehenden Lautsprecher verteilt – je nach
Systemvoraussetzung entweder in Stereo oder einer Surroundform (variierende
Speakerarrays). Aufgrund der sehr komplexen Klangmanifestation in der Realität (von der
Erzeugung bis zur kognitiven Wahrnehmung im Gehirn) und den noch nicht gänzlich
erforschten Hintergründen setzt man in VEs gewöhnlich stark vereinfachte Prinzipien um. Bei
der NASA in Kalifornien versucht man unterdessen mittels HRTF (Head Related Transfer
Functions) die Filtereigenschaften des Außenohrs und des menschlichen Körpers
nachzubilden, um so zu Modellen zu kommen, die ein akustisches Raytracing ermöglichen
(jeweils auf ein Ohr abgebildet unter Einbeziehung von Objekteigenschaften, Interferenzen,
Reflexionen etc.). So sollen möglichst realistisch Sounds in Echtzeit berechnet und schließlich
dargeboten werden. Allerdings bedarf der Einsatz solch hochspannender Technologien eines
immensen Rechenaufwands und stellt damit gleichzeitig dessen häufigstes
Ausschlusskriterium dar. [10]
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Wie bereits erwähnt, liegt das Hauptaugenmerk der akustische Ausgabe insbesondere auf dem
Unterhaltungsbereich (VR-Projektionskinos, HMDs etc.), spielt aber auch in
wissenschaftlichen Simulationen eine große Rolle. Einen weitläufigen Einsatz neben der
generellen Emotionalisierung scheint es im professionellen Bereich bisher jedoch nicht zu
geben.
Abb. 19, Akustische Ausgabegeräte
Haptische Ausgabegeräte
Ausgabegeräte haptischer bzw. kinästhetischer Modalität können zu einer signifikant höheren
Effizienz von VEs bzw. speziellen Applikationen führen, da Oberflächen ertastet, Objekte
durch Hand- oder Armbewegungen verschoben, deren Lage und Position haptisch bestimmt
oder Objekte generell über Kraftrückkopplung manipuliert werden können. Dabei wird
jeweils der menschliche Tastsinn angesprochen. Die Beschränkung auf die Hand und/oder
den Arm bei der Verwendung haptischer Ausgabegeräte erfolgt aufgrund der Tatsache, dass
dort die Tastrezeptoren am höchsten konzentriert vorliegen (v.a. Hand), die entsprechenden
Geräte ein gutes Aufwand-Nutzen-Verhältnis aufweisen und die Komplexität überschaubar
bleibt. Die Einbeziehung anderer Körperteile wird v.a. aus den beiden zuletzt genannten
Gründen kaum kommerziell eingesetzt – lediglich zu Forschungszwecken. Ein wesentliches
Merkmal bleibt auch hier weiterhin die Höhe der DoF. [10]
Einsatz finden haptische Ausgabegeräte insbesondere bei der Ausbildung von Ärzten
(„Fühlen virtueller Patienten“), virtuellimmersiven wissenschaftlichen Repräsentationen oder
speziellen Anwendungsgebieten, die sich in relativer bzw. völliger Dunkelheit abspielen. [10]
Allgemein wird zwischen „Touch Feedback“ (Berührungsrückkopplung,
Hautsinneszellenstimulation) und „Force Feedback“ (Kraftrückkopplung, Stimulation muskel-
u. knochenspezifischer Nerven) unterschieden. Unter TF würde demnach etwa das
Antippen/Berühren einer Oberfläche, unter FF z.B. das Schieben eines virtuellen
Gegenstandes fallen.
Dem TF nähert man sich deshalb u.a. dank kleiner in einen Handschuh integrierter
pneumatischer Kissen, Micropin-Arrays (Pin-Matrix z.B. für die Finger, z.T. auch in
Handschuhen) oder elektrischer Reize. Aus ergonomischer, vordergründig aber medizinischer
Sicht werden elektrische Reize oder direkte Nervenbahnenstimulationen aktuell nicht mehr
eingesetzt. Dagegen trifft man zunehmend auf eine um die Temperatur erweiterte Ausgabe.
So wurde an der University of Salford (UK) das sog. „Enhanced Tactile Feedback“
eingeläutet, das genau die Integration der fühlbaren Temperaturausgabe mit einschließt. Über
kleine Wärmepumpen können bis zu 65°K Temperaturdifferenz erzeugt werden. Neben einer
vergrößerten Immersion bietet sich dadurch auch die Möglichkeit, kritische Zustände
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innerhalb einer Applikation (z.B. Näherung an lebenswichtige Organe bei virtuellen
Operationen) durch eine spezifische Erwärmung wiederzugeben.
FF wird häufig mit haptischen Eingabegeräten verknüpft und repräsentiert die direkte
physische Rückkopplung. Sie wird in den allermeisten Fällen durch Motoren realisiert, die
z.B. die an einem Arm angebrachte Gestellkonstruktion über Gelenke etc. in bestimmten
Situationen gegen die Muskelkraft des Benutzer bewegt. In der Unterhaltungsbranche werden
u.a. kleinere Systeme wie FF-Joysticks oder –lenkräder angeboten.
Die bedeutendsten Nachteile von TF- und FF-Systemen sind neben dem relativ hohen Preis
auch die begrenzten DoF. Gerade bei größeren Geräten stellt sich zudem aus ergonomischer
Sicht die Frage nach dem Gewicht, der Tragbar- und Nutzbarkeit, sowie der
Belastungsgrenzwerte (Tast-, Druck-, Temperaturempfinden, Muskelermüdung etc.) des
jeweiligen Benutzers.
Abb. 20, Haptische Ausgabegeräte (links „Force Feedback“, rechts „Touch Feedback”)
1.2.4 Erzeugung der 3D-Wahrnehmung
Egal ob Desktop-VE, HMD oder Projektions-VE, das wohl wichtigste Kriterium für die
Einordnung eines Systems in den Kanon der virtuellen, immersiven Umgebungen ist die
visuelle Wiedergabe einer künstlichen Szene mit der Maßgabe, dass der Benutzer einen
echten, mit der Wirklichkeit vergleichbaren 3-dimensionalen Eindruck erhält. Doch wodurch
wird diese 3-Dimensionalität gekennzeichnet, was ruft sie hervor und wie wird sie innerhalb
der verschiedenen VEs erreicht?
Um ein echtes 3D-Empfinden beim Betrachter virtuell nachbilden zu können, bedarf es des
Einsatzes spezieller „Täuschungstechniken“, die sich ihrerseits bekannter
Wahrnehmungsprinzipien bedienen. Die Täuschung kann deshalb überhaupt erst erfolgen,
weil einzig das Gehirn für den finalen Eindruck verantwortlich ist. Hier werden die über
Auge, Retina, Augnerven erfassten/gelieferten Bilder miteinander verrechnet, in Erkennungs-
und Vervollständigungsprozessen mit Erfahrungen kombiniert, in kognitive Korrelationen
gesetzt und vieles andere mehr. Welche wichtigsten Faktoren nun im einzelnen dazu
beitragen, dass aus den ursprünglich 2-dimensionalen Einzelbildern ein optischer
Raumeindruck entsteht, auf welchen alternativen Wegen Raum noch erfahrbar gemacht
werden kann und wie diese Einflüsse im VR-Umfeld zu berücksichtigen sind, sei nachfolgend
in konzentrierter Weise aufgeschlüsselt. Zunächst werden zwei Effektgruppen unterschieden:
primäre opto-physikalische Faktoren und sekundäre darstellungspsychologische Faktoren.
[15]
Opto-physikalische Faktoren
Dies sind all jene Einflüsse, die auf rein opto-physikalischen Basis zur 3D-Wahrnehmung
führen. Sie sind also weniger von Erfahrungen, Erlebnissen, Kenntnissen etc. der Benutzer
23

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abhängig. Zu ihnen zählen die binokulare Disparität, Fokussierung/Akkomodation und die
Konvergenz. Da das Resultat entsprechender Darstellung i.A. sehr benutzerunabhängig ist,
bedient man sich zur Darstellung von virtueller Realität genau dieser Faktoren, v.a. jedoch der
binokularen Disparität und Konvergenz.
Binokulare Disparität
Dieser auch Querdisparation oder Stereopsie genannte Effekt wird erzeugt, indem jedem
Auge ein um den Augabstand (6-7 cm, binokulare Parallaxe [18]) perspektivisch
verschiedenes Bild der gleichen Umgebung dargeboten wird. Dabei hängt es von der
augbezogenen Darstellung ab, ob es zu einer konvergenten (räumlich vor der
Präsentationsebene) oder divergenten (räumlich hinter der Präsentationseben) Disparität und
damit dem entsprechenden Raumeindruck kommt. [19] Für die VR bedeutet dies, dass aus
zwei zu den Augen des Benutzers äquivalenten Kamerapositionen die Bilder der aktuellen
Szene gerendert und dargestellt werden müssen. Wichtig ist, dass die Bilder nicht völlig
verschieden, sondern potentiell kognitiv „kombinierbar“ zu einem Gesamten sind. [15] Durch
diese Darstellungsform wird neben der sehr guten und für VR essentiellen Illusion von Raum
auch erreicht, dass Größen, Entfernungen und andere räumliche Kennwerte einfacher
einschätzbar werden. Der Raum wird erfahrbar – mit der Einschränkung, dass die 3D-
Wirkung aufgrund der Disparität nur für Entfernungen von bis zu 10 Metern von Bedeutung
ist. [19] Ab dieser Entfernung genügt der Augabstand nicht mehr und die 3D-Wahrnehmung
basiert zunehmend auf darstellungspsychologischen Elementen.
Die technische Umsetzung der Bilddarstellung (Stereotrennung) erfolgt abhängig von der
betreffenden VE. Ein HMD, das zwei separate Displays (vgl. 1.2.3, HMD) besitzt, stellt die
beiden Bilder - für das linke und das rechte Auge – jeweils simultan dar.
Steht nur ein Bildschirm bzw. eine Projektionsfläche zur Verfügung, gibt es entweder die
Möglichkeit der aktiven oder der passiven Stereotrennung (nur bei Projektionen, da zwei
Projektoren notwendig sind, um gleichzeitig zwei Bilder auf einem Schirm darzustellen). Bei
der aktiven Stereotrennung werden von einem Bildschirm/Projektor alternierend das Bild für
das linke und für das rechte Auge dargestellt. Eine synchron arbeitende Shutterbrille (kann
über transparente LCDs die Gläser dunkel schalten; Projektor-Synchronisierung erfolgt über
IR-Signal) gibt entsprechend der Bildwiederholfrequenz der Projektion abwechselnd für das
linke und das recht Auge die Sicht frei. So sieht jedes Auge stets nur das Bild, was es sehen
soll. Die Qualität der Darstellung hängt maßgeblich von der maximalen
Bildwiederholfrequenz ab, die jedoch bei diesem Verfahren pro Auge nur die Hälfte des
systemabhängigen technischen Maximums beträgt (z.B. CAVE: je 60 Hz). Auch spielt das
Verdunklungsvermögen der Shutterbrillen eine Rolle, da möglichst kein Licht durch das
dunkel geschaltete Glas fallen soll (Vermeidung von Geisterbildern bzw. Ghostings). Auf der
anderen Seite ist man bestrebt, Kontrast und Helligkeit bei „freier“ Sicht durch das Glas so
wenig wie möglich einzuschränken. Auch das Gewicht der Brille (inkl. Elektronik, LCDs etc)
besitzt aus ergonomischer Sicht eine Relevanz. Ein weiterer kritischer Fakt ist die theoretische
Verdeckbarkeit des IR-Sensors und einem damit verbundenen Shutteringausfall.
Bei der passiven Stereotrennung stellen sich mehrere dieser Problem nicht mehr. So
projizieren zwei separate Projektoren gleichzeitig die beiden Stereoteilbilder rückwärtig auf
die Projektionswand. Allerdings werden diesmal verschiedene optische
Polarisationsfilterpaare zwischen Projektor und Auge platziert. Diese Filterpaare haben die
Aufgabe, von den Projektoren über einen ersten Filter genau polarisiertes Licht
durchzulassen, das dann dank des auf dem jeweiligen Glas der Stereobrille aufgebrachten
zweiten Filters das analoge Auge erreicht. D.h. jeder Projektor wird über definierte
Polarisationsfilterpaare dazu gebracht, dass nur das entsprechend zugehörige Auge das Licht
sehen kann (Näheres unter 4). Dadurch erreicht man bei simultaner Projektion von zwei
Bildern auf einem Schirm dennoch eine Bildtrennung! Da kein Hin- und Herschalten
24

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zwischen den Bildern mehr nötig ist, fällt auch die Reduktion der Bilderwiederholfrequenz je
Auge weg und die ergonomische Flimmergrenze (73 Hz) wird nicht mehr unterschritten. Die
Filterung kann dabei auf zwei unterschiedlichen Wegen passieren. Variante 1: die lineare
Filterung. D.h., dass das Licht für das eine Auge orthogonal zu dem für das andere polarisiert
wird. Problem: neigt man den Kopf, kommt es zu Störeinstrahlungen unerwünschten Lichts.
Dem wurde über ein zweites Verfahren Abhilfe geschaffen, und zwar der – allerdings
trennungsschwächere – zirkulare Polarisation (links-/rechtzirkular). Somit gelangt man
insbesondere in Mehrwandprojektionssystemen (CAVEs) in die Lage, den Kopf beliebig
drehen und neigen zu können. In jedem Fall ist die für die zirkulare Variante notwendige
Polarisationsstereobrille deutlich leichter, also ergonomisch sinnvoller, als ihr Shutterpendant.
Dennoch hat auch die Polarisationsmethode einige Nachteile. Zuerst entstehen aufgrund des
höheren Gerätebedarfs (u.a. doppelte Anzahl Beamer) auch höhere Kosten. Darüber hinaus
funktioniert die Stereotrennung noch nicht ganz wunschgemäß. Dies wiederum liegt u.a. darin
begründet, dass auf dem Weg zwischen Projektor/Filter Filter/Auge
polarisationsverfälschenden Barrieren (Beschaffenheit der Projektionsschirme, Brillengläser)
vorhanden sein können bzw. die Filterqualität häufig noch unzureichend ist. Auch findet v.a.
wegen der Polarisation auf dem Strahlenweg eine spürbare Lichtabschwächung/-verfälschung
statt, die im Gegenzug bessere Projektoren und bessere Filter voraussetzt, wobei besser meist
auch teurer bedeutet.
Abb. 21, Binokulare Disparität
Interessant ist, dass sich selbst die aus dem Printbereich, von normalen Monitordarstellungen
oder Kinovorführungen bekannten Anaglyphenbilder (in Komplementärfarben übereinander
gedrucktes, seitlich leichtverschobenes Bild in rot/grün, rot/cyan, rot/blau) eines
Stereotrennungsverfahrens bedienen, um die beiden Augen bei der Betrachtung mit
verschiedenen Bildern zu beliefern. Nur erfolgt hier die Trennung der Einzelbilder aus dem
„mixed picture“ durch gezielte Farbauslöschungen. Die jeweilige Folie der Anaglyphenbrille
sorgt dafür, dass genau die durch sie markierten Bildbestandteile eliminiert werden (z.B. rote
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Folie eliminiert rote Bildbestandteile). Für den professionellen Einsatz mit der Forderung
nach möglichst farbechten Darstellungen sind diese Stereotrennungsverfahren jedoch nicht
geeignet. Ebenso wenig prädestiniert ist das ChormaDepth-Verfahren der Firma ChromaTek.
Hierbei wird die Disparität in den dargestellten Farben codiert, die durch eine spezielle Brille
gemäß der Prismenlichttrennung in unterschiedlicher Stärke je Auge gebrochen werden.
Abb. 22, Anaglyphenbrille
Fokussierung/Akkomodation
Unter Akkomodation versteht man die sich dynamisch anpassende Wölbung der Linse des
Auges, je nach Fokus bzw. fokussiertem Objekt, um auf der Retina ein scharfes Bild zu
erhalten. Ein einfacher Selbstversuch verdeutlicht den Effekt: bei einem freien recht weiten
Blick (z.B. in die Landschaft), kann man, wenn man den Arm ausstreckt und z.B. den
Zeigefinger nach oben neigt, den Fokus von Zeigerfingerspitze und Landschaftshorizont
„wandern“ lassen. Blickt man auf den Zeigerfinger, wird die Landschaft, der Hintergrund,
unscharf und umgekehrt. Würde nun jedoch auf der „unscharfen“ Ebene plötzlich ein Objekt
scharf dargestellt werden, wäre der Eindruck sicherlich sehr sonderbar. Denn im Normalfall
erwartet man, dass Objekte auf der gleichen Schärfeebene sich auch real in einer Ebene
befinden. In der Fotografie ist das Stilmittel der Tiefenschärfe sehr beliebt und zeigt, wie man
die Simulation von Raum trotz Äquidistanz erreichen kann. [15] Für den Raumeindruck ist
zusätzlich die zur Linsenwölbung notwendige Muskelspannung im Auge von besonderer
Bedeutung. Ähnlich verhält es sich auch bei der Konvergenz (s.u.). [18]
Im VR-Bereich gestaltet sich dies jedoch ungleich schwieriger. Denn um in Echtzeit auf Basis
der Akkomodation 3D-Grafiken zu modifizieren, müssten man immer genau wissen, wohin
der Benutzer gerade schaut. Dazu wäre z.B. ein Pupillentracking gut geeignet. Dann müssten
all jene Objekte, die nicht in der Fokusebene liegen, abhängig von der Distanz zu selbiger mit
einem Unschärfefilter belegt werden. Häufig wird jedoch aufgrund der begrenzten Relevanz
und/oder zu ungenauem Pupillentracking und/oder dem ausschließenden Anwendungsumfeld
(Akkomodationssimulation wäre aufgrund des personengebundenen Pupillentrackings nur im
Einzelbenutzerbetrieb realisierbar) bzw. anderen technischen Unwegsamkeiten auf eine
Integration der Akkomodationssimulation verzichtet. Auch am Fraunhofer IAO war dies
bislang kein Thema.
Abb. 23, Akkomodation
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Konvergenz
Die Konvergenz beschreibt das sehbedingte Zueinanderbewegen/-drehen der Augen,
abhängig von der jeweiligen Objektentfernung. Bei weiter entfernten Objekten (ca. >=6-10m)
ist demzufolge die Blickrichtung der beiden Augen nahezu parallel, liegt das fokussierte Ziel
sehr nahe (ca.

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Für die VR bedeutet dieser Ansatz, alle Objekte einer virtuellimmersiven Szene
perspektivisch korrekt aus Sicht des Betrachters darzustellen. Dies geschieht v.a. durch den
Einsatz des Trackings zur Positionsermittlung (vgl. 1.2.2) und der darauf folgenden
Berücksichtigung der Positionsdaten als Kamerastandpunkt in der Echtzeit-
Szenenberechnung.
Abb. 25, Perspektive
Relative Größe
Die Einschätzung der relativen Größe, von Proportionen und den Entfernungsverhältnissen
eines Objektes in einer 3-dimensionalen Umgebung stellt einen wesentlichen Prozess in der
räumlichen Wahrnehmung dar. Der Mensch beurteilt diese Raumgrößen von projizierten
Objekten viel weniger durch die perspektivische Darstellung, denn durch aus der allgemeinen
Realitätserfahrung bekannten Objektrelationen. [15] Besonders schwierig stellt sich die
Wahrnehmung bzw. Einschätzung völlig unbekannter Objekte dar. Hierbei ist es essentiell,
dass, mit dem Ziel der Erzeugung eines harmonischen/orientierenden Raumempfindens, v.a.
Vergleiche mit bereits Bekanntem angestellt werden können.
Daraus ergibt sich auch eine der Hauptaufgaben des VR-Szenendesigns, innerhalb von
virtuellen Repräsentationen ggf. für eine Vergleichbarkeit durch Darstellung von
Vertrautem/Bekanntem zu sorgen. Wie erwähnt spielt dies besonders eine Rolle, wenn man
entweder mit absolut Neuem oder ungewohnten Darstellungen (z.B. technische
Detailvisualisierungen) konfrontiert wird.
Abb. 26, Relative Größe
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Fernperspektive/Texturgradient
Unter Fernperspektive versteht man die visuell beeinflusste Rezeption von sehr weit entfernt
befindlichen Objekten (Gebirge am Horizont o.Ä.). Sie erscheinen i.d.R. blauverschoben, also
bläulicher. Außerdem reduzieren sich u.U. Farbsättigung und Schärfe (Texturgradient),
begünstigt durch Dunst und/oder andere Wetterphänomene. [15] So wirken nebulöse
Raumsegmente erheblich weiter entfernt, als betrachtete man sie bei freier Sicht.
Bezogen auf VR-Darstellungen beschreibt die Fernperspektive in erster Linie einen Auftrag
des Rendering-Systems, der darin besteht, an den Z-Buffer (Tiefenkoordinate) gebundene
Pixelfarbwertanpassungen (Weißblenden) durchzuführen [22] oder auch parametrisierbare
Masken/3D-Texturen über entsprechende Objekte bzw. Objektbereiche zu legen. Der Effekt
des „nebligen Hintergrundes“ ist auch in der 3D-Computergrafik ein oft bemühtes Stilmittel,
um, abgesehen von der Erzeugung dramaturgischer Spannungsmomente, eine weitläufige
räumliche Tiefe zu simulieren.
Abb. 27, Fernperspektive
Relative Helligkeit
Die relative Helligkeit („depth cueing“) ist ebenso wie die Fernperspektive ein stark
distanzabhängiger Faktor. Dieser besagt hier, dass Objekte mit zunehmender Entfernung
schwächer beleuchtet werden und daher weniger Licht reflektieren – ergo erscheinen sie
dunkler. [15]
Für VR-Repräsentationen bedeutet dies, dass, ebenfalls abhängig vom Z-Buffer, entsprechend
weit vom Betrachter entfernte Objekte zunehmend mit pixelweiser Sättigungs- und
Helligkeitsreduktionen prozessiert oder verdunkelnden Filtermasken kombiniert werden
müssen. Dabei sollte zur realitätskonformen Darstellung der Zusammenhang zwischen
Entfernung (LichtquelleObjekt) und Lichtintensität (an der Objektposition) berücksichtigt
werden (mathematischer Zusammenhang: I~1/d²).
Licht/Schatten
Der visuelle Informationsgewinn durch den Einsatz von Licht und Schatten in 3D-
Umgebungen ist enorm. Schatten treten entweder als „attached shadows“ (Schatten auf einem
Objekt) oder „cast shadows“ (vom Objekt geworfener Schatten) auf. Auf diese Weise verraten
Schatten z.B. auf planen Objektflächen sowohl deren Orientierung als auch die relative
Objektposition (z.B. relative Höhe über Grund). Ferner können sie die
Oberflächenbeschaffenheit, Form, u.U. auch das Material (z.B. Betonkörnung, Holzfasern)
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eines Objektes beschreiben. Demzufolge zeigen „unterschiedliche Reflexionsintensitäten
unterschiedliche Oberflächengradienten“ an. [15, Lambertsches Gesetz] Darüber hinaus
tragen Licht und Schatten auch erheblich zur emotionalen Wahrnehmung (Stimmung) und
dem damit verbunden realitätsbildenden Identifikationsempfinden bei. Nicht zuletzt ist es die
von Licht und Schatten geprägte Welt, die uns täglich umgibt.
Der erfahrungsbedingt subjektiv empfundene Tiefeneindruck von Szenen, in denen Licht und
Schatten zum Einsatz kommen, wird von einer nahezu unabhängigen generischen Erwartung
überlagert – und zwar dem Lichteinfall von oben. Schon die Sonne fördert täglich aufs Neue
diese Grundintention, die bereits seit den 80ern erhebliche Einflüsse auf ergonomische
Interaktionsdesigns im Office-PC-Bereich genommen hat (z.B. Licht/Schatten-Stilisierungen
in grafischen Navigations-, Menü- und Steuerfunktionsinterfaces; siehe Grafik: Licht/Schatten
1).
Unter dieser Prämisse wird an die VR-Grafik praktisch in jedem Anwendungsfall die
Forderung gestellt, plausible Licht/Schatten-Verhältnisse zu repräsentieren. Dazu werden in
der virtuellen Szene u.a. globale Lichter (ohne offensichtliche Quelle), Abstrahlungen
sichtbarer Lichtquellen (Straßenlampen, Kontrollleuchten etc.) Hilfs-/Korrekturlichter und
Reflexionssimulationen („reflection maps“) platziert. Häufig setzt man dabei weit mehr in
Farbe und Leuchtkraft variierende Lichter ein, als in einer vergleichbaren Umgebungen in der
Wirklichkeit zur Erzeugung des gleichen Eindrucks notwendig wären. Abhängig von den
Rechnerkapazitäten, der Szenenkomplexität, den verwendeten Objektmaterialen, den
Echtzeit- und Realitätsansprüchen, sowie den ergonomischen Maßgaben
(Bildwiederholfrequenz, Kontrast, Helligkeit etc.), werden entsprechend „lichtsensitive“
Renderingmethoden (meist Gouraud-, selten Phong-Shading) eingesetzt. Raytrace, Radiosity
und Particle Trace [23] als – in Aufzählungsreihenfolge ansteigend - extrem realitätsfördernde
Globalbeleuchtungsrendervarianten sind aufgrund ihres immensen Rechenbedarfs allgemein
nicht für hochauflösende Echtzeitumgebungen geeignet.
Abb. 28, Licht/Schatten 1
Abb. 29, Licht/Schatten 2
Interposition/Occlusion
Bei der Interposition handelt es sich um Objektüberdeckungen. Die Tiefenwahrnehmung
entsteht dadurch, dass Objekte, die anderer Objektes zumindest partiell verdecken, als
vordergründiger platziert wahrgenommen werden. Dieser Eindruck ist selbst dann gegeben,
wenn die Objekte in Gestalt und abgebildeter Größe völlig identisch sind. Allein die
Überschneidung bringt hier den Raumeffekt (vgl. Grafik: Interposition) und wird zunehmend
bedeutsamer, je mehr sich die betreffenden Objekte aus dem disparitätischen
Wahrnehmungsraum herausbewegen.
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Innerhalb einer VR-Echtzeit-3D-Anwendung entscheidet der Z-Buffer während des
Renderings, welches Objekt ggf. Überdeckungen besitzt und stellt entsprechende Bereiche
nicht dar („backface culling“). Dies bedeutet jedoch nicht, dass die überdeckten
Objektsegmente komplett aus dem Rendering ausgeschlossen werden, denn es besteht immer
noch die Möglichkeit, dass sich bestimmte nicht sichtbare Flächen optischerweise indirekt auf
andere auswirken (Reflexionen, Illuminationen etc.).
Abb. 30, Interposition
Gestaltprinzip
Das Gestaltprinzip beschreibt die Bestrebung des Menschen, Gesehenes zu organisieren, zu
antizipieren [„feature detection“, 24] und zu kategorisieren. [15] Sehen wird infolgedessen zu
einem stark kognitiven Prozess, dessen Erfolg maßgeblich von den Erfahrungen und
kognitiven Leistungen des Betrachters abhängt. Es werden Assoziationen gebildet, die
wiederum die räumliche Wahrnehmung einerseits unterstützen oder überhaupt erst
ermöglichen. Können keine adäquaten Verknüpfungen gebildet werden, verliert sich das
Gesehene in Chaos und/oder Unverständnis.
Aufgabe des Szenendesigners ist es also, den Benutzer einer VE mit Strukturen zu
konfrontieren, die – früher oder später (je nach Zielsetzung der Repräsentation) – kognitiv
entschlüsselt werden können. Also weder chaotische noch prinzipiell unlogische
Anordnungen, damit die Rezeption schließlich in Verständnis münden kann.
Abb. 31, Gestaltprinzip
Bewegung/-sparallaxe
Tiefeneindrücke werden auch dadurch gekennzeichnet, dass sich z.B. bei Kopfbewegungen/drehungen
die Bewegungsgeschwindigkeit von Objekten durch das Blickfeldes mit
zunehmender Entfernung verringert. Objekte werden demnach als näher positioniert
empfunden, je schneller sie das Blickfeld passieren. Ebenso verhält es sich z.B. beim Schauen
aus einem fahrenden Auto. Weiter entfernte Objekte scheinen langsamer vorbei zu „gleiten“,
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als nah gelegene. Der so entstehende Tiefeneffekt besitzt für die 3D-Wahrnehmungen einen
beachtlichen Stellenwert und gelangt häufig unbewusst zum Einsatz, wenn scheinbar
unschlüssige Szenen (relative Größen- und Distanzunklarheiten, auch in der realen Welt)
durch die Bewegungsparallaxe zur Auflösung bebracht werden. [15]
Für eine VR-3D-Szene bedeutet dies, dass die virtuellen Objekte, abhängig von der
Betrachterposition und seiner Blickrichtung (Ermittlung ist jeweils Aufgabe des Trackings),
bei Eigenbewegung oder Translationen in der Szene in Position und Lage ein korrektes
Echtzeit-Update erfahren (Perspektiv- & Positionsupdates). Daraus ergibt sich auch das
Problem bei fehlendem Tracking. Insbesondere bei Consumer-HMDs spielt es zumeist keine
Rolle, wohin der Kopf gedreht wird oder in welche Richtung sich der Benutzer bewegt, die
Abbildungen auf den Displays bleiben konstant. Durch die fehlende Bewegungsparallaxe
sinkt schließlich der Immersionsgrad.
Abb. 32, Bewegungsparallaxe
Kinetischer Tiefeneffekt
Der „kinetic depth effect“ (KDE; Wallach, O'Connell 1953) bezeichnet die Entstehung von
Plastizität aufgrund der Rotation von Objekten. Am einfachsten lässt sich dieses Phänomen
verbildlichen, indem man z.B. die Projektion eines komplexen 3D-Wireframe-Modells
betrachtet. Es wirkt i.A. stark planar, ein räumlicher Eindruck entwickelt sich nicht oder nur
extrem schwer. Rotiert nun aber das 3D-Wireframe-Modell, entwickelt sich umgehend ein
räumlicher Eindruck, der jedoch genauso schnell wieder verschwindet, sobald die Rotation
stoppt. Auch bei Vollkörpern kann man beobachten, dass das räumliche Verständnis des
Betrachters erheblich wächst. [15]
Daher ist es sehr bedeutsam, dass vor allem komplexe Objekte z.B. bei Begutachtungen oder
visuellen Bewertungen auf Bedarf beliebig rotiertet werden können. Eine Anforderung
sowohl an das Szenen- und Interaktionsdesign, als auch an die Interface- und
Funktionsgestaltung der jeweiligen VR-Applikation.
„Umweltbezogene Interpretation / ökologischer Ansatz“ [15] (nach Gibson, 1979)
Hierbei beruht die räumliche Wahrnehmung auf globalen Rezeptionsprozessen. Es werden
nicht mehr einzelne Objekte als raumbildend verstanden, sondern der allgemeine
Zusammenhang aller in der realen oder virtuellen Szene befindlichen Gebilde, also der
„Gesamteindruck“. [15] Der maßgebliche Wahrnehmungsprozess wird in der Literatur als
„bottom-up“-Methode beschrieben (Gibson 1955, Marr 1976). Danach erfolgt ein
„datenbasiertes“ Analysieren der Szene (Positionen, Orientierungen, Bewegungen, Formen,
Farben, Tiefeneindrücke, Texturen etc.), dem ein Zusammensetzen der Detaileindrücke zu
einem Gesamtbild folgt. Auf die 3-Dimensionalität bezogen wird die Raumwahrnehmung
durch die Kombination von „räumlich individuell angeordneten Punkten“ etabliert. [15] Dem
gegenüber steht die hierarchisch wissensbasierte „top-down“-Methode, die besagt, dass der
Mensch, geprägt von persönlichem Vorwissen und Erfahrungen, grundsätzlich von
bestimmten Erwartungen und Vorstellungen während der Wahrnehmung ausgeht. Damit
verbunden ist eine Strategie, die des Erkennen von Objekten schon anhand von sehr
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rudimentären Anhaltspunkten erlaubt. Die Verfeinerung erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt
und erst danach findet das Bilden des Gesamteindruckes statt. [15] Aktuell ist jedoch nicht
belegt, dass entweder die eine oder die andere Methode pragmatischen Gesichtspunkten
vollständig genügt. Viel mehr verheißen jüngere Ansätze, dass die beiden Methoden
situationsbedingt (bottom-up für Unbekanntes, top-down für Bekanntes) oder auch in
Kombination angewendet werden. Ergänzend dazu stützt die Horizontbildung als
perspektivischer Kombinationseffekt zusätzlich die umfassende Raumerfahrung. Der bis ins
Unendliche laufende Horizont grenzt dabei das „Oben“ und das „Unten“ einer Szene, eines
Bildes ab. Unterstützend wirkt sich in jedem Fall der „optische Fluss“ („optic flow“) aus, der
entsteht, wenn man sich z.B. über die komplette Szene hinweg bewegt. Der erzielte Mehrwert
liegt dabei v.a. in der globalen Bewegungsparallaxe.
Im VR-Umfeld lässt sich speziell der zuletzt genannte Fakt sinnvoll einsetzen, wenn man
neue Objekte, neue Szenen oder generell neue Umgebungen einführen möchte. Es handelt
sich dabei also um ein fundamentales Designhilfsmittel zur Verständnisschaffung und
Immersionsförderung.
Abb. 33, Umweltbezogene Interpretation
Nachdem nun die wichtigsten Wahrnehmungsprinzipien beleuchtet und ihre Relevanz für die
VR dargestellt wurde, folgt eine Aufstellung der für diese Arbeit wichtigsten VEs.
Ergonomiebedingte Einflüsse auf die 3D-Wahrnehmung werden essentieller Inhalt der
folgenden Kapitel sein.
1.2.5 Relevante Systeme
Wenn man bedenkt, wie hochvariabel VEs gestaltet sein können, liegt es nahe, speziell die
ergonomischen Betrachtungen auf jene Systeme zu begrenzen, die allgemein akzeptiert sind
und sich bereits im kommerziellen Einsatz befinden. Außerdem beschränkt der Rahmen
dieser Arbeit eine Ausweitung auf möglicherweise interessante, aber noch sehr experimentelle
Systeme.
Die folgenden spezifischen VEs sollen im Fokus dieser Arbeit stehen:
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• Virtual Research V8 (HMD Head Mounted Displays; vgl. 1.2.3 „HMD“)
• Erdebox (Powerwall Stereoprojektionswand; vgl. 1.2.3 „Projektion“)
• BARON (Workbench variabler Stereoprojektionstisch; vgl. 1.2.3 „Projektion“)
• HyPI-6 (CAVE Cave Automatic Virtual Environment
Mehrwandstereoprojektionssystem, vgl. 1.2.3 „Projektion“)
Allen Systemen ist gemein, dass sie computergenerierte Stereobilder repräsentieren. Dazu
sind, abhängig von der Anzahl der Simultandarstellungen, ein oder mehrere in einem
Rechnersystem/-verbund integrierte Grafikkarten notwendig, deren ausgehende Signale über
spezielle Softwaresysteme synchronisiert und zur Stereoausgabe verwendet werden. Aus
dieser allgemeingültigen Tatsache heraus ergibt sich nachfolgend der Verzicht auf die
Erwähnung der jeweilig zugrundeliegenden Rechnersysteme, zumal diese häufig sehr
benutzungsspezifisch ausfallen. Nur diesbezüglich außergewöhnliche Konfigurationen (z.B.
bei HyPI-6) werden kurz beleuchtet.
Virtual Research V8 [25]
Hinter dieser Bezeichnung verbirgt sich, wie oben erwähnt, eine komplette virtuelle,
immersive Umgebung in HMD-Form. Helmartig sind dabei alle relevanten Komponenten
angeordnet, wobei es im Normalfall weder Tracking, noch direkt verknüpfte Eingabesysteme
gibt. Diese müssten individuell und abhängig vom Anwendungsfeld nachgerüstet werden. Die
Haupteinsatzgebiete liegen v.a. im Consumerbereich und professionellen Produkt-/
Designevaluationsgebieten. Im Wesentlichen besteht dieses System aus folgenden
ergonomisch interessanten Komponenten, die auch für die späteren Betrachtungen von Belang
sein werden:
• zwei 1,3“ (diagonal) große Active Matrix Liquid Crystal Displays (640x480x3[RGB] je
Auge, Kontrastverhältnis 200:1)
• Field of View: 60°
• Bildüberlappung: 100%
• unterstützte Pupillenabstände (IPD - Interpupillary Distance): 52-74mm
• Akkomodationsanpassung: 10-30mm
• Justierhilfen für Passform, IDP und Akkomodationsgläser
• Sennheiser HD25 Kopfhörer (variabel positionierbar, wegklappbar)
• Abmessungen: 43x20x15cm
• Gewicht: 1 kg
• Tracking optional (wenn eingesetzt, dann meist optisch)
Abb. 34, Virtual Research V8
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Erdebox [26]
Die Konfiguration der Erdebox entspricht im Wesentlichen der einer Powerwall. Dahinter
verbirgt sich im Normalfall ein einwandiges, meiste planares, sehr großformatiges
Projektionssystem. Speziell in der Automobilindustrie werden diese VEs vermehrt eingesetzt.
Sie können mit nur einem oder mehreren Projektoren betrieben werden. Die Anzahl der
Projektoren hängt dabei nicht nur von Darstellungsart (passiv, aktiv) ab, sondern auch von der
Größe der zu bedienenden Projektionsfläche. So ist es möglich, mehrere Projektoren so zu
kombinieren, dass die entsprechenden Projektionsbereiche aneinandergrenzen. Häufig wird
im Zuge dessen aus raumökonomischen Gründen auf Spiegelkonstruktionen zurückgegriffen.
Die Erdebox des Fraunhofer IAO hingegen arbeitet mit einer direkten, rückwärtigen
Bestrahlung des Schirms, was einen erheblichen Raumbedarf zur Folge hat. Tracking,
Eingabesysteme und Soundausgabe in Verbindung mit diesem VE-Typ sind zusätzlich zu
installieren. Die Erdebox am IAO besitzt folgende auf das Wesentliche beschränkte
Konfiguration:
• zwei Hitachi-CP-sx5500-LCOS-Beamer (Liquid Crystal on Silicon): je 1365x1024 Pixel
RGB, Kontrastverhältnis: 600:1 (lin./zirk. Polarisation)
• Lichtleistung der Projektoren: 1500 ANSI Lumen, 1200 im Whispermode
• Schirm: 3,1m Diagonale (Hochformat)
• Field of View: 76°
• Scanfrequenzen: horizontal: 15-82kHz, vertikal: 56-120Hz
• Soundvorrüstung
• elektromagnetisches oder optisches Tracking
Abb. 35, Erdebox
BARON [27]
Bei diesem System handelt es sich um einen vielseitig einsetzbaren High-Performance-
Projektionstisch. Anwendung findet er v.a. in der Forschung und dem Prototype-Designing.
Mehrere Betrachter können gleichzeitig die VR wahrnehmen, Inhalte diskutieren und
modifizieren. Das Problem besteht aber hier darin, dass von Hause aus keine Eingabesysteme
vorgerüstet sind. Spezielle Hardwareanpassungen sind also vonnöten, um eine Interaktion
überhaupt erst zu ermöglichen. Über die folgenden, wichtigsten Spezifikationen verfügt der
BARON:
• 1-2 BarcoReality-908-CRT-Beamer (aktiv/passiv; vgl. 1.2.3 „Projektion“, lin. Pol.): RGB
(180MHz), je 1600x1250 Pixel (max. 3200x2560 Pixel)
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• Lichtleistung: 10% peak white: 603Nit/176ftL
Ausgabemodi: economy (62Nit/19ftL), normal (91Nit/27ftL), boost (103Nit/31ftL)
• Schirm: 1,7m Diagonale, DAB (Diffuse and Bright) Screen, um 90° schwenkbar
• max. Blickwinkel bei min. 50% Helligkeit: horizontal +/-22°, vertikal +/-23°
• Field of View: 68°
• Scanfrequenzen: horizontal 30-180 kHz, vertikal 37-240 Hz
• optisches Tracking
Abb. 36, BARON
HyPI-6 [28, 29]
Hinter dieser Abkürzung steht die wichtigste VR-Forschungs- und Entwicklungsplattform des
Fraunhofer IAO und zugleich eine außergewöhnliche virtuelle, immersive Umgebung –
entstanden in Kooperation mit BARCO und sgi. Doch was bezeichnet sie eigentlich? „Hy“
beschreibt den hybriden Charakter dieses hochinnovativen Systems, d.h. seine Variabilität
hinsichtlich der Konfiguration. Es kann sowohl von einem skalierbaren PC-Multi-Node-
Cluster oder einer Hochleistungsgrafikworkstation (SGI Onyx 3400, 6 IR3-Grafikpipelines)
betrieben werden (vgl. 1.2.1, 1.2.4). Außerdem stehen entweder die aktive oder die passive
Stereoprojektion zur Auswahl (vgl. 1.2.3, 1.2.4). Zum Einsatz kommen dabei 12 CRT-
Projektoren (s.u.) – pro Wand zwei. Demnach versteht sich die o.g. „6“ als Kennzeichen für
die Anzahl der Projektionsflächen. Diese „6-Seiten-CAVE“ ist also in der Lage, den
Betrachter vollständig, in Form eines Würfels zu umschließen und somit einen immensen
Zuwachs an Immersion zu erzeugen. Diese wird noch dadurch verstärkt, dass die so wichtige
Propriozeption gegeben ist. Erst dank dieser wird ein tatsächlich „Begehen“ virtueller
Modelle möglich, genauso wie ein völlig freies Erfahren. „PI“ als letzter offener Bestandteil
der Bezeichnung steht für „Personal Immersion“, ein vom Fraunhofer IAO geprägter Begriff,
der die vollständige Immersion zum Ausdruck bringen soll.
Vorrangiges Ziel dieses Systems ist die Bereitstellung einer virtuellen, immersiven
Entwicklungsumgebung weitestgehend auf Basis von Standardkomponenten. Zusätzlich sind
neben dem elektromagnetischen Tracking zahlreich Eingabekonfigurationen möglich (vgl.
1.2.2). Nachfolgend befindet sich eine Liste über die wichtigsten Komponenten und
Kennzahlen der 6-Seiten-CAVE HyPI-6:
36

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
• 12 BarcoReality-909-CRT-Beamer (Aktiv-/Passivbetrieb): RGB (180MHz), theoretische
Maximalauflösung: 3200x2560 Pixel (zirk. Pol.)
• Lichtleistung der Projektoren: 10% peak white: 1250 Lumen
Ausgabemodi: economy (195 ANSI Lumen), normal (250 ANSI Lumen), boost (300
ANSI Lumen)
• Aktiv-Mode (vgl. 1.2.4): 1024x1024 Pixel und nur ein Projektor je Wand, Betrieb über 6pipe-Onyx3-IR3-Grafikworkstation,
Stereosicht über CrystalEyes3-Shutterbrillen
• Passiv-Mode (vgl. 1.2.4): 1400x1400 Pixel und zwei Projektoren je Wand, Betrieb über
12 vernetzte Linux-PCs, Stereosicht über Filterbrillen (zirkulare Polarisation)
• Schirme: vier 2,9x2,7m (Wände), zwei 2,9x2,9m (Boden, Decke); jeweils
spezialbeschichtete Kunststoffplatten, Boden aus beschichtetem Mehrschichtglas
• Field of View: horizontal pro Wand 90° (vom Zentrum der CAVE aus), ansonsten
äquivalent zum realen Sichtfeld
• Scanfrequenzen: horizontal 30-180 kHz, vertikal 37-240 Hz
• Tracking: Wireless Motion Star (elektromagnetisch), Auswertung und Steuerung über
separaten PC, User trägt Übermittlungsstation in einem Rucksack (Sender, Akkus etc.)
• Eingabegeräte: standardmäßig 1-2 Hornets (elektromagnetisch), anwendungsspezifisch
aber auch viele andere bis hin zu komplexen Einzellösungen (Fahrsimulator etc.)
Angesichts der technischen Möglichkeiten dieser VE stellt sich natürlich auch die Frage nach
den Einsatzfeldern außerhalb von Forschung und Entwicklung. Anwendungsbeispiele lassen
sich beispielsweise in der Automobil- bzw. Luftfahrtindustrie finden. Hier rentieren sich die
hohen Anschaffungskosten relativ schnell, wenn man bedenkt, um wie viel günstiger z.B.
virtuelle 1:1-Interieur-Mock-Ups (Innenraumstudien) gegenüber realen sind. Dennoch fristen
CAVEs, speziell jene mit der HyPI-6 vergleichbaren Systeme, ein Seltenheitsdasein, v.a. weil
der erreichbare Immersionsgrad und die 100%ige Rundumsicht für die allermeisten
Anwendungen nicht notwendig sind.
Abb. 37, HyPI-6
37

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
1.3 Erleben virtueller Umgebungen
Dieser Abschnitt soll klären, wie sich das Zusammentreffen von Mensch und virtueller
Realität abspielt, welche Größen Einfluss nehmen, auf welchen Ebenen die Mensch-
Maschine-Interaktion (HCI: Human-Computer-Interaction) abläuft und welche Relevanz dies
für die folgenden ergonomiebezogenen Betrachtungen hat. Im Fokus stehen dafür Immersion,
Präsenz, die Rolle der Aftereffects und die Interaktion.
1.3.1 Immersion
Dieser Begriff (dt.: Eintauchen) spielt eine zentrale Rolle innerhalb virtueller Umgebungen.
Er beschreibt sowohl ein phänomenologisches Erlebnis, als auch einen der wichtigsten
Qualitäts- und damit Erfolgsfaktoren eines VR-Systems. Biocca und Levy formulierten 1995
dazu: „The VR environment surrounds the senses. The optimist would say VR embraces the
senses; the pessimist would say it kidnaps them.“ [7, S. 15] Weiter führt Biocca aus:
„Immersive is a term that refers to the degree to which a virtual environment submerges the
perceptual system of the user in virtual stimuli. The more the system captivates the senses and
blocks out stimuli from the physical world, the more the system is considered immersive.“
[30, S. 25] Schon diese wenigen Worte legen treffend dar, worum es der Immersion im Kern
geht: die möglichst realitätsäquivalente Simulation perzeptiver Prozesse mit dem Ziel, die
Sinne des eintauchenden Benutzers über möglichst vielen Kanäle künstlich, d.h. virtuell zu
bedienen, während die Realität im Idealfall völlig ausgeblendet wird.
Aktuell ist ein effektives künstliches Stimulieren des visuellen und auditiven, in Ansätzen
auch des kinästhetischen Apparates des Menschen relativ problemlos realisierbar (vgl. 1.2.3).
Damit liegen diese Faktoren im bevorzugten Einzugsbereich der VR und unterstützen
ihrerseits das Immersionsbemühen beachtlich. Insbesondere die visuellen Reize befinden sich
aufgrund der sehr hohen Bedeutung seitens der menschlichen Wahrnehmung im
Betrachtungsfokus. Olfaktorische (Geruchsinn) und gustatorische (Geschmackssinn)
Momente hingegen sind zwar Objekt von Forschungsstudien, im Realeinsatz jedoch kaum
verbreitet.
Auch der Grad der Intuition während der gerätenahen Interaktion (vgl. 1.3.3) spielt eine
erhebliche Rolle für die Immersion, ebenso wie ein intuitives Szenen- und softwareseitiges
Interaktionsdesign.
Jedoch darf man nicht uneingeschränkt annehmen, dass Immersion ein stets anzuvisierendes
Ziel von virtuellen Umgebungen ist. So gibt es v.a. im Bereich der Augmented Reality
(„angereicherte“ Realität, Compositings aus VR und Wirklichkeit) Anwendungsfälle, wo es
bewusst darauf ankommt, das Künstlich im realen Umfeld identifizieren zu können.
Aus ergonomischer Sicht spielen beinahe alle Aspekte der Immersion eine große Rolle.
Wichtig dafür ist eine objektive Messbarkeit der zu berücksichtigenden Größen und
Elemente. Dazu gehören insbesondere die Aus- und Eingabesysteme (Gestalt, Qualität,
Kenngrößen uvm.), das hard- bzw. softwarespezifische Interaktionsdesign und das
Szenendesign. Die detaillierte Auseinandersetzung mit diesen Umständen wird Gegenstand
der folgenden Kapitel sein. Inwieweit die Immersion selbst zum Objekt ergonomischer
Betrachtungen werden könnte, ist bislang noch nicht erörtert worden. Deshalb wird dieser
Tatsache ebenfalls in den nachfolgenden Kapiteln besondere Aufmerksamkeit geschenkt.
38

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1.3.2 Präsenz
Mit der Präsenz in virtuellen Umgebungen verbindet sich das hochgradig subjektive
Empfinden/Erfahren, d.h. das persönliche Gefühl, in welchem Maße man
„natürlicher/selbstverständlicher“ Bestandteil der künstlichen Welt ist. Dieses Gefühl
beschreibt also im Grunde ein komplexes psychologisches und automatisch subjektives
Immersionsfeedback. 1979 formulierte Gibson in Bezug auf die Wirklichkeit: „Presence is
defined as the sense of being in an environment.“ Adaptiert auf rein medial vermittelte
Realitäten wurde in Anlehnung an stammverwandte Begriffe die Telepräsenz eingeführt.
„Telepresence is definded as the experience of presence in an environment by means of a
communication medium. […] Presence refers to the natural perception of an environment, and
telepresence refers to the mediated perception of an environment.“ [31, S. 76]
Im Idealfall, also der absoluten Immersion in eine virtuelle Umgebung, d.h. der perfekt
simulierten künstlichen Stimulation der Sinne, geht man von einer Deckungsgleichheit der
Begriffe Präsenz und Telepräsenz aus Sicht des Benutzers aus. [32] Diesem sollte es dann
nicht mehr möglich sein, Präsenz und Telepräsenz zu unterscheiden. Vor dem Hintergrund
und der äußerst VR-spezifischen Verwendung des Begriffes Präsenz in der Fachliteratur, wird
in dieser Arbeit ebenfalls Präsenz im Sinne des oben Geschilderten gebraucht. Auch
Blascovich hielt dazu 2002 fest: „Although a universally accepted definition of presence has
not evolved, scholars and investigators agree that this psychological construct is central to
understanding human experience and behaviour within VEs and IVEs (Anm. d. A.: IVE
Immersive Virtual Environments). We define presence as a psychological state in which the
individual perceives himself or herself are existing within an environment.“ [33, S. 129] Ein
Schlusspunkt unter diese Teilbetrachtung sei durch ein Zitat von Witmer und Singer aus dem
Jahre 1998 gesetzt: „Presence is defined as the subjective experience of being in one place or
environment, even when one is physically situated in another.“ [34, S. 225]
Ähnlich wie auch die Immersion bisher nicht als eigenständiges Objekt ergonomischer
Betrachtungen behandelt wurde, ist auch die Präsenz noch ausgeklammert. Allerdings
gestaltet sich hier die Messbarkeit, also die Bewertung ungleich schwieriger, da das
beschriebene Empfinden subjektiv, d.h. von Mensch zu Mensch durchaus sehr verschieden
sein kann. Diverse Modelle versuchen, zumindest die technisch orientierten Determinanten
des Präsenserlebens zu finden. Die wichtigsten vier seien nachfolgend in aller Kürze
dargestellt.
39

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Präsenzmodell von Zelter (1992)
Zelter erarbeitete zunächst drei Variablen:
• „autonomy“ (Maß für das systemseitigen Reaktionsvermögen auf Ereignisse)
• „interaction“ (Maß für die Echtzeitmodifizierbarkeit)
• „presence“ (Maß für Art und Anzahl der dem Benutzer bereitgestellten
Kommunikationskanäle)
Abb. 38, Präsenzmodell von Zelter
Diese Parameter ordnete Zelter in Form eines Würfels (AIP-Cube) an, wodurch ein
Raumdiagramm entsteht, das besagt, dass nur bei völliger Erfüllung der Einzelkomponenten
VR wirklich erfahren werden kann.
Präsenzmodell von Sheridan (1992, 1996)
Aus Sheridans Sicht liegen die Determinanten des Präsenzerlebens in:
„extent of sensory information“ (Ausmaß der generierbaren sensorischen Informationen)
„control of sensors“ (Möglichkeit der individuellen Kontrolle der Sensoren)
„ability to modify the environment“ (Möglichkeit, die Umgebung zu modifizieren)
Abb. 39, Präsenzmodell von Sheridan
40

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Auch Sheridan baut ein 3-dimensionales Diagramm auf, nach dem die „perfect presence“ nur
bei voller Erfüllung der Einzelkomponenten erreicht wird. Allerdings bemerkt Sheridan, dass
die genannten Determinanten stark aufgabenabhängig sind (Aufgabenschwierigkeit, -
geschwindigkeit etc.).
Präsenzmodell von Steuer (1992)
Steuer stellt sein Modell auf folgende zwei, aus seiner Sicht grundlegende und technisch zu
verstehende Determinanten mit ihren zugehörigen Parametern:
• „vividness“ (Maß für die Vielfalt von Wahrnehmungskanälen)
„breadth“ (Anzahl/Breite der Wahrnehmungskanäle)
„depth“ (Auflösung der Wahrnehmungskanäle)
• „interactivity“ (Maß für die Modifizierbarkeit der Umgebung)
„speed“ (Übernahmegeschwindigkeit von Daten in die VE)
„range“ (zeitpunktabhängige Anzahl von Interaktionsmöglichkeiten)
„mapping“ (Anpassvermögen des System an Benutzerverhalten)
Abb. 40, Präsenzmodell von Steuer
Die durch die jeweiligen Parameter bestimmten Determinanten sollen schlussendlich, wie aus
der Grafik erkennbar, bei Erfüllung zur „telepresence“, also zur Präsenz im Sinne der VR
führen.
Präsenzmodell von Witmer und Singer (1994, 1998)
Dieses letzte der herangezogenen Modelle ist weitestgehend integrativ organisiert. Es bedient
sich der Stärken der genannten bzw. ergänzt diese und setzt sie in folgende durch
verschiedene Studien belegte Faktoren um:
• „control factors“ (Kontrollfaktoren), z.B.:
Umfang und Art der Kontrolle
Möglichkeit, die Umgebung zu manipulieren
Antizipation von Ereignissen
• „sensory factors“ (Sensoreneigenschaften), z.B.:
Ausmaß, Multimodalität und Konsistenz der gebotenen sensorischen Information
Grad der Bewegungswahrnehmung
• „distraction factors“ (Störungsfaktoren), z.B.:
Abschirmung gegen Außenreize
Bereitschaft des Rezipienten zur selektiven Aufmerksamkeit
Bewusstsein der Interaktionsmodalitäten
41

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
• „realism factors“ (Realsimusförderung), z.B.:
Realismus in der dargebotenen Szene (v.a. visuell)
Korrelation der vermittelten Informationen mit der Realität
Bedeutungsgehalt der virtuellen Umgebung
Auch hier erfolgt die Bewertung aufgrund des Erfüllungsgrades der vier Basisfaktoren.
Am Ende muss jedoch noch einmal erwähnt werden, dass sämtliches Bemühen um eine
perfekte Präsenz v.a. technisch längerfristig noch scheitern wird. Auch mangelt es derzeit
noch massiv an der Identifikation individueller psychologischer Präsenzfaktoren (z.B.
Adaptionsgeschwindigkeit, Motivation). Künftige Studien werden sich also speziell damit
sehr grundlegend auseinandersetzen müssen, um die Aussagekraft und die Präzision von
Präsenzermittlungen deutlich steigern zu können.
1.3.3 Aftereffects
In 80-95% der Fälle treten nach dem Aufenthalt in einer virtuellen Umgebung bei den
entsprechenden Personen u.U. verschiedene „Nachwirkungen“ oder auch „Aftereffects“ auf.
Diese unerwünschten Begleiterscheinungen nach einem Kontakt mit einer virtuellen
Umgebung können sich verschiedenartig äußern. Neben den unter dem Begriff „motionsickness“
(z.B. beim Autofahren) bekannten Symptomen (u.a. Übelkeit, Schwindel,
Schläfrigkeit), zählen auch Kopfschmerzen, Überbelastungen der Augen, visuelle Flashbacks,
Desorientierung, Gleichgewichtsstörungen, Probleme bei der Auge-Hand-Koordination und
viele andere mehr zu den Aftereffects. Treten Übelkeit und/oder Erbrechen allein aufgrund
des Aufenthalts in einer virtuellen Umgebung auf, spricht man allgemein von „cybersickness“
oder „simulator sickness“. [35]
Die Ursachen für die genannten Symptome und damit essentielle Quellen für ergonomische
Betrachtungen können sehr vielschichtig sein. So spielen beispielsweise das Alter, das
Geschlecht, sowie die persönliche Dispositionen des Benutzers eine genauso entscheidende
Rolle, wie technologischen Systemeigenschaften (u.a. visuelle Auflösung, Helligkeit,
Kontrast, Bildwiederholfrequenz, Stereotrennung, Systemlatenz, Positions- und
Zeitdiskrepanz zwischen Benutzereingabe und Systemfeedback), Interaktions- und
Softwaredesigns (u.a. Sichtbarkeit/Größe von Navigations- und Steuermechanismen,
Handhabbarkeit der Umgebung), die Aufenthaltsdauer und die zu bewältigenden Aufgaben.
Zudem nimmt eine besondere Eigenschaft des menschlichen Nervensystems eine
entscheidende Position im Zusammenhang mit den möglichen Ursachen ein, und zwar die
sog. Wahrnehmungsadaption. Im aktuellen Kontext bedeutet dies, dass sich die
Wahrnehmung aufgrund der Plastizität des Nervensystems auch an offensichtliche
Fehldarstellungen/-eindrücke anpasst, also die falsche Informationsdarbietung adaptiert.
Verlässt man nun die virtuelle Umgebung, verhindert die zuvor erfolgte Adaption eine
problemfreie Umstellung auf die Wahrnehmung der Wirklichkeit – Aftereffects treten auf.
[36] Folgende beispielhafte Adaptionskonsequenz konnte Bricken 1992 in einem Versuch
beobachten: „Adaption to the immaterial nature of virtual objects seemed quite easy for some
students. One girl who seemed particularly at ease in VR bent over to fly down and tried to
put her finger below her feet, through the floor of the lab; she seemed surprised that it was
solid.“
Wie erwähnt, spielen die Aftereffects aus ergonomischer Sicht eine besondere Rolle. V.a.
durch gezielte technische Maßnahmen lassen sich viele der genannten Ursachen für die
unerwünschten Nachwirkungen eines Besuchs in der VR bewältigen. Unter anderem wurde
42

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bereits 1997 auf der „Seventh International Conference on Human Computer Interaction“
unter dem Titel „Aftereffects and Sense of Presence in Virtual Environments“ ausführlich
über Probleme und Bewältigungsstrategien diskutiert. Als Hauptschwierigkeit stellt sich nach
wie vor die Messbarkeit der Aftereffects dar, die jedoch ihrerseits eine entscheidende
Grundlage für fundierte Maßnahmen zur Vermeidung ist. Aufgrund der äußerst subjektiven
Abhängigkeit können also nur Fragebögen oder vergleichbare Szenarien zumindest zu
Teilergebnissen führen. Ein anerkanntes und häufig eingesetztes Beispiel für ein solches
Vorgehen ist der 1993 erarbeitete „Simulator Sickness Questionnaire“ (SSQ) von Kennedy,
Lane, Berbaum und Lilienthal. Er ist als Sonderform aus dem MSQ („Motion Sickness
Questionnaire“, Kennedy, Tolhurst, Grayniel, 1965) entstanden.
Teil dieser Arbeit wird es sein, relevante Faktoren für die unter 1.2.5 genannten System
aufzuzeigen und zu bewerten.
1.3.4 Interaktion
Das wohl Bedeutendste, was eine virtuelle immersive Umgebung ausmacht, ist die
Möglichkeit, mit ihr auf verschiedensten Ebenen, im Idealfall hochgradig intuitiv zu
interagieren. Diese Form der Interaktion kann grundlegend im Kontext der Human Computer
Interaction (HCI) gesehen werden, auch wenn diese sich im Wesentlichen auf die Betrachtung
von Desktopsystemen konzentriert. Ohne die Möglichkeit einer Einflussnahme auf die VR
bestünde der Sinn der sehr speziellen Präsentationstechnik bestenfalls in einer sicherlich
ungewöhnlichen und interessanten, aber für professionelle Anwendungen unbedeutenden
kino- oder fernsehartigen unidirektionalen stereoskopischen Unterhaltungsdarstellung. Doch
beinhaltet VR im eigentlichen Sinne deutlich mehr. Dem Benutzer soll die Fähigkeit verliehen
werden, sein virtuelles Umfeld immersiv zu erleben (vgl. 1.3.1). Nach DIN EN ISO 13407
heißt es in der Begriffsdefinition zu interaktiven Systemen: „[...] Kombination von Hardware-
und Softwarekomponenten, die Eingaben von einem (einer) Benutzer(in) empfangen und
Ausgaben zu einem (einer) Benutzer(in) übermitteln, um ihn (sie) bei der Ausführung einer
Arbeitsaufgabe zu unterstützen.“ [37]
Die Interaktion findet also im Allgemeinen auf zwei Ebenen statt, einerseits auf der bereits
beschriebenen physikalischen (Ein-/Ausgabegeräte, vgl. 1.2.2, 1.2.3) und andererseits auf der
Anwendungsebene. Im Bereich der Anwendung, also der softwaremäßigen
Interaktionsschnittstelle, stehen insbesondere die Navigation innerhalb der Anwendung und
die Manipulation der virtuellen Welt bzw. ihrer Objekte im Vordergrund. Auf welche Punkte
es dabei v.a. ankommt, sei nachfolgend ausgeführt.
Navigation
Unter DIN EN ISO 9241-14 heißt es zur Definition von Navigation: „Orientierung innerhalb
einer Menüstruktur, das Springen von Option zu Option innerhalb eines Menüs sowie das
Springen zwischen Menüs einer Menüstruktur“. Zusätzlich muss berücksichtigt werden, dass
die Navigation idealtypischerweise zügig, genau, intuitiv und fehlertolerant zu erfolgen hat. In
der Realität werden, gemessen an den genannten Ansprüchen, jedoch schnell z.T. große
Defizite deutlich. Je komplexer die Anwendung wird, desto weniger intuitiv gestaltet sich die
Navigation. Optionen wirken unüberblickbar, teilweise auch doppeldeutig und die
Fehlertoleranz sinkt. Da speziell VR-Applikationen derzeit einen ungewöhnlich hohen Grad
an nichtstandardisierten und stark entwicklerspezifischen Merkmalen aufweisen, finden
Softareinterfaceergonomen gerade hier ein in vielen Facetten neuartiges Betätigungsfeld. So
muss untersucht werden, wann 2D- und wann 3D-Menüs sinnvoll sind, wie diese zur
43

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optimalen Verwendung positioniert und gestaltet werden müssen, wie die Interaktion
abhängig von den existenten Eingabesysteme erfolgen kann u.v.m.
Navigation im VR-Umfeld steht aber auch für das orientierende Vorgehen des Benutzers in
der virtuellen Welt. Folgende vier üblichen Modelle zur Navigation in der VR-Szene werden
unterschieden:
• 3D-Pan (3D-Schwenk): auf Bewegungen des Eingabegerätes hin wird die VR-Szene
abhängig von den systembedingten Freiheitsgraden isomorph verschoben (Einsatz v.a. bei
einzelnen und/oder kleineren Objekten)
• World in Miniature (WiM): Veränderung des virtuellen Benutzerstandorts durch Anzeigen
der neuen Zielposition auf einer z.B. gesondert eingeblendeten Miniaturversion der
aktuellen VR-Welt (Einsatz z.B. bei größeren Szenen oder Szenen mit sehr komplexen
Modellen)
• Flymodell (Fliegemodell): durch Blickrichtung oder Zeigen (abhängig von Applikation
und/oder verfügbarem Tracking) wird die komplette Szene kontinuierlich mit einer
bestimmten Geschwindigkeit verschoben, die z.B. durch eine variable Entfernung des
Eingabegerätes vom Körper vorgegeben werden kann (Einsatz v.a. bei Architektur- oder
Geländemodellen)
• Rotieren: ein selektiertes Objekt oder die gesamte Szene wird in dem Maße isomorph
rotiert, wie ein bestimmtes Eingabegerät rotiert wird (allgemein ergänzendes
Navigationprinzip)
Manipulation
Hierunter versteht man die Gesamtheit der Methoden, über die sich verändernd in die VR-
Welt eingreifen lässt. Diesen Eingreifen kann im Wesentlichen direkt oder indirekt passieren,
abhängig von der entsprechenden Objektdistanz.
Die direkte Form der Manipulation betrifft alle Transformationen von Objekten, die sich ohne
besondere virtuelle Hilfsmittel (Zeigestrahl etc., s.u.) im Aktionsraum des Benutzers
selektieren lassen. Auf die Selektion folgt die direkte, meist isomorphe und damit auch
intuitivste Variante der Manipulation.
Entfernte Objekte bedürfen hingegen gesonderter Hilfsmechanismen zum Auswählen und
Manipulieren. Die Auswahl kann erfolgen durch:
• erweiterte Hand: virtuelle Repräsentation der Hand entfernt sich zunehmen von der realen
Hand bis zum Erreichen des entfernten Objekts
• Strahl: unendliche Verlängerung des von der Hand ausgehenden Zeigevektors, gewählt
wird das auf dem Strahl am nächsten befindliche Objekt [38]
• Zeigefinger: ein durch Blick- und Finger-/Handpunkt gebildeter Strahl, der prinzipiell
genauso funktioniert wie der oben beschriebene Strahl
Die Manipulation entfernter Objekte muss unter dem Gesichtspunkt zunehmender
Ungenauigkeit gesehen werden. Spezielle Modifikationsmethoden setzen an diesem Problem
an und versuchen so, die betreffenden Einflüsse zu kompensieren. Die drei meisteingesetzten
Vorgehensweisen sind:
• handzentrierte Objektmanipulation: das Manipulationszentrum des entfernten Objektes
wird in das Objekt verlegt, während die Manipulation selbst von der Hand des Benutzers
beschrieben wird (problematisch: auch hier kann v.a. eine sehr große Entfernung noch zu
gewissen Genauigkeitsproblemen führen)
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• Objektzoom: der Benutzer wird zum Objekt „befördert“, führt dort die Manipulationen
aus und kehrt danach an seinen ursprünglichen Standort zurück (problematisch: Art des
Zooms schnelle kontinuierliche Zooms können Cybersickness verursachen)
• WiM: bestimmte Bereiche oder auch die gesamte Szene können zu
Manipulationszwecken verkleinert und damit für den Benutzer direkt erreichbar
dargestellt werden (problematisch: mangelnden Genauigkeit aufgrund miniaturisierter
Darstellungen)
Wie aus den Beschreibungen zu ersehen ist, bergen die meisten der aufgeführten Navigations-
und Manipulationsmethoden Defizite in sich, die zu analysieren und prototypisch zu lösen
Teil dieser Arbeit sein wird. Eine weitere Schwierigkeit im Zusammenhang mit der
räumlichen Interaktion ist die hohe Anzahl an Freiheitsgraden, deren vollständige
Beherrschung den meisten Benutzern große Probleme bereitet. Existierende Ansätze
beschreiten daher den Weg der Beschränkung von Freiheitsgraden, abhängig vom Niveau der
gewünschten Genauigkeit [38]. D.h., dass um so weniger Freiheitsgrade zur Verfügung
gestellt werden, je genauer die Tätigkeit ausgeführt werden soll (Rasterungen,
koordinatenbezogene Bewegungsconstraints etc.). Da Untersuchungen zu diesem Thema
bislang kaum oder nur unzureichend durchgeführt wurden, soll auch dazu eine
Randbetrachtung innerhalb dieser Arbeit stattfinden.
1.4 Pionierforschungsobjekt VR-Ergonomie
Nachdem die Begriffe VR/VE und Ergonomie vorangehend in sehr umfassenden
Ausführungen in ihren Einzelbedeutungen betrachtet wurden, soll an dieser Stelle deren
Integration erfolgen. Prinzipiell versteht sich die VR-Ergonomie als eine noch sehr junge
Spezialdisziplin der Arbeitswissenschaften. Sie versucht zunächst, die besonderen
Anforderungen an Hard-, Software und Umgebungsbedingungen von VEs zu erarbeiten (vgl.
2), Empfehlungen für die Gestaltung zu formulieren und auf diese Weise Standards zu
schaffen, an denen sich Forschung und Industrie orientieren können – oder vielmehr müssen.
Ziel ist es überdies, arbeitsorganisatorische Optimierungen und prozessintegrative
Effizienzsteigerungen zu erzielen, um die Potentiale von VR je nach Anwendungsgebiet voll
ausschöpfen zu können.
Der Pioniergedanke in diesem Zusammenhang erwächst v.a. aus der Tatsache, dass VR bis
heute kaum irgendwelchen industriellen Standards unterliegt, bzw. sich teilweise adaptive
Standards nur bedingt auf VR anwenden lassen. Zu neu ist das gesamt VR-Feld, zu speziell
die Lösungen und somit zu unausgereift die Prozessintegration als wichtiges ökonomisches
Argument für den Einsatz von VR. Weltweit werden deshalb inzwischen große
Spezialistenkongresse abgehalten, auf denen immer häufiger neben den technoökonomischen
Möglichkeiten und Visionen zunehmend auch ergonomiemotivierte Diskussionen geführt
werden. Man darf es also als ein gutes Zeichen ansehen, dass man nun endlich damit beginnt,
einer Technologie mit gewaltigen Potentialen die dringend notwendige Basis zu geben, von
der aus der Einzug in die verschiedensten Bereiche erfolgen kann. Und diese Basis sind
allgemeingültige Standards, auch und v.a. in Bezug auf die Ergonomie künftiger Systeme.
An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an, deren höhergelagertes Ziel darin bestehen
wird, Impulse zu schaffen, an denen sich möglichst schon in naher Zukunft weiterführende
Forschungsaktivitäten orientieren können. Sämtliche zu erarbeitenden Empfehlungen,
Vorgehensmuster, Bewertungskriterien etc. finden bisher nirgendwo Entsprechungen und so
ist jede/s ein innovativer Akt von großer Bedeutung.
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1.4.1 Evolution im Bereich VR-Ergonomie
Die Wurzeln der VR-Ergonomie liegen in sehr unterschiedlichen Gebieten, was abermals
verdeutlicht, welch hochintegratives Untersuchungsobjekt sich hinter ihr verbirgt. Dabei
kristallisieren sich nach vielen Jahren von Forschung und Entwicklung eine Reihe besonders
bedeutsamer Voraussetzungen heraus, die in ihrem Zutragen zur VR-Ergonomie nachfolgend
kurz beleuchtet werden.
Bereits genannt wurde die Arbeitswissenschaft (vgl. 1.1) als fundamentale Mutterdisziplin
aller ergonomischen Sichtweisen und erstes wesentliches Standbein der VR-Ergonomie. Da
die historischen arbeitswissenschaftlichen Bezüge bereits in 1.1 sehr ausführlich dargelegt
wurden, sei an dieser Stelle lediglich auf entsprechenden Punkt verwiesen.
Das zweite Standbein bildet die VR-Technologie (vgl. 1.2) selbst. Noch viel stärker, d.h.
schneller als die Arbeitswissenschaften haben sich die technologischen Vorgaben in den
letzten Jahren/Jahrzehnten entwickelt. Aus dem anfänglichen Umfeld von computergestützten
Arbeitsplätzen mit üblichen Eingabegeräten, wie Tastaturen und Mäusen (nur 2 DoF) gingen
immer speziellere Konfigurationen hervor, die immer intuitivere Interaktionen bei
Verbesserung von Eingabe- und Darstellungssystemen zuließen. Logische Ergebnisse auf
dem Weg zu heutigen VEs waren die Entwicklung der stereoskopischen Repräsentation (vgl.
1.2.3 u. 1.3), die Erweiterung der DoF bei den Eingabegeräten, sowie das für ein effektives
Präsenzerleben notwendige Tracking von z.B. Kopf- und Handbewegungen (vgl. 1.2.2).
Zusätzlich wurde stetig daran gearbeitet, die multimodale Bedienung der Sinne (vgl. 1.3.1) zu
perfektionieren [39]. Zentrales Anliegen für all diese Bemühungen war und ist nach wie vor
der Wunsch nach einer dem Menschlichen nachempfundenen künstlichen Möglichkeit des
Sehens und Arbeitens. Dieser anfangs eher visionäre Wunsch wurde zunehmend zu einem
Motor für eine hochinnovative Anwendungsforschung, deren einzelne Zentren sich
mittlerweile über die gesamte Welt verteilen.
Das dritte Standbein wird durch die Umgebungsbedingungen (Beleuchtung, Klima, Akustik,
Strahlung etc.) von VEs gebildet. Hier sind Grundlagen ebenfalls in den
Arbeitswissenschaften zu finden, die sich ihrerseits schon verhältnismäßig lange mit den
rahmenbildenden Arbeitsbedingungen beschäftigen. Aus dieser Voraussetzung heraus ist auch
begründbar, wieso dahingehend bereits sehr umfassende wissenschaftliche Betrachtungen
angestellt wurden. Problematisch zeigen sich jedoch hochspezifische Bedingungen, die so von
keinem bisherigen Arbeitssystem auf den arbeitenden Menschen eingewirkt haben. In Kapitel
2 werden im allgemeinen Anforderungskatalog u.a. auch solche Anforderungen zu finden und
zu formulieren sein. Genau dort setzt die konsequente Fortsetzungen, Modifikation oder auch
Evolution bestehender Richtlinien und Maßgaben an und schafft eine entscheidende
Grundlage für die VR-Ergonomie, ebenso wie für die Ergebnisse dieser Arbeit.
Es kann also festgehalten werden, dass trotz der ausgeprägten Eigenständigkeit aktueller VEs,
doch die unvermeidliche Verknüpfung zu den nach wie vor verwandten Desktopsystemen
bleibt, wie sie seit mehreren Jahrzehnten Büros, Produktionsstätten, aber auch das heimische
Umfeld bereichern. Daher verwundert es nicht, dass selbst die ausgefallensten VR-
Technologien sich an gewachsenen informatorischen und arbeitswissenschaftlichen
Richtwerten orientieren, wobei eine starke Filterung und Weiterentwicklung unerlässlich ist.
Das Bestreben ist groß, die Benutzer in einem gewissen Maße an Gewohntes zu erinnern,
während sie sich „in“ das völlig Neue begeben, wobei gerade im VR-Bereich die
Konfrontationstendenz bezüglich neuer Erfahrungen erheblich ist. Das betrifft u.a.
Sehgewohnheiten, Bewegungsgewohnheiten, Arbeitsgewohnheiten und psychologische
Grundmuster. Genauso wie sich die genannten Erfahrungswerte mit der Zeit geformt haben,
sind sie es nun, die den Rahmen für das Neue bilden. Eine gegenseitig verknüpfte Bedingung
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stellt in diesem Zusammenhang eine Schlüsselformel dar und wird auch in Zukunft der Quell
für Nachhaltigkeit, Effizienz und Sicherheit nicht nur im VR-Umfeld sein. Speziell die
Entwicklungen in den Standardisierungen spielen daher für die VR-Ergonomie eine sehr
bedeutende Rolle, wie im Gegenzug die Forschungen in diesem Bereich für die für einen
umfassenden Durchbruch essentielle und fundamentbildende Standardisierungsentwicklung.
1.4.2 Relevanzfaktoren
Nach den umfassenden theoretischen Vorbetrachtungen, Querverflechtungen von Technik,
Psychologie und philosophischen Rahmenkonstrukten, sollen nun all jene Faktoren
(Relevanzfaktoren) herausgestellt werden, die in den wissenschaftlichen
Auseinandersetzungen der folgenden Kapitel mit der VR-Ergonomie von besonderer
Bedeutung sind, d.h. welche Ziele im Detail gesetzt werden.
Unter 1.2.5 wurden bereits die vier VEs vorgestellt, die den technischen Rahmen bilden. Zur
Erinnerung, dies waren:
• Virtual Research V8
• Erdebox (Powerwall)
• BARON (Workbench)
• HyPI-6 (CAVE)
Anhand dieser beispielhaften Systeme wird unter Einbeziehung anthropometrischer
Bedingungen zu klären sein, welche ergonomischen Anforderungen an VR-Systeme
(Hardware, Software) allgemein gestellt werden müssen, wie diese ggf. erhoben und
entsprechende Maßnahmen zur normgerechten Modifikation unspezifisch erarbeitet werden
können (vgl. 3). Auch den bereits angesprochenen Umgebungsbedingungen wird eine
erhebliche Bedeutung und damit Berücksichtigungen bei die Untersuchungen beigemessen.
Den normativen Rahmen dafür stellen v.a. sämtliche deutschen und Euronormen, sowie
fundierte wissenschaftliche Publikationen, aber auch Normäquivalente ohne regionale
Einschränkungen. Anhand dieser und noch zu erarbeitende Systematiken (vgl.3) soll ein
integrativer Richtlinienkatalog abgeleitet werden (vgl. 2), über den z.B. die oben aufgeführten
Stellvertretersysteme bewertet (vgl. 3) und künftige, völlig neue Systeme orientiert werden
können. Dieser Richtlinienkatalog oder auch Anfrorderungskatalog ist in Zusammenhang mit
der zu konzipierenden Bewertungsmatrix (vgl. 3) als dynamisch ausgelegtes
Bewertungsmittel ein offenes und flexibles Produkt, das spezifischen Anforderungen jederzeit
Rechnung tragen kann und einem steten Anpassungsprozess unterworfen bleibt. Es existiert
die Idee, im Rahmen kooperativer Diskussionen eine Plattform/ein Forum zu schaffen, über
welches weltweit durch Wissenstransfers ein generischer Rahmen für die
Standardentwicklung geschaffen werden kann.
Ein weiteres Ziel des Richtlinienkataloges und der mit ihm verflochtenen Systematiken
besteht darin, normative Defizite aufzudecken, Lösungsvorschläge zu definieren, um darüber
Initialimpulse für eventuell notwendige Forschungen zu geben. D.h., es geht darum,
Anforderungen an VR-Systeme, die keinerlei normative Entsprechungen zulassen, durch
wissenschaftliche Methoden zu untersuchen und aufgrund dieser Nachforschungen
Empfehlungen/Maßgaben zu formulieren, die qualitativ einen normäquivalenten Charakter
besitzen. Unter 4 wird eine Auswahl (v.a. Polarisationseigenschaften) der zuvor erkannten
Defizite auf wissenschaftlich fundierte Weise untersucht.
47

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Damit wären die maßgeblichen Voraussetzungen und Ziele genannt, die es in dieser Arbeit zu
behandeln gilt. Mit dem folgenden Kapitel 2 werden die existenten Schnittstellen zur
Diplomarbeit aufgezeigt und deren Bedeutungen für den weiteren Verlauf präzisiert, sowie
u.a. der Anforderungskatalog als das zentrale Instrument erarbeitet.
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Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
2 Richtlinienbewertung und Maßnahmenentwicklung im VR/VE-Umfeld
Ziel dieses Gliederungspunktes ist es, die Vorarbeiten im Bereich der Richtlinienbewertung
und Maßnahmenentwicklung zu spezifizieren, dadurch die Schnittstellen zur vorliegenden
Arbeit zu klären, Defizite in den Vorarbeiten aufzudecken und schließlich eine verifizierbare
Basis für die kommenden Betrachtungen zu schaffen. Diese Basis wird in erster Linie in einen
integrativen Richtlinienkatalog münden, der darlegt, welche ergonomischen Anforderungen
(HW, SW etc.) an eine virtuelle, immersive Umgebung gestellt werden sollten, welche Richt-
bzw. Grenzwerte dafür idealerweise gelten, welche Quellen herangezogen wurden und
insbesondere welche ergonomischen Belange im VR/VE-Umfeld bisher durch keine
Richtlinie, Norm, wissenschaftliche Arbeit etc. abgedeckt werden. Schließlich wird diskutiert,
welche grundsätzlichen Herangehensweisen für die spezifischen Maßnahmenentwicklungen
abhängig vom Anwendungsfeld von Bedeutung sind.
Die Erkenntnisse aus diesem Prozess werden jene Schritte bereiten, die in den
Gliederungspunkten 3 (Entwicklung von Systematiken) und 4 (praktische Untersuchungen)
die wissenschaftlichen Betrachtungen begleiten.
2.1 Rückblick auf Vorarbeiten, Voraussetzungen, Defizite
Hier werden nun all jene bereits existierenden Bearbeitungen kurz beleuchtet, die in ihrem
Gehalt Relevanz für die vorliegende Arbeit besitzen. Es soll klar werden, worin die
Voraussetzungen bestehen, inwiefern Umfang, Tiefgründigkeit und Qualität der Vorarbeiten
wissenschaftlichen Ansprüchen genügen und v.a. wo die Defizite liegen. Erforderliche
Lösungen bzw. Lösungsstrategien werden unter 2.2 und 2.3 erarbeitet.
Richtlinienbewertung
Bei der Richtlinienbewertung handelt es sich allgemein um ein analytisches Vorgehen zur
Synthese anwendbarer Grenzwertquellen. Entgegen möglicher Vermutungen handelt es sich
nicht um eine ausschließlich auf Richtlinien ausgerichtete Untersuchung, sondern bezieht
sowohl Normen, Gesetze, wissenschaftliche Arbeiten etc. mit ein. Der Richtlinienbegriff steht
hier also für den Empfehlungscharakter.
Eine dem gemäße Richtlinienbewertung wurde bereits vor Beginn dieser Arbeit
vorgenommen. Dabei wurden anhand technischer und softwarebezogener Anforderungen an
die genannten VR-Referenzsysteme insbesondere Entsprechungen aus dem Normen- und
Richtlinienumfeld von Bildschirmarbeitsplatztätigkeiten recherchiert. Dies betraf u.a.
Grenzwerte zu den Ein- und Ausgabesystemen, sowie der generellen Körperhaltung während
sitzender oder stehender Tätigkeiten.
Da man sich jedoch an einem klassischen Bildschirmarbeitsplatz weder gehend bewegt, noch
3-dimensionale Bewegungen mit Armen oder Händen durchführt, war es erforderlich,
generischere Erhebungsstrategien für die Ermittlung ergonomischer Belastungsgrenzen
anzuwenden. Auch hierzu wurden erste Schritte bereits im Vorfeld dieser Arbeit
unternommen. So erweiterte man den Betrachtungsrahmen auf industrielle Tätigkeiten, bei
denen speziell das Arbeiten mit Stellteilen (Hebel, Griffe, Anzeigen etc.) oder zusätzlichen
Schutzbekleidungen (Helme, Schutzbrillen etc.) eine Rolle spielt.
Für das Umfeld der VR-Systeme, d.h. Raumbedarf, Raumklima, Raumhelligkeit etc. wurden
erste Richtwerte aus allgemeinen Arbeitsplatznormen und Architekturmaßgaben gewonnen.
49

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Obwohl man mit den geschilderten Voraussetzungen eine gute Grundlage für weitergehende
Untersuchungen vorfindet, waren die erhobenen Referenzen diffus, häufig von zu geringem
Detailgrad, schlecht organisiert und trotz entsprechender Ansätze wenig systematisch. Auch
wurden mehrfach Belastungsverknüpfungen aufgrund eher intuitiver Ansätze angedeutet, wo
bei exakter Analyse keine haltbaren Verbindungen zu definieren sind. Es wurden bis auf
anthropometrische Grundparameter normferne humanbiologische Faktoren nur minimal
berücksichtigt, was eine Erschließung weitere Grenzwertquellen verhinderte. Definitiv nicht
durch bestehendes Normenmaterial zu untermauernde Anforderungen wurden kaum
herausgearbeitet, wie auch ein brauchbarer Anforderungskatalog als gehaltvolles Destillat aus
den umfangreichen Entsprechungsrecherchen nicht existierte.
Maßnahmenentwicklung
Hierunter versteht man generell den Prozess der anforderungsbezogenen Entwicklung von
Anpassungsmaßnahmen bezüglich der bekannten Referenz-VEs. Es soll also untersucht
werden, welche Modifikationen an den bestehenden Systemen vorgenommen werden müssen,
um sie den zuvor erhobenen ergonomischen Anforderungen gerecht zu gestalten. Dabei sind
die relevanten Anforderungen dem Anforderungskatalog zu entnehmen, der Erfüllungsgrad
festzustellen und zu analysieren, welche Lösungsmöglichkeiten existieren. Aus diesen werden
schließlich die technologisch und ökonomisch sinnvollsten ausgewählt und umgesetzt. Die
Maßnahmenentwicklung versteht sich zusätzlich als Hilfsmittel, um über bekannte
Kreativitätstechniken zunächst Wege zu eröffnen, auf denen dann wiederum effektiv nach
entsprechenden Lösungen auf Basis etablierter Schemata gesucht werden kann. Genauer wird
das allgemeingültige systematische Vorgehen zur Maßnahmenerhebung unter 3.1.3
beleuchtet.
Die vorgefundene Maßnahmenentwicklung war hochgradig von intuitiven
Herangehensweisen geprägt und aufgrund der bruchstückhaften Anforderungsliste nur äußerst
eingeschränkt dem maßgeblichen Zweck zuführbar. Demzufolge war auch der
Maßnahmenkatalog als Resultat der Maßnahmenentwicklung mangels wissenschaftlicher
Fundierung noch sehr weit von einem plausiblen Werkzeug zur allgemeinen Anwendung
entfernt. Nichtsdestotrotz wurden zumindest erste Ideen festgehalten, wie entsprechende VE-
Elemente ergonomisch günstiger gestaltet werden könnten, wenn auch effektive
Lösungsstrategien gänzlich fehlten.
Ziel wird es also sein, auf Basis wissenschaftlicher Methoden über die Richtlinienbewertung
zu einem Anforderungskatalog zu kommen, der dann wiederum zur systemabhängigen
Maßnahmenentwicklung dient. Diese soll in Form einer prinzipiellen strategischen
Vorgehensempfehlung entstehen. Dabei werden die Resultate empfehlungsorientiert
erarbeitet, d.h. ein abgeschlossener Normungscharakter wird im Rahmen dieser Arbeit nicht
angestrebt.
2.2 Finalisierung der Richtlinienbewertung
Für eine haltbare Richtlinienbewertung ist es notwendig, einem methodischen
Erhebungsprozess zu folgen. Aufgrund der kaum überschaubare Masse an bereits existenten
Normen und Richtlinien ist es also sinnvoll, ein Erhebungsmodell zu entwerfen, das es
ermöglicht, eine schrittweise Eingrenzung relevanter Quellen zu erreichen. In Ergänzung dazu
sind empirische Methoden stets eine hilfreiche Unterstützung (Expertengespräche,
Benutzerstudien etc.). Nachfolgend soll in wesentlichen Zügen das in dieser Arbeit
50

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
entwickelte und angewandte Modell vorgestellt und in seinen wichtigsten Funktionen
erläutert werden.
Ebene 1 – Analyse der Basisfaktoren
Auf welche primären, ergonomisch interessanten technischen Parameter gestützt sind die zu
untersuchenden VEs grundlegend zu bewerten? Zur Klärung dieser Frage werden die
Systemdaten gemäß Gliederungspunkt 1.2.5 herangezogen. Es ergeben sich daraus folgende
Relevanzen:
• Bildauflösung (effektive Auflösung)
• Leuchtstärke, Kontrast
• Farbechtheit
• winkel-, entfernungsabhängige Leuchtstärke
• Field of View (horizontal, vertikal)
• Bildschirmgröße (Diagonale, horizontale und vertikale Ausdehnung)
• Bildwiederholfrequenzen (horizontal, vertikal)
• Akkomodationsabstand (statisch, dynamisch)
• Passform für kopf-, handgetragene Geräte
• akustische Gestaltung
• Gewicht für getragene Geräte (z.B. Hand-, Kopfgeräte, Rucksack)
• Bewegungsmodalitäten
• Körperhaltungen
• Strahlenbelastung (Tracking, Visualisierungsgeräte etc.)
Ebene 2 – Analyse unmittelbarer Umgebungsparameter
Welche sekundären Beeinflussungsgrößen wirken weitestgehend unabhängig von den in
Ebene 1 genannten Basisfaktoren auf den Benutzer zumeist kontinuierlich ein? Hierbei dient
zur Klärung die exakte Beobachtung und Bewertung chemischer und physikalischer
Einflussgrößen im jeweiligen Einsatzumfeld. Da bis auf Sonderkonfigurationen jede der
Referenz-VEs in architektonisch betrachteten Innenräumen eingesetzt werden, findet eine
Berufung auf entsprechend spezifische Anforderungen statt. Die gefundenen Größen lassen
sich in folgende Liste zusammenfassen, wobei allgemein eine starke
Personenzahlabhängigkeit besteht:
• Umgebungsbeleuchtung
• Umgebungstemperatur
• Luftfeuchtigkeit
• Luftverunreinigungen
• Sauerstoff-, Kohlendioxidgehalt
• Luftstromgeschwindigkeit (Zug)
• Luftwechselrate
• allgemeiner Geräuschpegel
Ebene 3 – Analyse der Wahrnehmungsparameter
Die zentrale Fragestellung dieser Ebene befasst sich mit der Gesamtheit multimodaler
Wahrnehmungseinflüsse und den mit ihr verknüpften physischen, als auch psychischen
Belastungen des Benutzers. Hierbei spielen v.a. die Themen Ausgabegeräte (vgl. 1.2.3), 3D-
Wahrnehmung (vgl. 1.2.4), Immersion (vgl. 1.3.1), Präsenz (vgl. 1.3.2) und die Interaktion
(vgl. 1.3.4) eine besondere Rolle. Entsprechend differenziert müssen die relevanten Parameter
aufgeschlüsselt werden.
• Ausgabeparameter
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Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
o visuell: Helligkeit, Kontrast, Bildwiederholfrequenz, Farbechtheit
o auditiv: Hörschwelle, Schmerzgrenze, Schallrichtung, Beschallungsdauer
o taktil: Reizauflösung, Schmerzgrenze, Belastungsdauer, Berührungsverträglichkeit
o olfaktorisch/gustatorisch: Intensität, Einwirkungsdauer, chemische Verträglichkeit
• 3D-Wahrnehmung
o Akkomodationsweite/-dynamik (Abstand zur Präsentationsfläche)
o Akkomodations-Konvergenz-Diskrepanz (vgl. 1.3.3, Aftereffects)
o Effektivität der Bildtrennung (Shutter-, Filterqualität etc.)
o Szenen-/Interaktionsdesign zur Förderung darstellungspsychologischer Faktoren
• Immersion/Präsenz
o Grad der sensuellen Abschottung gegen die unmittelbare Umgebung
(Gefahrenpotentiale, Arbeitseffizienz)
o Grad der multisensuellen Vereinnahmung (Immersion, kognitive Reizüberflutung)
• Interaktion
o softwareseitiges Interaktionsdesign (Navigation, Steuerung etc.)
o hardwareseitiges Interaktionsdesign (Schnittstellengerätedesign, i.V.m. Ebene 1)
o Intuitivität, Interaktionsstrategien
Ebene 4 – Analyse arbeitspsychologischer Belastungsparameter
Welche Auswirkungen hat das Arbeiten in einer VE auf die Psyche eines Menschen und
wovon hängen diese Auswirkungen ab? Auch wenn die erwiesenermaßen psychischen
Effekte als Resultat aus zwischenmenschlichen Konfrontationen (vgl. 1.1) eine große Rolle
bei den Betrachtungen spielen, sei der Fokus hier v.a. auf die technologisch motivierten
Einflüsse gerichtet. Dabei soll jedoch nur ein Überblick über wesentliche Faktoren erreicht
werden. Diese sind im Grundsatz:
• Isolation
• Arbeitszeit
• künstliches Umfeld
• wahrnehmungspsychologische Belastungen
Nach Aufschlüsselung der Kernthemen der Richtlinienerhebung muss klar sein, dass die
Ebenen des Erhebungsmodells nicht als streng hierarchisch unidirektional organisiert zu
verstehen sind, sondern als ein intrakooperierendes Schalenkonstrukt. Die nachfolgende
Grafik soll dies verdeutlichen.
Abb. 41, Erhebungsmodell
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Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Es wird also in Schritten von der technologischen Basis bis zur psychischen Belastung des
Menschen das gesamte Kontaktspektrum zwischen Benutzer und VE herausgearbeitet. Infolge
dessen kann nun die Aufschlüsselung relevanter normativer Verweise entsprechend den
Ebenen erfolgen, wobei eventuelle Redundanzen vernachlässigt werden.
2.2.1 Relevante Richtlinien und Normen
Für die Berücksichtigung ergonomischer Bezüge zu den Referenz-VEs seien gemäß des
ebenenorientierten Erhebungsmodells von 2.1 jeweilige exakte oder verwandte normative
Entsprechungen, wissenschaftlich fundierte Untersuchungen bzw. generelle
Forschungsansätze konzeptionell aufgeschlüsselt. Es lassen sich im Zuge dessen drei
grundsätzliche Kategorien definieren, in welchen differenzierbare Richtlinienbewertungen
durchgeführt werden können. Im Einzelnen sind dies:
• Anforderungen an die Hardware (VE, Umgebung)
• Anforderungen an die Software (Interaktion, Design)
• Anforderungen an arbeitspsychologische Prinzipien
Entsprechend unterteilt zeigt nachfolgende Tabelle die in den Erhebungsebenen erarbeiteten
Phänomene und normative Referenzen, so weit Referenzierungen möglich sind. Fehlt die
Möglichkeit einer Entsprechung, werden die verantwortlichen Phänomene gesondert markiert.
Phänomen allgemeine normative Entsprechung
Bildauflösung (effektive Auflösung) DIN 5340
Leuchtstärke, Kontrast EN ISO 9241-3
Farbechtheit EN ISO 9241-8
winkel-, entfernungsabhängige
Leuchtstärke
EN ISO 9241-3
Field of View (horizontal, vertikal) EN ISO 9241-5 (z.T.)
Bildschirmgröße (Diagonale, horizontale
und vertikale Ausdehnung)
EN ISO 9241-5
Bildwiederholfrequenzen (horizontal,
vertikal)
BildschArbV, GUV 5012
Passform für kopf-, handgetragene Geräte DIN EN 397, EN ISO 9241-9
akustische Gestaltung BildschArbV
Gewicht für getragene Geräte (z.B. Hand-, EN ISO 9241-9 (Handgeräte), DIN EN 166
Kopfgeräte, Rucksack)
(Augenschutz)
Bewegungsmodalitäten DIN 33411, DIN 33402, Teil 3, DIN EN 894
Körperhaltungen EN ISO 9241-5, -9,
Strahlenbelastung (Tracking,
Visualisierungsgeräte etc.)
BimSchV, TCO '99
Umgebungsbeleuchtung DIN 5035-2
Umgebungstemperatur EnEV, DIN 1946
Luftfeuchtigkeit EnEV, DIN 1946
Luftverunreinigungen EnEV, DIN 1946
Sauerstoff-, Kohlendioxidgehalt EnEV, DIN 1946
Luftstromgeschwindigkeit (Zug) EnEV, DIN 1946
Luftwechselrate EnEV, DIN 1946
allgemeiner Geräuschpegel BildschArbV
visuell: Helligkeit, Kontrast, EN ISO 9241
53

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Bildwiederholfrequenz, Farbechtheit
auditiv: Hörschwelle, Schmerzgrenze,
Schallrichtung, Beschallungsdauer
taktil: Reizauflösung, Schmerzgrenze,
Belastungsdauer,
Berührungsverträglichkeit
olfaktorisch/gustatorisch: Intensität,
Einwirkungsdauer, chemische
Verträglichkeit
Akkomodationsweite/-dynamik (Abstand
zur Präsentationsfläche)
BildschArbV (z.T.)
???
???
EN ISO 9241-5 (z.T.)
hardwareseitiges Interaktionsdesign EN ISO 9241, DIN 33401
(Schnittstellengerätedesign, in
Verbindung mit Ebene 1, s.o.)
Effektivität der Bildtrennung (Shutter-, ???
Filterqualität etc.)
Präsentationsinhaltsdesign EN ISO 9241
Szenen-/Interaktionsdesign zur Förderung EN ISO 14915 (z.T.), EN ISO 9241 (z.T.)
darstellungspsychologischer Faktoren
softwareseitiges Interaktionsdesign EN ISO 14915 (z.T.)
(Navigation, Steuerung etc.)
Intuitivität, Interaktionsstrategien EN ISO 14915 (z.T.), EN ISO 9241 (z.T.)
Grad der sensuellen Abschottung gegen ???
die unmittelbare Umgebung
(Gefahrenpotentiale, Arbeitseffizienz)
Grad der multisensuellen Vereinnahmung ???
(Immersion, kognitive Reizüberflutung)
Akkomodations-Konvergenz-Diskrepanz ???
(vgl. 1.3.3, Aftereffects)
Isolation ???
Arbeitszeit ???
künstliches Umfeld ???
wahrnehmungspsychologische
Belastungen
???
Durch die Zuweisung der Referenzen zu den Phänomenen fand eine implizite Bewertung der
Quellen statt. Eine Quelle gilt solange als irrelevant, bis ein normativer Bezug zu einem
Phänomen hergestellt werden kann. Fehlen generell entsprechende normative Verweise,
handelt es sich um potentielle praktische Untersuchungsgebiete (vgl. 4). Das
Auswahlverfahren wurde somit gemessenen am geforderten konzeptionellen
Bewertungsanspruch abgeschlossen.
2.2.2 Anforderungskataloge
Im Folgenden werden die Resultate bzw. Vorgehensstrategien ausgeführt, mit deren Hilfe
eine ergonomische Bewertung von Systemen prinzipiell vorgenommen werden kann. Die
Werkzeuge, die speziell diesem Zwecke dienen sollen, sind die Anforderungskataloge zu den
drei Kategoriekomplexen von 2.2.1.
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Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Die dort erarbeiteten ergonomischen Grenz- bzw. Empfehlungswerte genügen nachweislich
wissenschaftlichen Ansprüchen, da ihre qualitative Untermauerung sichergestellt ist.
Diesbezüglich defizitäre Ansätze bedürfen weitergehender praktischer Studien und
kennzeichnen indirekt vielleicht am allerbesten den Pioniergedanken des Forschungsgebietes
VR-Ergonomie (vgl. 1.4).
Wichtig für alle kategoriebezogenen Anforderungskataloge ist der Grundgedanke eines
offenen, flexiblen und dynamischen Orientierungsmittels, das auch durch extrem
anwendungsfallabhängige Betrachtungen erweitert werden kann. Wie bereits unter 1.4.2
beleuchtet, sind die theoretischen Produkte der Forschungen zur VR-Ergonomie einem steten
Entwicklungsprozess unterworfen. In Dialogen mit Experten und über umfassende
Benutzerstudien soll im Idealfall ein weltweites Forum geschaffen werden, um aktuelle
Erkenntnisse, neue Forschungsberichte u.Ä. für die Definition von ergonomischen Richtlinien
zur Gestaltung, zum interaktiven Umgang, zur Arbeitorganisation mit und in virtuellen,
immersiven Umgebungen schnell und stark facettiert zusammenzutragen. Näher wird speziell
dieser Ansatz unter 2.4 diskutiert.
2.2.2.1 Hardware und Umgebung
Der im Anhang (S. 119 ff.) aufgeführte Anforderungskatalog zur Bewertung von VEs anhand
klar definierter Grenzwerte stellt eine wissenschaftlich fundierte Basis zum allgemeinen VE-
Hardwaredesign dar. Prinzipiell werden nur funktionelle Anforderungen benannt. Ungeklärte
Phänomene erfahren, wie bereits erwähnt, eine gesonderte Kennzeichnung, wie auch in den
Folgekatalogen.
2.2.2.2 Software
Die starke Verwandtschaft mit künstlichen Präsentationstechnologien klassischer
Desktopsysteme legte den Schluss nahe, zunächst alle relevanten Anforderungen an
weitestgehend äquivalente Bildschirmarbeitsplätze zu berücksichtigen. Diese sind definiert in
einschlägigen DIN- bzw./und Euronormen (u.a. EN ISO 14915, EN ISO 9241). Zusätzlich ist
eine Erweiterung der Inhalte notwendig, um auch den kategoriebezogenen Spezifika
Rechnung zu tragen. Dazu zählen insbesondere das Inhaltsdesign, Szenen-/Interaktionsdesign
zur Förderung darstellungspsychologischer Faktoren, softwareseitiges Interaktionsdesigns
bezüglich Navigation, Steuerung etc. und die Berücksichtigung benutzertypischer
Intuitivitätserwartungen und Interaktionsstrategien. Hierbei werden gerade die zuletzt
genannten spezifischen Elemente auch für zukünftige Untersuchungen eine entscheidende
Rollen spielen, können im Rahmen dieser Arbeit jedoch nur grundsätzlich erörtert werden.
Demnach stellen die im Anhang (S. 132) aufgeschlüsselten additionalen ergonomischen
Anforderungen an das Softwaresystem nur einen ersten Anstoß dar und sollen entsprechend
des formulierten Richtungsgedankens Initiatoren für weitergehende Forschungen
repräsentieren, besitzen also in der Mehrzahl Hypothesencharakter. Auch ist eine klare
Grenzwertempfehlung aufgrund des Betrachtungsgegenstandes so nicht realisierbar. Eher
werden ganzheitliche Empfehlungen ausgesprochen, deren Evaluation Bestandteil künftiger
separater Forschungsarbeiten sein muss.
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Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
2.2.2.3 Arbeitspsychologie
An dieser Stelle wird einmal mehr der extrem interdisziplinäre Hintergrund der VR-
Ergonomie erkennbar. Arbeitswissenschaften, Technologie, Politik und Psychologie greifen
hier ineinander. Dieses Thema gestaltet sich daher zu komplex, um es in allen Details
innerhalb dieser Arbeit zu berücksichtigen. Deshalb wird hier, ähnlich wie zu 2.2.2.1, der
Hypothesencharakter in den Vordergrund gestellt. Inhaltlich werden die unter 2.2 gefundenen
Faktoren beleuchtet. Eine normative Entsprechung ist in den meisten Fällen aus Mangel an
existenten wissenschaftlichen Belegen kaum realisierbar. Es ergibt sich daraus wiederholt die
Aufforderung, in spezifischen Untersuchungen die Empfehlungen zu den erkannten
Phänomene zu evaluieren bzw. neue Empfehlungen und Anforderungen, demnach auch die
zugehörigen Katalogäquivalente, zu erarbeiten.
2.3 Strategien zur Maßnahmenentwicklung
Im Gegensatz zu Richtlinienbewertung und Anforderungserhebung liegt das Ziel der
Auseinandersetzung mit der Maßnahmenentwicklung in erster Linie im Finden von
geeigneten Strategien zur Erarbeitung von Maßnahmen zur Systemanpassung. Das Aufstellen
von konkreten Maßnahmenlisten ist hingegen nicht Bestandteil dieser Arbeit. Dies wird
Aufgabe der Strategieanwendung im realen Umfeld sein. Dazu werden v.a.
Expertenbefragungen, wissenschaftliche Diskussionen und systematische Erhebungen dienen.
Um zunächst den Änderungsbedarf von VEs, gemessen an den erhobenen Anforderungen,
festzustellen, ist es erforderlich, jedes einzelne System auf den Erfüllungsgrad aller relevanten
Anforderungen hin zu untersuchen (vgl. 2.3.1). Wird dabei ein Erfüllungsmangel ermittelt,
besteht generell Anpassungsbedarf. Unter 2.3.2 werden dazu Vorschläge erarbeitet, die
ihrerseits Grundlage für die Systematik zur Maßnahmenerhebung bilden. Es wird also zu
untersuchen sein, inwiefern unter den verschiedenen Voraussetzungen in den einzelnen
Anforderungskategorien eine homogene Vorgehensweise zu extrahieren ist, die dann
wiederum systematisiert werden kann (vgl. 3).
2.3.1 Systembezogene Erfüllungserhebung
Ausgerichtet an den jeweiligen Anforderungen besteht die Hauptaufgabe der
Erfüllungserhebung in der Feststellung spezifischen Erfüllungsgrade. Darunter versteht man
das Maß, zu welchem jede einzelne Anforderung an das VR-System von diesem tatsächlich
erfüllt wird. Das Maß ist zudem erheblich davon abhängig, in welchem Kontext die
betreffende VE eingesetzt wird, d.h. für welche Aufgaben, über welchen Zeitraum, von wem
und vieles andere mehr. Daraufhin lässt sich eine hinreichend exakte anforderungsbezogene
Kennzahl definieren, die den prozentualen Erfüllungsgrad repräsentiert.
Nun ließen sich in Abhängigkeit von zuvor definierten Grenzwerten bzw. Grenzwertzonen
entsprechende Maßnahmenpakete zur Behebung von Erfüllungsmängeln für jede einzelne
Anforderung zusammenstellen. Die Einbeziehung von Zonen könnte hier neben der
Empfehlung von Ober- und Untergrenzen v.a. unter ökonomischen Gesichtspunkten eine
bedeutende Position einnehmen. Dabei verstünden die Zonen sich in diesem Zusammenhang
als gestaffelte Modifikationsintensitäten. Nicht immer wird es notwendig und angemessen
sein, das Anpassungsmaximum zum erklärten Systemänderungsziel zu machen. Viel eher
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Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
sollten, sofern es die jeweiligen Anforderungen in ihrem Erfüllungsspektrum erlauben,
genannte Kosten/Nutzen-optimierte Modifikationsintensitäten ins Auge gefasst werden.
Für die Realisierung eines zonengeführten Maßnahmenkonzeptes müssen alle entsprechenden
Anforderungen in Bezug auf prinzipiell jede VE in ihren Erfüllungsstufen differenziert
werden. Ergebnis eines solchen Schrittes wäre ein separater Anforderungskatalog bzw. eine
Erweiterung der o.g. Katalogvarianten. Schon allein angesichts dieses Ansatzes wird schnell
klar, dass hierzu sehr umfangreiche Untersuchungen anzustellen sind. Wie Vorgehensweisen
zur Berücksichtigung von Grenzwertzonen in Bezug zu betreffenden Maßnahmenerhebungen
aussehen könnten, wird im folgenden Gliederungspunkt 2.3.2 diskutiert.
2.3.2 Konzept zu Maßnahmenkatalogen
Wie bereits unter 2.3.1 verdeutlicht, handelt es sich bei den Maßnahmenkatalogen
grundsätzlich um explizite Empfehlungswerke zur ergonomischen Optimierung bestehender
VEs, aber auch um Gestaltungsrichtlinien für völlig neue Systeme. Man muss dabei jedoch
differenzieren. Auf der einen Seite existieren klare Parameter, zu denen Erfüllungsgrade ohne
Weiteres ermittelt und auf deren Ausprägungen hin angemessene Modifikationen
durchgeführt werden können. Deutlich schwierig gestaltet sich diese pragmatische
Herangehensweise in Verbindung mit weniger „greifbaren“ Anforderungen. Speziell
mental/kognitiv orientierte Maßgaben bedürfen einer spezifischen Behandlung.
Ein weiteres wesentliches Kriterium sind die benannten Modifikationsintensitäten. In ihnen
kann der Schlüssel zu wirtschaftlich und technologisch hocheffizienten Anpassungen
bestehender Systeme gesehen werden. So wird es allen voran dem professionellen Anwender
von Virtual Reality möglich sein, gemessen an seinen Mitteln, der eingesetzten VE und den
minimal zu erreichenden ergonomischen Zielen, maßgeschneiderte Lösungen zu erarbeiten.
Da die Bedeutung der Erfüllungsgrade für die einzelnen Anforderungen ebenfalls sehr
anwendungsspezifisch sind, ist es angebracht, Gewichtungen in die Bewertung einzuführen.
Beispielsweise spielt für VR-Konferenzen die effektive Präsentationsauflösung eine geringe
Rolle als für CAD-Evaluierungen oder immersives Modellieren. Auch ist das FoV für einen
Chemiker, der Molekülstrukturen virtuell visualisiert weniger relevant, als z.B. für einen
Architekten, der Begehungen durchführen und Innenraumgestaltungen überprüfen möchte.
Die Entwicklungsstrategie sieht vor, aufgedeckten Erfüllungsmängeln durch ingenieurmäßige
Problemlösungsprozesse zu begegnen. Das heißt, dass zunächst verschiedene
Voraussetzungen für die Maßnahmenentwicklung geschaffen bzw. beachtet werden müssen.
Dazu zählen im Allgemeinen folgende Schritte:
• Systembewertung auf Basis des Anforderungskataloges, ggf. implizite
Anforderungserhebung
• Isolation von kritischen Erfüllungsgrößen, ggf. Einordnung in Zonenkonzepte
• Bestimmung der jeweiligen Relevanzen für das Gesamtsystem
• Festlegung von Gewichtungen bezüglich des Einsatzgebietes und zugehöriger
Rahmenparameter
• Verifizierung und klare Definition des Änderungsbedarfs bzw. Änderungsspielraums
(technologisch, ökonomisch)
Die folgenden Ausführungen sollen zeigen, wie in den jeweiligen Kategorieumfeldern auf den
o.g. Voraussetzungen aufbauend vorgegangen werden kann, um optimale Ergebnisse bei der
Maßnahmenerhebung zu erzielen. Einige aktuelle exemplarische Anpassungen werden
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Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
vorgestellt. Über die Erhebungs- und Anwendungsstrategien soll es schließlich möglich
werden, fundierte Maßnahmenkataloge zu erstellen. Die Beantwortung der Frage nach der
Umsetzungen gefundener Maßnahmen ist nicht Bestandteil dieser Arbeit.
2.3.2.1 Hardware und Umgebung
Nachdem anhand von expliziten Anforderungen sowohl der definitive Änderungsbedarf
festgestellt, als auch der entsprechende Änderungsumfang anhand von technologischen,
ökonomischen, selbst politischen Rahmenbedingungen klar definiert wurde, können spezielle
Vorgehensweisen zur Behebung technischer Defizite aus ergonomischer Sicht analysiert
werden. Dafür dienen v.a. die VDI-Richtlinien 2221 (Methodik zum Entwickeln und
Konstruieren technischer Systeme und Produkte) und 2222, Blatt 1 (Methodisches Entwickeln
von Lösungsprinzipien), die auch tragendes Element für die Systematisierungen in Kapitel 3
der vorliegenden Arbeit sind.
Folgende Phasen lassen sich aus dem VDI-gemäßen Vorgehensmodell eines zyklischen
Problemlösungsprozesses extrahieren [VDI 2221, Grundlagen der Methodik]:
• Problemanalyse („[...] Gegenüberstellung mit mehr oder weniger Unbekanntem
hinsichtlich der Lösung des Problems.“)
• Problemformulierung („[...] Formulierung und vor allem Präzisierung des zu lösenden
Problems aufgrund des vollständigeren Informationsstandes [...]“)
• Systemsynthese („Beim Suchen nach Lösungen [...] werden Lösungsideen oder schon
konkrete Lösungen erarbeitet und kombiniert. Wesentliches Merkmal ist das Entwickeln
bzw. Erkennen [...] mehrerer Lösungen.“)
• Systemanalyse („[...] wird dann dieses Lösungsfeld hinsichtlich der Eigenschaften seiner
Lösungen analysiert, um die für eine Lösungsauswahl erforderlicher Informationen zu
gewinnen.“)
• Beurteilung und Entscheidung („[...] ist Grundlage für eine [...] Entscheidung über eine
bevorzugte und zur Weiterführung der Systementwicklung geeigneten Lösung oder über
einen Abbruch der Entwicklungen.“)
Abb. 42, Systemtechnische Problemlösungszyklen
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Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Es muss gerade bei der Modifikation technischer Systeme die modulare Integrität im Fokus
der Anpassungsmaßnahmen bleiben. Dies bedeutet, dass es notwendig ist, bei der zyklischen
Maßnahmenerfolgskontrolle auch potentielle Auswirkungen auf alle in der Systemhierarchie
benachbarten Module zu betrachten, um dort ggf. Erfüllungsparameter zu überwachen.
Weiterhin gilt insbesondere hier der Grundsatz vom „Erkennen der Kombinierbarkeit von
Einzellösungen zu Teillösungen und Gesamtlösungen“ [VDI 2221, G.d.M.]. Entscheidend für
viele Fälle im Bereich der VR-Hardware ist überdies die Maßgabe, gewisse Grundfunktionen
von Geräten durch notwendige funktionelle Anpassungen optimalerweise nicht zu
beeinflussen. Im folgenden Beispiel der in der CAVE eingesetzten Stereobrille zur
Bildtrennung im passiven Projektionsmodus (gilt im übertragenen Sinne auch für die aktive
Stereobrille) sollen die o.g. Schritte von der anforderungsbasierten Erfüllungsbewertung bis
zum Lösungskonzept durchlaufen werden.
Problemanalyse
Die passive Stereobrille, die z.B. in der CAVE einerseits als binokularer Einzelbildseparator
(vgl. 1.2.4), andererseits aber auch als Träger für den Kopfpositions-/lagesensor
(elektromagnetisches Tracking, vgl. 1.2.2) dient, weist z.T. gravierende ergonomische Mängel
auf und ist damit geradezu prädestiniert für eine exemplarische Behandlung. Umfassende
Benutzerstudien ergaben folgende elementaren Defizite:
• Auflagefläche auf der Nase ist zu schmal und zu hart, wodurch ein übermäßiger
Schmerzdruck erzeugt wird
• Gewicht des einseitig angebrachten (meist am vorderen Außenbereich des linken Bügels)
Kopfpositions-/lagesensors und des von ihm ohne weitere Zugentlastungen vertikal
freihängenden Kabels zum Rucksack bewirkt durch ein ungünstiges Drehmoment eine
Schrägstellung der Brille und dadurch einen nochmals vergrößerten Schmerzdruck
• zirkularen Polarisationsfilter auf den Gläsern bewirken visuelles Übersprechen der
Einzelbilder für das linke und das rechte Auge und einer damit verbundenen Störung der
3D-Wahrnehmung
• Filter bewirken Lichtminderung und damit Kontrastreduktion, aber Farbverfälschungen
Problemformulierung
Auf die Problemanalyse kann nun die exakte Problemformulierung folgen. Dabei geht man im
Regelfall so vor, dass die Einzelprobleme zunächst separat bearbeitet werden. Für den
vorliegenden Fall sei deshalb beispielhaft die ungleichmäßigem Gewichtsverteilung gewählt.
Die ungleichförmige Gewichtsverteilung (Links Rechts) muss ausgeglichen werden. Es
muss eine Drehmomentverringerung/-verlagerung (Sensor, hängendes Kabel) erfolgen, um
sowohl die stark linksseitige Schmerzbelastung, als auch die Schrägstellung der Brille
auszuräumen. Der Sensor muss zur Kopfpositions-/Lageerkennung nutzbar und allgemein
entfernbar bleiben. Darüber hinaus dürfen die grundlegenden Eigenschaften der Brille
(aufsetzbar, tragbar, keine weitere Einschränkung des Gesichtsfeldes) nicht eingeschränkt
werden und es dürfen keine neuen Belastungen hinzu kommen. Weiterhin sind sowohl
limitierte Umsetzungszeit, als auch begrenzte Finanzen zu beachten.
Systemsynthese
Zwei zentrale Faktoren konnten identifiziert werden, die zur belastenden Gewichtsverteilung
führen. Nachfolgend seien diese wichtigsten Faktoren genannt und Lösungsvorschläge
erarbeitet:
• Position des Sensors (Drehmoment, einseitiges Gewicht):
In früheren Versuchen wurde festgestellt, dass eine Platzierung (augennah für korrekte
Positionsbestimmung und damit Szenenberechnung) des Sensors mittig zwischen den
59

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Augen aufgrund seiner Größe eine allgemein sehr störende Einschränkung des
Gesichtsfeldes darstellt. Auch die Anbringung eines Kopfgurtes wurde wegen zusätzlicher
Belastungen und einem zu aufwendigen Anlegen ausgeschlossen.
Um weder das Gesichtsfeld weiter einzuschränken, noch eine Zusatzbelastung auf die
Kopfoberseite zu verursachen, wäre es sinnvoll, nicht den Sensor zu verlegen, sondern ein
Gegengewicht zur Lagestabilisierung für die Brille am rechten Bügel zu installieren.
Dieses Gegengewicht muss ebenso entfernbar sein, wie der Sensor. Ergibt sich daraus ein
verifizierbar verstärkter Druck auf Nasenrücken und/oder Ohrenansatz, sollte diesem im
Zuge der Behandlung des Problems „Auflagefläche“ Rechnung getragen werden
(Ausnutzung von Effektverwandtschaft).
Alternativ könnte ein kleinerer ergo leichterer Sensor eingesetzt werden. In Verbindung
mit dem Faktor „Kabelverlauf“ (s.u.) ist eine zusätzliche Drehmomentverlagerung und
somit kumulierte Belastungsverminderung zu erreichen.
• Kabelverlauf (Drehmoment- und Gewichtsverstärkung)
Das Kabel ist bisher notwenig, um die Sensordaten (Position, Lage) an den im Rucksack
mitgeführten Sender zu übertragen. Da der Sensor an der Außenseite des linken
Brillenbügels angebracht ist, wirkt das Kabel durch die Schwerkraft besonders
drehmomentverstärkend.
Das Kabel muss also einen anderen Weg zum Rucksack finden. Ein Führen über Kopf
oder durch das Gesichtsfeld ist dabei aus o.g. Gründen ausgeschlossen. Bleibt zunächst
nur der Weg über den linken Bügel (außen am Bügel oder im Bügel), was wiederum eine
Verlagerung des Drehmoments von der Bodenausrichtung nach hinten über das Ohr
bedeutet. Dies entlastet in erster Linie die problematische Auflagefläche auf dem
Nasenrücken. Ein positiver Nebeneffekt ist der Wegfall der durch das Kabel zuvor
verursachten leichten Gesichtsfeldstörung. Weiterhin wird die Schrägstellung der Brille
verringert, was die Masse des notwendigen Gegengewichtes am rechten Bügel und somit
die Gesamtbelastung der Auflageflächen reduziert.
Alternativ könnte ein kabelloser Sensor eingesetzt werden. Jedoch verknüpft sich damit
der Bedarf einer Subsendeeinheit, sowie einer Energiequelle im Sensor, um die Daten an
den Hauptsender im Rucksack zu übertragen. Dies bedeutet einen höheren Aufwand an
Technologie und dadurch an Masse, die entsprechend ausgeglichen werden müsste. Eine
erhöhte Gesamtmasse erhöht ihrerseits den Druck auf die Auflageflächen, die dann stärker
gepolstert werden sollten.
Systemanalyse
Um die potentiell beste Lösungen objektiv beurteilen zu können, ist eine genaue Analyse der
Ergebnisse aus der Systemsynthese notwendig. Zentral sind besonders die folgenden Fakten
von Bedeutung:
• technischer Aufwand
• geschätzter zeitlicher Aufwand
• geschätzter finanzieller Aufwand
• tendenzielle Neuentwicklung von einzelnen Elemente/Module
• Einflussnahme auf benachbarte Elemente/Module
60

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Konkret ergibt sich daraus für die behandelten Problemkomplexe nachstehende
Analysematrix:
Lösungsansatz
(Kurzbezeichnung)
techn.
Aufwand
Gegengewicht gering
kleinerer/leichterer groß
Sensor
Kabelführung über mittel
Brillenbügel
kabelloser Sensor groß
zeitl.
Aufwand
gering
groß
gering
groß
finanz.
Aufwand
mittel
groß
gering
groß
Neuentwicklungen
minimal
ja
teilweise
ja
Querbeeinflussungen
ja (+/-)
ja (+)
ja (+)
ja (+/-)
Lösungskennzahl
max: 63
53
Beurteilung und Entscheidung
Auf Grundlage der oben erstellten Analysematrix werden nun die optimalsten Lösungsansätze
ausgewählt. Dazu sollte eine angemessen detaillierte Bewertung erfolgen, die sich auf ein
übliches Gewichtungsmodell stützt. Zu diesem Zweck werden wertgrößenabhängig generelle
Bewertungen für die Analysefakten vergeben (z.B. 0-9) und anschließend für jedes Faktum
eine Gewichtung (z.B. 0-2) festgelegt (in spitzen Klammern). Daraus ergibt sich für jeden
Lösungsansatz eine objektive Kennzahl, die nach Prüfung aller relevanten Kriterien eine
fundierte Vergleichsreferenz liefert (größte Kennzahl entspricht potentiell bester Lösung).
Gemäß des VDI-konformen Problemlösungskonzeptes erhält man auf diesem Wege eine
Auswahl realisierbarer ergonomischer Verbesserungen, auf deren Basis die exakte
technologische Umsetzung geplant werden kann. Nachfolgend ist die beispielhafte Lösung
[nach Frank Haselberger, IAO] des Gewichtsverteilungsproblems bezüglich der passiven
Stereobrille zu sehen. Diese Lösung ließe sich in geringer Modifikation ebenso auch auf die
prinzipiell problemverwandte aktive Stereobrille anwenden.
Abb. 43, Modifizierte Stereobrillen (oben: passiv, unten: aktiv, rechts: CAD-Modell für Gegengewicht)
24
49
17
61

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2.3.2.2 Software
Zur Erinnerung, der relativ allgemein überschriebene Bereich Software umfasst die
kompletten softwareseitigen Interaktions- und Darstellungstechniken. Da die Darstellung
wiederum eng mit der Wahrnehmung verknüpft ist, sind auch hierin wichtige Faktoren unter
o.g. Gesichtspunkt zu sehen. Damit ergeben sich stark integrative Lösungsanforderungen, die
dennoch in ihre Einzelspezifika differenziert gesehen werden müssen. Keine
Berücksichtigung finden unterdessen Softwareoptimierungen, die beispielsweise größere
Systemstabilität oder Systemperfomance zum Ziel haben, wobei das Thema Performance
immer ein wichtiges Bewertungskriterium bleibt.
Gezeigt werden soll die zumeist verwobene Problemstruktur an einem akuten
Interaktionsdefizit. Dabei geht es um die Darstellungs- und Designmodalitäten von
Navigations- und Steuerungseinblendungen (Menüs) innerhalb von VR-Szenen. Zur
Bearbeitung wird ein zur Hardwarebetrachtung hinreichend modifiziertes
Vorgehensäquivalent gewählt.
Problemanalyse
Der Umgang mit Menüs in virtuellen, immersiven Welten wird durch viele
Negativeigenschaften sehr erschwert. Da die Anzahl dieser Mängel verhältnismäßig groß ist,
seien im Anschluss nur die wichtigsten genannt:
• stark anwendungsspezifische, d.h. inhomogene Menüformen (z.B. Kugel, verschiedene
Fläche)
• häufige Außerkraftsetzung der üblichen Lesrichtung (z.B. strahlenweise Optionen)
• Nichtbeachtung von Sehgewohnheiten für Lestexte (z.B. außerhalb der
Akkomodationsebene)
• sehwinkelbedingt verdeckte Optionen (z.B. Kugelmenü)
• sehwinkelbedingt verfärbte Optionen (z.B. verfälschte Farbdarstellung bei gekippten,
beleuchteten Farbselektionsmenüs)
• inkonsequente Präsentationsmodalitäten (variable Entfernung, Größe, Winkel etc.)
• häufig inkorrespondente Interaktion-/Präsentationszustände (z.B. zeigendes Eingabegerät
angewendet auf gesteuertes Kugelmenü)
• instabile Menürepräsentationen (Menü drehen sich abhängig von Drehung der Welt)
• mangelnde Intuitivität
Abb. 44, Interaktionstools (v.l.n.r.: BOULE, SAMUEL, HYMOD, TULIP)
62

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Da analog zu 2.3.2.1 an dieser Stelle nur eine exemplarische Maßnahmenerhebung stattfinden
soll, wird das Augenmerk auf das Phänomen der Nichtbeachtung von Sehgewohnheiten für
Lestexte gelegt.
Problemformulierung
Unabhängig von der zumeist festen Akkomodationsweite von VR-Ausgabeschirmen, werden
Menüs vor oder hinter der Akkomodationsebene dargestellt. Wissenschaftliche Studien haben
ergeben, dass das Lesen von Texten außerhalb der Akkomodationsebene eine starke
Beanspruchung der Augen verursacht. Beim Lesen finden ständig Fokussierungen auf den
Text bzw. dessen Wörter statt, was zu Wahrnehmungsbedingungen gemäß herkömmlicher
Bildschirme oder Papiermedien führt. Das Rezipieren von akkomodationsfernen Texten
fördert jedoch aufgrund der Diskrepanz zwischen Konvergenz und Akkomodation erheblich
vergrößerte Anstrengungen und somit übermäßige Belastungen der Augen. Gerade ein
häufiges Arbeiten mit Menüeinblendungen würde die effektive Arbeitszeit ohne nachhaltige
visuelle Entkopplungen (vgl. 1.3.3) enorm verringern, was im Endeffekt eine unnötig
reduzierte Produktivität zur Folge hätte.
Systemsynthese
Die Problematik im geschilderten Zusammenhang ist damit klar, Navigations- und
Steuerungspräsentationen sollten stets in der Akkomodations- also Bildschirmebene
manifestiert werden. Damit verbunden ist eine Menüfixierung, die bei Verdrehungen der Welt
nicht auch zu Verdrehungen der Menüs führen. Es ist dabei zusätzlich auf eine genügend
große Darstellung zu achten, um die generelle Lesbarkeit zu gewährleisten.
Denkbar ist eine u.U. teiltransparente Darstellung, um den Bezug von Optionsanwendungen
zu Objekten o.ä. nicht zu verlieren, da entsprechend groß eingeblendete Menüs in der
Bildschirmebene größere Szenenteile verdecken könnten. Auf der anderen Seite dürfen
vordergründige Objekte nicht zu Verdeckungen von Menüteilen führen. Sind Menüs nur von
begrenzter Größe, könnte die Software sie neben den im Vordergrund befindlichen Objekten
anordnen, so lange dafür genügend Raum besteht. Fehlt der Platz oder ist eine konsequente
Darstellungsmodalität angestrebt, ist z.B. ein Ausblenden oder hinreichend opakes
Wiedergeben von Objekten zwischen Benutzer und Bildschirm möglich.
Alternativ könnte man generell bei Menüeinblendungen die gesamte Szene abdunkeln und das
Menü in gewohnter Helligkeitsumgebung an fixer Position anzeigen. Auch ist bei
Menüaktivierung die Einblendung eines variablen Szenenrahmens zu erwägen, der den
Szenenausschnitt um die Menügröße beschränkt. In jedem Fall aber müssen die Menüs in
Akkomodationsweite und angemessener Größe, sowie Auflösung präsentiert werden.
Systemanalyse
Für die Systemanalyse wird das Modell aus 2.3.2.1 gewählt, um die potentiellen Lösungen in
ihren Rahmenparametern zu systematisieren. Daraus ergeben sich für den bearbeiteten Fall
der Nichtbeachtung von Sehgewohnheiten für Lestexte folgende Ergebnisse:
63

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Lösungsansatz
(Kurzbezeichnung)
Menüpräsentationen
in Akkomodationsentfernung
Menügröße und
-auflösung
Szenenverdunklung
b. Menüeinblendg.
fixe Menüs (z.B.
techn.
Aufwand
mittel
mittel
mittel
mittel
mit Szenenrahmen)
variable Menüs mittel
zeitl.
Aufwand
mittel
mittel
mittel
groß
groß
finanz.
Aufwand
mittel
mittel
mittel
groß
groß
Neuentwicklungen
ja
ja
ja
ja
ja
Querbeeinflussungen
ja (+/-)
ja (+)
ja (+/-)
ja (+)
ja (+/-)
Die Unterteilung soll verdeutlichen, in welchen Problemgruppen Alternativlösungen
existieren.
Lösungskennzahl
max: 63
44
Beurteilung und Entscheidung
Auch hier kann analog zu 2.3.2.1 gearbeitet werden. Es ergibt sich daher unter Einbeziehung
der abgeschlossenen Systemanalyse die oben integrierte Bewertungsmatrix:
Entsprechend lassen sich zunächst verschiedene realisierbare Konzeptentwürfe gestalten. Für
eine endgültige Entscheidung ist jedoch, wie oben angesprochen, eine Perfomanceanalyse für
die Softwarearchitektur anzustellen. Diese Maßgabe ist den meisten Modifikationen an
Softwaresystemen gemein, doch insbesondere für rechenlastige Echtzeitanwendungen
ausgesprochen relevant.
2.3.2.3 Arbeitspsychologie
Die arbeitspsychologischen Faktoren stellen neben den hochinnovativen technologischen
Elementen die bislang am unzureichendsten untersuchten der VR-Ergonomie dar. Schon unter
2.2.2.3 wird in diesem Zusammenhang verdeutlicht, wo die zentralen Schwierigkeiten liegen.
Um so komplizierter ist es, für die beobachteten Phänomene passende Maßnahmen zu
formulieren bzw. zunächst zu erheben. Im Ansatz wird natürlich ein verwandtes Prinzip zur
Anwendung kommen, wenn auch eine konkrete Auseinandersetzung in allen notwendigen
Details den Psychologiespezialisten überlassen werden sollte. Demnach finden sich
nachfolgend weitestgehend hypothetische Erhebungsstrategien mit dem Ziel zumindest einen
Grundstein auch in diesem Bereich zu legen.
Problemanalyse
Die Facetten der Arbeitspsychologie sind erwähntermaßen sehr vielschichtig. Aus diesem
Grunde kann, basierend auf den allgemeinen Anforderungen, ein nur sehr begrenztes
Problemfeld berücksichtigt werden:
• sensuellen Abschottung/Vereinnahmung (z.T. vollständige Bedienung der Sinne mit
künstlichen Eindrücken)
• kommunikative Isolation (z.B. Verlust von Mimik und Gestik im menschlichen
Miteinander)
• Arbeitszeit (Dauer und Auswirkung der Arbeit in/mit VEs)
40
41
33
30
64

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
• Konfrontation mit künstlichem Umfeld (Auswirkung der „Virtualisierung“)
• wahrnehmungsbedingte Belastungen (Auswirkungen auf Wahrnehmungsprozesse)
Ein den Recherchen nach prinzipiell kaum untersuchtes Problem ist die Arbeits- oder auch
„Eintauchzeit“. Eine Einordnung, Bewertung oder gar Empfehlung für den Umgang mit VEs
existiert bislang nicht. Dieser Umstand soll im Folgenden zum Anlass genommen werden, um
ein exemplarisches Erhebungskonzept für arbeitspsychologische Problemlösungen zu
erarbeiten.
Problemformulierung
Zunächst sollte „Arbeitszeit“ im Zusammenspiel mit VR-Ergonomie zur konkreteren
Einordnung definiert werden. In erster Linie steht sie natürlich für die eigentliche Dauer des
Eintauchens in die virtuelle Realität. Hierbei muss u.a. untersucht werden, welche
psychologischen/ psychosomatischen Effekte in Abhängigkeit von der Immersionsdauer
auftreten. Gerade der Bereich der Aftereffects (vgl. 1.3.3) spielt hierbei eine erhebliche Rolle.
So wurde z.B. festgestellt, dass Wahrnehmungskonflikte stark davon abhängen, wie lange ein
Nutzer den verursachenden Einflüssen ausgesetzt war (Entkopplung von propriozeptiver
Aktion und artifiziellrezeptiver Reaktion, Entkopplung von Akkomodation und Konvergenz).
Daraus ergeben sich folgende zu klärende Faktoren:
• generelle Immersionsdauer (ohne längeranhaltende psychologische/ psychosomatische
Effekte)
• tageszeitabhängige VR-Nutzung (z.B. Beachtung der temporären Myopia)
• Arbeitsintervalle/Pausen (optimale Staffelung, Tagesmaximaldauer etc.)
• positive/negative Förderungsfaktoren (Verbesserung/Verschlechterung der Effekte)
• ggf. Eignungsfeststellung für professionelle VE-Nutzer (siehe auch DIN 33430)
• Forderung nach VR-Beauftragten für die Sicherstellung der ordnungsgemäßen Benutzung
bei Dauereinsätzen
Wie schon aus diesen wenigen Eckpunkten eines einzelnen Phänomens zu erkennen ist,
ziehen die arbeitspsychologischen Effekte weite Kreise, weit über den bisher gezeichneten
Rahmen hinaus. Deshalb ist für den weiteren Erhebungsprozess das für die Hard- und
Softwarebelange vorgeschlagene strikte Vorgehen nur noch bedingt anwendbar.
Wichtig ist, dass unterschieden werden muss, um welche grundsätzliche Art von Problem es
sich handelt. So lassen sich anhand der obigen Aufstellung folgende beispielhafte
Problemtypen festhalten:
• psychologische Probleme
• psychosomatische Probleme
• kognitive Probleme
• problematische Beeinflussungsgrößen
• personalstrategische/unternehmenspolitische Probleme
Direkt ergonomisch relevant sind davon prinzipiell die ersten vier Positionen, die jedoch alle
ein gesondertes, v.a. aber spezialisiertes Problemlösungsvorgehen erfordern.
Problembehebung
Aus den angestellten Überlegungen kann der Ansatz gewonnen werden, dass ein einfach zu
vollziehendes, schematisches Vorgehenskonzept zur Behebung der mit der VR-Ergonomie
verknüpften arbeitspsychologischen Defizite nicht ohne Weiteres zu entwerfen ist. Es sind
extrem spezifische Herangehensweisen notwendig, um den wissenschaftlichen Ansprüchen an
die reich facettierten Phänomene der menschlichen Psyche gerecht zu werden. Diesen
65

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Ansprüchen wiederum genügen nur Spezialisten, die sich in fundierten Studien mit den
benannten Problemen auseinander zu setzen vermögen. Aus diesem Grunde sollte hier nun
das Untersuchungszepter vernünftigerweise an die entsprechende Klientel weitergereicht bzw.
in gemeinsamer Arbeit angepackt werden. Das heißt, dass im vorliegende Kontext der
Arbeitspsychologie leider kein vollständiges Ergebnis erwartet werden darf.
Dennoch ist die verfolgte Linie nach wie vor erkennbar. Bis zur Identifikation möglicher
Problemquellen kann die Erhebungsstrategie angewendet werden. Sind die Probleme
formuliert, sollten diese interdisziplinär mit Spezialisten z.B. aus der Psychologie bearbeitet
werden.
2.4 Konsequenzen aus den Untersuchungsergebnissen
Mit dem Abschluss der Vorbetrachtungen, sowie der umfangreichen Nachbearbeitungen des
Basismaterials, werden nun die entscheidenden Schlussfolgerungen aus den angestellten
Untersuchungen gezogen, um zu den Kapiteln 3 und 4 führen. Grundsätzlich lässt sich
festhalten, dass nur über die detaillierte Beschäftigung mit den technologischen und
normativen Voraussetzungen eine fundierte Hinleitung zur konsequenten Auseinandersetzung
mit den innovativen theoretischen und praktischen Elementen der VR-Ergonomie zu
erreichen war. Dabei sind Theorie und Praxis nicht nur untrennbar miteinander verbunden,
sondern jeweils für sich essentielle Bestandteile des Forschungsobjektes VR-Ergonomie. So
ist es auch nicht verwunderlich, dass genau diesen beiden Kernpunkten nachfolgend die
erforderliche Aufmerksamkeit geschenkt wird.
Drei hauptsächliche Konsequenzen lassen sich aus den bisherigen Studien ableiten.
2.4.1 VR-Ergonomie als interdisziplinäres Forschungsobjekt
Die Erhebung von Richtlinien für die Gestaltung von VR-Neusystemen und
Anpassungsmaßnahmen für die Modifikation bestehender VEs im Sinne ergonomischer
Anforderungen ist ein im höchsten Maße dynamischer Prozess. Dieser kann mit dem
aktuellen Stand keineswegs als abgeschlossen gewertet werden. Natürlich auch, weil das
Voranschreiten technologischer Rahmenbedingungen stete Weiterentwicklungen
unaufhaltsam fördert, die Forschungen in allen Berührungspunkten der verschiedenen
Einzelaspekte der VR-Ergonomie ungeahnte Potentiale eröffnen und dadurch unzählige
bislang nicht untersuchte Fragen aufwerfen. Das Konstrukt VR-Ergonomie muss also als
offener Pool mit der Pflicht zur ständigen Erweiterung angesehen werden.
In Zeiten globaler Forschungsaktivitäten macht also gerade eine nationale Selbstbeschränkung
kaum Sinn. Viel eher sollte ernsthaft die Schaffung eines ständigen Forums weltweiter
Ausprägung in Erwägung gezogen werden. In kooperativen Kongressen bzw. auf medial
gestützten, internationalen Plattformen müssen Entwicklungsingenieure,
Ergonomiewissenschaftler, Psychologen und viele andere Spezialisten durch die Festlegung
und Verfolgen gemeinsamer Ziele/Visionen das Fundament für das Produkt Virtual Reality
schaffen. Teilweise existieren dahingehend bereits brauchbare Ansätze.
Die Einsatzfelder von VR sind, wie schon im ersten Kapitel verdeutlicht wurde, quasi
grenzenlos. Eindrucksvoll demonstriert dies das Spektrum, welches von Großanlagen wie
CAVEs bis hin zu Desktopsystemen wie dem PICASSO reicht. Doch hat eine Technologie
Zukunft, wenn sie aufgrund fehlender Qualitäts-/Standards der allgemeinen Akzeptanz in
66

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Wissenschaft, Wirtschaft und auf Consumerseite hinterher eilt? Worin liegen politische
Gründe für die Qualitätssicherung einer ganzen Technologiefamilie? Mit diesen generellen
Fragen muss man sich ebenso auseinandersetzen, wie mit konkreten Technologiedesigns. Und
dies kann unter den genannten Voraussetzungen nur interdisziplinär auf einer gemeinsamen,
internationalen Bühne gelingen. Verzichtet jedoch weiterhin jedes Forschungsinstitut bzw.
jede industrielle Technologieschmiede auf einen normativen Entwicklungskern, um den
herum selbstverständlich Spezifika ohne Einschränkungen entwickelt werden können, darf
man einen Durchbruch von VR hinein in die prognostizierten Einsatzfelder in naher Zukunft
kaum erwarten. Hier besteht v.a. politischer Handlungsbedarf.
2.4.2 Notwendigkeit der Systematisierung von Erhebungsprozessen
Die ergonomischen Anforderungen an ein VR-System sind nach wie vor stark
anwendungsbezogen. Das bedeutet, dass ein und dieselbe VE abhängig vom Einsatzfeld
durchaus sehr unterschiedlich in ihren technischen Kenndaten ausfallen kann. Um nun nicht
bei jedem neuen Problem oder jeder neuen Anforderung die Erhebungsprozesse von vorn zu
entwerfen, ist eine Systematisierung aller relevanten Prozesse unumgänglich. Dies betrifft im
einzelnen die Anforderungserhebung, die Maßnahmenerhebung/-entwicklung und die
Systembewertung. Sowohl Anforderungserhebungen, als auch Maßnahmenentwicklungen
wurden in den vergangenen Schritten (vgl. 2.2.2 und 2.3.2) bereits umfassend beschrieben.
Die Systembewertung soll darüber hinaus potentiellen Nutzern von VR ein Hilfsmittel sein,
mit dem sie bestimmen können, inwieweit das anvisierte System überhaupt den spezifischen
Anforderungen entspricht. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Vergleiche anstellen,
die schlussendlich v.a. ökonomische Entscheidungen maßgeblich beeinflussen können.
Es geht also im Wesentlichen darum, generische Werkzeuge bereitzustellen, über die schnell
und effektiv Systembewertungen durchgeführt, Anforderungen an ein System erhoben und
ggf. Anpassungsmaßnahmen gefunden werden können. Ziel ist das Finden eines unter
ergonomischen, ökonomischen und technologischen Gesichtspunkten optimalen Systems, das
auch von einem „normalen Nutzer“ auf nachvollziehbaren Wegen erschlossen werden kann.
Inhaltlich wird sich speziell mit dieser Thematik das Kapitel 3 im Detail befassen.
2.4.3 Umgang mit normativen Defiziten
Allen voran zeigte die Richtlinienbewertung in Verbindung mit der Anforderungserhebung
ganz deutlich, dass es eine Vielzahl von VR-spezifischen Phänomenen gibt, die durch
keinerlei normative Entsprechungen abzudecken sind. Da zumeist auch DIN-EN-ferne, aber
dennoch verwandte Empfehlungen oder sonstige wissenschaftliche Studien fehlen, ist es
erforderlich, aus den Defiziten heraus selbst Ansätze zu formulieren, denen durch praktische
Forschungsaktivitäten auf den Grund gegangen wird.
Daraus ergibt sich die Vorgabe, nicht nur bisher unerforschte Relevanzen durch
systematisches Vorgehen aufzudecken, sondern diese in ordentlichen wissenschaftlichen
Studien zu untersuchen und somit zu Empfehlungen zu kommen, die dann wiederum
Anforderungs- bzw. Maßnahmenkataloge wertvoll ergänzen können. An dieser Stelle sei
innerhalb der vorliegenden Arbeit für weitergehende Vertiefungen und ausgewählte
Anwendungsfälle auf Kapitel 4 verwiesen.
67

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
3 Systematisierung der Anforderungs- und Maßnahmenerhebung,
anwendungsspezifische ergonomiebezogene VR-Systembewertung
Ein effizienter, anwendungsspezifischer Einsatz von VR erfordert ein möglichst einheitliches
und gut nachzuvollziehendes Verfahren zur verlässlichen Bewertung von VEs, zur Erhebung
von ergonomischen Anforderungen und ggf. zur Initiierung von Modifikationsmaßnahmen an
bestehenden Systemen. Nur so kann ein breiter Einzug in die vielen bereits angesprochenen
professionellen Anwendungsbereiche gelingen.
Ein Hauptgrund für diesen Ansatz ist die Tatsache, dass professionell eingesetzte VEs in ihren
allgemeinen Ausprägungen bis heute hochgradig von den jeweiligen Einsatzfeldern abhängen.
Ein und dieselbe Anlage wird beispielsweise in der Fahrzeugindustrie ganz andere
Detailparameter aufweisen als ein System im Dienste der Architektur. Prinzipiell identische
Kleingeräte wie typgleiche HMDs unterscheiden sich bestenfalls in ihren Tracking- und
Interaktionseigenschaften, großflächige Mehrwandprojektionssysteme jedoch in weit
größerem Maße.
Weiterhin spielt natürlich die Ökonomie eine sehr große Rolle. Die Anschaffung von VR-
Systemen ist meist eine kostspielige Angelegenheit, die exakt geplant werden sollte. Und
dafür sind u.a. Bewertungsgrundlagen in der Vergleichsphase besonders wichtig. Auch sollte
der Bedarf an Modifikationsmaßnahmen ermittelt werden können, die notwendig sind, um das
System nicht nur den eigenen Bedürfnissen, sondern minimalen ergonomischen
Erfordernissen anzupassen – abermals ein z.T. beachtlicher Kostenfaktor.
Bevor jedoch eine Entscheidung zugunsten eines bestimmten VR-Systems getroffen wird,
sollte noch ein dritter essentieller Fakt berücksichtigt werden. Und zwar ist dies das Thema
Prozessintegration. Was bringt eine mehrere hunderttausend Euro teuer Anlage, wenn sie
nicht in die unternehmerische Entwicklungs-/Produktionsprozesskette eingearbeitet wird?
Sicherlich mag es Prestigeprojekte geben, aber die Mehrzahl professioneller Benutzungen
setzt eine effektive Eingliederung in die Unternehmensprozesse voraus. Mit diesem Thema
wird sich diese Arbeit allerdings trotz der engen Verknüpfung nicht tiefgründiger
beschäftigen. Hier sei auf Arbeiten des IAO verwiesen, das sich schon länger mit diesen
Fragestellungen auseinandersetzt.
Nach dem kurzen Exkurs in das Ursachenfeld für die Notwendigkeit von Systematiken im
vorliegenden Kontext, wird das Hauptaugenmerk wieder auf das zentrale Anliegen dieses
Gliederungspunktes gerichtet. Erwartungsgemäß sollen die zu erstellenden Systematisierungs-
und Bewertungskonzepte neben den wissenschaftlichen v.a. folgenden grundsätzlichen
Ansprüchen genügen:
• unabhängig von konkreten Fällen universell einsetzbar
• dynamisch an veränderliche Rahmenbedingungen anpassbar
• Ermöglichung von systematischen VR-Systemdesigns bzw. -Optimierungen
Für die Erreichung dieser Ziele müssen die unter 2 angewandten Methoden generalisiert
werden, was auf Basis normativer Grundlagen (u.a. VDI 2221 und 2222) zur Schaffung des
notwendigen wissenschaftlichen Backgrounds geschehen wird. Zur späteren Verifikation der
erarbeiteten Konzepte sollten sowohl bereits betrachtete Phänomene von 2 (jeweils aus der
Anforderungs- und Maßnahmenerhebung) beispielhaft untersucht, als auch völlig neue
Problemstellungen auf grundlegende Weise in weiterführenden Studien beleuchtet werden.
68

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
3.1 Systematiken zur Anforderungs- und Maßnahmenerhebung
Im Folgenden werden die beiden Kernthemen ergonomiebezogener Erhebungsverfahren in
ihrer Entstehung, systematischen Struktur und Wirkungsweise erläutert. Die zu diesem Zweck
herangezogenen Methoden sind Thema des Punktes 3.1.1. Die zu synthetisierenden
Systematiken werden in schematischer Form präsentiert, wobei entsprechend externe
Schnittstellen, Zwischenstufen und Endprodukte in die jeweiligen Erhebungsprozessen
eingearbeitet sind.
3.1.1 Systematisierungsmethoden
Grundsätzlich finden zwei Methodenkomplexe entweder einzeln oder in Kombination
Anwendung im Rahmen der vorliegenden Systematisierungsfälle:
• Abstraktion empirischer Prozesse:
Unter empirischen Prozessen sind alle geplanten, rekonstruierbaren und wiederholbaren
Schritte zu verstehen, die zum vorgegebenen Zielfindungszweck mittels durchgeführter
Anwendungsuntersuchungen verifizierbare Ergebnisse liefern. Klassische Beispiele
hierfür sind Vorgehensweisen, die in ganz bestimmten Kontexten erstmals angewandt
werden und durch stete Entwicklung Fallsicherheit gewinnen, d.h. die selbst in
Spezialfällen ihre generelle Anwendbarkeit nicht verlieren. Dadurch werden diese
Vorgehensweisen generalisierbar und können in klar definierte Prozessschritte
untergliedert werden.
Diese generalisierbare Gliederungsfähigkeit wiederum eröffnet schließlich die
Möglichkeit zur Ablaufabstraktion. In Form von Schicht-, Ebenen-, Stufen-, Phasen- oder
anderen zeitbasierten Prozessmodellen ist über die isolierten Prozessschritte und die
Einhaltung formaler Gestaltungsgrundsätze die Schaffung ganz neuer Systematiken
realisierbar. Eine weitere Aufgabe der Abstraktion in diesem Zusammenhang besteht in
der sinnvollen Berücksichtigung aller prinzipiell relevanten Verlaufseventualitäten.
Zusätzlich müssen Ein- und Ausgangsparameter, sowie potentielle Zwischenprodukte
gesondert ausgewiesen werden.
Wichtig für die erläuterten Ansätze ist deren eindeutige Verifikation. Nur dadurch kann
sichergestellt werden, dass die systematisierten Prozesse im Sinne des ausgegebenen
Anwendungszwecks sinnerfüllend konstruiert sind. Während der späteren
Verifikationsphase können auf diese Weise Unklarheiten bereinigt werden, wodurch
schlussendlich der iterativ angelegte Erstellungskreislauf geschlossen wird. Dennoch
gestaltet sich dieses Vorgehen weniger strikt als rein normativ gestützte Varianten und
bietet somit reichlich Spielraum für optionale Moduleingliederungen, was auch einer der
wesentlichsten Forderung an die Systematiken entspricht.
• normativ gestützte Systematisierung:
Hier basieren die Systematisierungsansätze auf klaren normativen Vorgaben. Diese finden
sich v.a. für technische Systeme in folgenden VDI-Richtlinien:
o VDI 2220 (Produktplanung)
o VDI 2221 (Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und
Produkte)
o VDI 2222, Blatt 1 (Methodisches Entwickeln von Lösungsprinzipien)
o VDI 2223 (Methodisches Gestalten)
Insbesondere VDI 2221 und VDI 2222, Blatt 1 markieren im aufgeführten Reigen den
hauptsächlichen Rahmen bedeutender Vorgehensempfehlungen und werden daher die
entscheidende Grundlage für die normativ gestützten Systematisierungskomponenten
bilden. Eine detaillierte Aufschlüsselung der verschiedenen Herangehensweisen ist in den
69

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
entsprechenden Richtlinien ausführlich festgehalten. Analog zum Abstraktionsprinzip ist
auch hier der Verifikationsabschnitt gestaltet. Es werden also trotz normativer Vorgaben
zwangsläufig iterative Verfeinerungsschritte durchlaufen, was sich v.a. darin begründet,
dass sich bei jeder Synthese neuer Verfahren die stets wachsende modulare Integration
selbst als zu berücksichtigender Optimierungsprozess versteht.
Das methodische Vorgehen nach den obigen Prinzipien wird in der realen Anwendung nur in
ausgewogener Kombination zu realisieren sein. Dies liegt in erster Linie natürlich an den zu
systematisierenden Thematiken, aber auch den Rahmenbedingungen der VR-Ergonomie,
sowie prinzipiellen Zielvorgaben (Gestaltung dynamischer, offener Systeme etc.). Daraus
ergeben sich folgende Arbeitsschritte für die Konzeption der Systematiken:
• empirische Ansätze
• normative Ansätze
• vollständige Prozesssynthese
• Verifikation
3.1.2 Anforderungserhebung
Das oberste Ziel der Anforderungserhebung besteht darin, gemessen an ergonomischen
Vorgaben physikalische, chemische, arbeitsorganisatorische und softwareseitige Größen zu
identifizieren und zugehörige Grenzwertempfehlungen festzulegen, an denen sich schließlich
VR-Systemdesigns orientieren können. Entscheidend hierbei ist die Tatsache, dass auf diesem
Wege durchaus Anforderungen gefunden werden, die durch keinerlei exakte normative
Entsprechungen abgedeckt werden können. Häufigste Ursachen dafür sind sowohl der
technologische Fortschritt im VR-Umfeld, als auch die mit ihm verbundene innovative
Arbeitsgestaltung. Um diesem Innovationsdruck standzuhalten, muss auf Designseite schnell
reagiert werden können und dies ermöglicht ein stets aktueller Anforderungs- bzw.
Richtlinienkatalog, der wiederum Produkt einer systematischen Erhebung ist. Die nachhaltige
Synthese dieser Systematisierung ist Aufgabe dieses Gliederungspunktes.
empirische Ansätze
Der Anfang einer jeden Anforderung an ein bestimmtes System wird durch das Bestehen
eines entsprechend definierbaren Defizits bzw. dem grundsätzliche Bedarf einer klaren
Grenzwertformulierung beschrieben. D.h., dass sich erst aus erkannten ergonomischen
Mängeln und/oder potentiellen Rahmendefinitionen überhaupt exakte Anforderungen
entwickeln lassen. Angesichts dieser Erkenntnis stellt sich die Frage, wie derartige
Ansatzpunkte entdeckt werden können. Eine Reihe von Vorgehensempfehlungen sei hierzu
nachfolgend aufgeführt:
• Vergleich mit bestehenden Anforderungen:
Bei der systematischen Suche nach möglichen Defiziten sollte an erster Stelle immer ein
Abgleich mit bereits existenten Anforderungen stehen. Dazu werden für die einzelnen
Systemparameter anwendbare Entsprechungen gesucht und die Grenzwerte mit den vom
betrachteten System gelieferten Werten (Messdaten, Kenndaten etc.) verglichen. So lässt
sich auf der einen Seite feststellen, wie der genaue Erfüllungsgrad ausfällt und ob die
angewandte Richtlinie dem gesuchten Rahmen genügt. Wäre dies der Fall, würde der
Prozess des Suchens nach neuen Anforderungen schon hier beendet sein. Im Gegenzug
kommt man einem potentiellen Kandidaten für die Neuaufnahmen auf exakt dem gleichen
Weg durchaus näher, nämlich genau dann, wenn bestehende Empfehlungen nicht
problemlos angewandt werden können.
• Expertengespräch:
70

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Hierhinter verbirgt sich eine vielseitig einsetzbare, anerkannte wissenschaftliche Methode,
die an dieser Stelle aufgrund der bekannten Verfahrensweisen nicht näher erläutert werden
soll. Ergebnis der spezifischen Diskussion sind auch hier mögliche Quellen
ergonomischer Mängel und damit potentieller ergonomischer Anforderungen an VR-
Systeme. Im Anschluss an dieses problemorientierte Suchverfahren erfolgt der Abgleich
mit bestehenden Anforderungen (s.o.), der zeigen soll, ob eine exakte Entsprechung
bereits vorliegt oder weiter Analyseschritte zu unternehmen sind (s.u.).
• empirische Studien:
Benutzerbefragungen, Benutzerberichte und systematische Benutzerstudien stellen das
Kontingent dieses vorrangig empirischen Analyseansatzes. Es ist empfehlenswert, die
oben geschilderten Schritte den Benutzeruntersuchungen voranzustellen, um auf Basis der
vorherigen Problemdefinitionen und -eingrenzungen Tests, Fragebögen etc. optimal
gestalten zu können. So findet bereits eine Vorabverifikation potentieller ergonomischer
Mängel statt, d.h. es kann untersucht werden, inwieweit in den gefundenen Ansätzen
bereits reale Belastungsfaktoren existieren. Sind mutmaßliche Probleme identifiziert, kann
zunächst ebenso verfahren werden, wie oben.
Über die beschriebenen Vorgehensweisen lässt sich eine Liste potentieller ergonomischer
Defizite aufstellen, die in normativen Analysephasen (s.u.), aber mittels empirischer
Instrumente weiter untersucht wird. Das zentrale empirische Instrument an dieser Stelle ist die
systematische Entsprechungsanalyse, die sich am schon früher in dieser Arbeit erwähnten
Quellenpool (national und international) orientiert. Mögliche Kandidaten sind:
• bestehender VE-Richtlinienkatalog
• im Richtlinienkatalog nicht referenzierte Richtlinien und Normen
• Richtlinien und Normen, die verwandte Probleme abdecken
• wissenschaftliche Studien, die (verwandte) Probleme abdecken
Der Umgang mit diesem Instrument hat gezeigt, dass eine chronologische Abfolge (s.o.)
aufgrund der im Verlauf zunehmenden Quellendiffusion sinnvoll erscheint. Entscheidend
dafür ist das relative hohe Organisationsmaß unter den bestehenden Normierungen.
Das nächste empirische Element in der Anforderungserhebung rückt in den Fokus, sobald
über die genannten Quellen keinerlei brauchbare Entsprechungen zu finden sind. Ähnlich wie
die Benutzerstudien schon zur Defiziterhebung eingesetzt werden, kommen sie auch hier zum
Einsatz. Eine vorgeschaltete exakte Problemformulierung ermöglicht das fundierte
Entwickeln explizit defizitbezogener Studien, an die darüber hinaus der Anspruch gestellt
werden muss, referenzierbare Empfehlungen mit anforderungstypischen
Grenzwertdefinitionen zu liefern. Ist dieser Anspruch erfüllt und konnte die neue
Anforderung in den bestehenden Anforderungskatalog aufgenommen werden, wird das
System in hinreichenden Iterationen abermals untersucht, wodurch eine Verifikation der
erhobenen Anforderung erfolgt. Bestätigt sich in diesem Zusammenhang das systemseitige
Defizit, bildet es gleichzeitig die Schnittstelle zur Maßnahmenerhebung.
normative Ansätze
Für eine systematische Integration der erläuterten empirischen Ansätze und deren
Verknüpfung mit etablierten Prozessen ist das Einbetten in einen normativen Rahmen
unumgänglich. Wie bereits unter 3.1.1 dargelegt gibt es speziell dafür eine Reihe von VDI-
Richtlinien, die sich mit dem methodischen Entwickeln von generischen Systematiken
eingehend auseinandersetzen. Alle dort geschilderten Methoden besitzen durchgehend
Empfehlungscharakter, was es ermöglicht, relativ flexible Systematiken zu entwerfen. Dies ist
auch notwendig, will man den formulierten Zielsetzungen gerecht werden.
71

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Insbesondere spielen dafür die Lebensphasen des Systems, sowie dessen Syntheseschritte
(Problemlösungsprozess) eine wichtige Rolle, die ihrerseits bereits unter 2.3.2.1 ausführlich
beleuchtet werden [VDI 2221, S.3 ff.]. Da es innerhalb der Systematiken vorrangig um
theoretische Themen geht, dürfen jene Teile, die sich in den VDI-Richtlinien mit der
technischen Umsetzung (Produktionsplanung etc.) auseinandersetzen, vernachlässigt werden.
Wie früher schon erwähnt, gehorchen generelle technische Konzeptumsetzungen etablierten
ingenieurmäßigen Vorgehensweisen, die im Kern nur wenig in expliziten Systemumfeldern
differieren. Für den vorliegenden Fall werden folgende methodische Empfehlungen nach den
genannten VDI-Quellen berücksichtigt:
• Vorgehensmodell nach dem Problemlösungsprozess
• systemtechnische Problemlösungszyklen
• Produktentstehungs-/-lebensphasen
• Entwicklungs-/Konstruktionsprozesse
• formaler Symbolismus
Über diese Methoden wird es möglich, auch die empirischen Teilprozesse normgerecht zu
ordnen und zu präsentieren. Eine exakte prozessbegleitende Dokumentation ist zudem zu
erstellen.
vollständige Prozesssynthese
Die nachfolgende Grafik zeigt die synthetisierte Systematik zur Anforderungserhebung unter
Berücksichtigung der o.g. methodischen Ansätze. Es wurde auf definierte Ein- und
Ausstiegspunkte, die gleichermaßen Schnittstellen zum System und zur Maßnahmenerhebung
repräsentieren, sowie eine generelle vertikale Chronologie mit von den jeweiligen
Erfordernissen abhängigen horizontalen Verfeinerungen geachtet. Die formale Symbolik
entspricht den geforderten VDI-Vorgaben.
72

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Abb. 45, Systematik der Anforderungserhebung
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Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Verifikation
Die Anwendungsuntersuchung muss Aufgabe späterer Arbeiten sein. In umfassenden Studien
sollte diese Systematik in Verbindung mit dem gesamten Anforderungskatalog geprüft und
damit entweder bestätigt werden oder dazu dienen, mögliche Schwachstellen im Detail
aufzudecken. Auf diese Weise wird dem kontinuierlichen Optimierungsanspruch Rechnung
getragen.
3.1.3 Maßnahmenerhebung
Das zentrale Anliegen der Maßnahmenerhebung besteht in der systematischen Erarbeitung
von Modifikationsmaßnahmen unzureichend erfüllter Anforderungen sowohl an Hardware,
Software, als auch an integrierte Wahrnehmungs- und Arbeitsparameter. Wie aus 2.3.2.3 zu
erkennen ist, müssen innerhalb dieser Arbeit Betrachtungen arbeitspsychologischer
Anforderungen ausgeklammert werden. Wahrnehmungsparameter hingegen finden sich im
Wesentlichen im Hard- und Softwareumfeld wieder.
Aus diesen Vorbemerkungen heraus sei also festgestellt, dass sich die Maßnahmenerhebung
im geschilderten Kontext auf Hard- und Softwareaspekte konzentriert, ohne jedoch deren
explizite Umsetzung zu definieren. Wie schon mehrfach erwähnt, ist dies nicht Teil der
Erhebungsprozesse, sondern unterliegt etablierten ingenieurmäßigen Vorgehensweisen, die
normativ bereits erschöpfend beschrieben sind. Nichtsdestotrotz sind natürlich in den
kreativen Phasen der Erhebung Überlegungen anzustellen, die eine weitere Verfolgung mit
Hinblick auf einen Umsetzung rechtfertigen.
Analog zum in der Anforderungserhebung angewandten methodischen Syntheseverfahren sei
nun die Systematik zur Maßnahmenerhebung prozessiert.
empirische Ansätze
Der Einsatz empirischer Methoden wird im Rahmen der Maßnahmenerhebung einen deutlich
größeren Raum einnehmen. Dies begründet sich nicht nur im erweiterten Komplexitätsgrad,
sondern auch in der erforderlichen Anwendung kreativer Prozesse. Im Detail gliedern sich die
empirischen Ansätze wie folgt:
• anforderungsbezogene Untersuchung auf Eigenschaften und ergonomische Ansprüche:
Zunächst muss in der Analysephase unterschieden werden, an welche Systemgruppe
(Hardware, Software) sich die betrachtete Anforderung richtet. Daraufhin sind
verschiedene Basisansätze zu berücksichtigen.
So stellt die Forderung nach der ureigenen Zweckerfüllung eines Gerätes ein besonderes
Kriterium für die meisten ergonomisch relevanten Hardwarekomponenten dar. Das heißt
nicht nur, dass z.B. bei eine Stereobrille (vgl. 2.3.2.1) trotz potentieller Modifikationen
darauf geachtet werden muss, dass sie nach wie vor als Brille zu tragen ist, sondern auch,
dass eventuell neu entstehende Aufgaben analog formuliert werden. In kooperativer
Rückkopplung dazu werden die bestehenden Anforderungen auf die entsprechenden
Komponenten angewandt, um so spezifische Modifikationsansprüche zu identifizieren.
Resultat dieses Vorgehen ist eine Liste relevanter Merkmale und Funktionsstrukturen, auf
der die späteren Prozessschritte aufbauen werden.
Spezifisch für die Bearbeitung von Softwareproblemen ist die differenzierte Betrachtung
von anforderungsabhängigen funktionellen und visuellen Defiziten. Es ergibt sich aus
dieser Betrachtung die Aufstellung einer exakten Anforderungsliste, in der spezifische
funktionelle und visuelle Eigenschaften benannt werden, nach deren Umsetzung die
Behebung des Eingangsdefizits erzielt werden kann.
74

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
• Recherche von Lösungsprinzipien:
Um eine Anpassung der zuvor betrachteten Systemgruppen auf Basis definierter
Modifikationsansprüche durchführen zu können, ist es notwendig, passende
Lösungsprinzipien zu finden. Dies kann über verschiedene Archive und/oder in
Zusammenarbeit mit ausgewiesenen Spezialisten erfolgen. Wichtig dabei ist, dass trotz
möglichen Konkretisierungsbedarfs in erster Linie die modulare Wiederverwendbarkeit in
Betracht gezogen wird. Muss diese jedoch aufgrund von Nichtverfügbarkeit selbst
verwandter Prinzipien ausgeschlossen werden, greift die nachfolgend zu erläuternde
kreative Synthese. In jedem Fall bedient die Recherche einen Pool prinzipieller Lösungen.
• kreative Synthese:
Hierunter sind zunächst alle kreativen Methoden zu verstehen, die im Rahmen von
Problemlösungsprozessen eingesetzt werden. Abhängig von der spezifischen
Problemsituation werden z.B. die für den entsprechenden Fall optimalsten
Kreativitätstechniken eingesetzt. Wie diese im Detail gestaltet sein können, wird in
einschlägigen normativen Quellen näher beleuchtet und daher an dieser Stelle nicht weiter
berücksichtigt.
Dennoch darf man das Anliegen der kreativen Synthese nicht nur darauf reduziert
betrachten. Ebenso können auch streng systematische Vorgehensweisen Anwendung
finden, wie sie z.B. in den o.g. VDI-Richtlinien beschrieben werden. Das Optimum bildet
darüber hinaus in den meisten Fällen der individuell abgestimmte Mix aus beidem.
Ebenso wie auch schon die oben beschrieben Recherche von Lösungsprinzipien, erweitert
auch die kreative Synthese die Menge prinzipieller Lösungen.
• empirische Bewertung potentieller Lösungen:
Nachdem eine Auswahl an möglichen Lösungen (inkl. hinreichender Alternativen)
zusammengetragen wurde, kann über verschiedene Bewertungsverfahren eruiert werden,
welche der Lösungen zu welchem Grad die Eingangsdefizite am effektivsten beheben.
Üblicherweise werden dazu Bewertungsmatrizen auf Basis von statistischen
Erfahrungswerten aufgestellt, die anhand ausgewählter Kriterien und zugehöriger
Gewichtungen eine objektive Vergleichsgröße liefern. Im Wesentlichen müssen folgende
Punkte bezüglich der diskutierten Lösungen untersucht werden:
o technische Realisierbarkeit und Integrationsfähigkeit in das bestehende System
o Erfüllung gesetzlicher, normativer Rahmenbedingungen (z.B.
Anforderungskatalog)
o Erfüllung wirtschaftlicher Ansprüche (z.B. target costs)
Die daraus resultierenden Ergebnisse werden schließlich dafür ausschlaggebend sein, ob
ein Lösungsvorschlag in die Liste umsetzbarer Maßnahmekonzepte aufgenommen werden
kann oder Nacharbeiten anzustellen sind.
Auch in der Maßnahmenerhebung findet auf allen Ebenen eine iterative Überprüfung der
Belastungsfaktoren statt, um frühzeitig in den Problemlösungsprozess eingreifen zu können.
Auch die zuletzt ausgeführten Bewertungsmethoden implizieren bereits angedeutete
integrierte Lösungsfindungsiterationen. Es ist dabei immer das spezifische
Erfüllungsspektrum zu beobachten und daher im Rahmen empirischer Studien zu entscheiden,
über welche Folgemaßnahmen die Lösungsfindung optimiert bzw. präzisiert werden kann.
Die Schnittstellen bilden dabei die Eingangsdefizite (zur Anforderungserhebung) und die
entwickelten Lösungsvorschläge (zur direkten Umsetzung).
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Man erkennt an den konzipierten Prozessschritten den hohen Bedarf an empirischen
Elementen innerhalb der Maßnahmenerhebung. Damit wird klar, dass sie sowohl mit der Zeit,
aber auch der Erfahrung der Benutzer wachsen wird und kann. Um dies wiederum
sicherzustellen, ist zur Wahrung der allgemeinen Anwendbarkeit das Einbetten in ein
normatives Umfeld zwingende Voraussetzung.
normative Ansätze
Der normative Rahmen gestaltet sich analog zur Anforderungserhebung (vgl. 3.1.2) und wird
daher nicht noch einmal ausgeführt.
vollständige Prozesssynthese
Da auch die Prozesssynthese vergleichbar zu 3.1.2 verläuft, sei zur näheren Information auf
den entsprechenden Punkt verwiesen und nachfolgend nur das Resultat in Bezug auf die
Maßnahmenerhebung dargestellt.
76

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Abb. 46, Systematik der Maßnahmenerhebung
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Verifikation
Die Verifikation der Systematik gestaltet sich hier als optimierungsbegleitender Vorgang. Erst
in realen Anwendungsfällen kann jeder Schritt genau analysiert in infolge dessen ggf.
optimiert werden. Es ist also Aufgabe künftiger Systemverbesserungsbemühungen, die
Verifikation im tatsächlichen Feldeinsatz voranzutreiben.
3.2 Konzept zur systematischen, qualitativen Bewertung virtueller, immersiver Systeme
Die Bewertung virtueller, immersiver Umgebungen besitzt eine vielfältige Bedeutsamkeit.
Vor allem sind es drei Aspekte, die diese Bedeutsamkeit ausmachen:
• Funktion als Vergleichsinstrument:
Es wurde bereits dargestellt, dass gerade für den professionellen Einsatz von VR die
Notwendigkeit besteht, potentiell interessante VR-Systeme gemessen an den eigenen
Ansprüchen, die darüber hinaus dank der Bewertungssystematik spezifiziert werden
können, objektiv zu vergleichen. Dies schließt alle ergonomisch relevanten
Systemparameter mit ein. Ein plakativer Wert, wie beispielsweise die ergonomische
Gesamtqualität, stellt in diesem Zusammenhang neben verschiedenen
anwendungstypischen Einzelanforderungen eines der bezeichnendsten Kriterien für die
systematische Bewertung von VEs dar. Er muss also das Wesen eines statistischen
Vergleichesmaßes repräsentieren, wodurch die Richtung für die spätere Entwicklung
praktisch schon klar benannt ist.
• Funktion als Bewertungsinstrument aus ergonomischer Sicht:
Neben der Feststellung, ob eine VE grundsätzlich den eigenen Ansprüchen genügt, bietet
die Bewertung außerdem die Möglichkeit, eine fundierte ergonomische Bewertung
durchzuführen. Dabei kann offen bleiben, ob es sich um eine neue oder bereits im Einsatz
befindliche Anlage handelt. In jedem Fall kann so festgestellt werden, wo u.U.
Modifikationsbedarf besteht, d.h. dass hier die Schnittstelle zur Anforderungserhebung
geschaffen wird. Auf Basis der vor diesem Hintergrund durchgeführten Bewertungen
können dann ggf. erforderliche Maßnahmen zur Anpassungen geprüft werden.
• Funktion als Bewertungsinstrument aus ökonomischer Sicht:
Im Grunde implizieren die beiden vorangegangen Kriterien bereits die ökonomische
Bedeutung. Es kann jeweils eine parallele Kosten-Nutzen-Untersuchung durchgeführt
werden, eben dank der exakten Resultate aus der systematischen Bewertung. Natürlich
stellt dies nur einen Teilaspekt für die wirtschaftliche Bewertung einer VE dar. So müssen
im Vorfeld die schon erwähnte Prozessintegration, sowie unternehmerische und
personelle Rahmenbedingungen berücksichtigt werden, bevor eine Entscheidung
zugunsten eines bestimmten Systems getroffen werden kann. Dennoch ist die Relevanz
der Bewertung hiermit unumstritten.
Die Systematik muss also sicherstellen, dass durch eine exakte Untersuchung subjektiver
Anforderungen eine objektive Bewertbarkeit erreicht wird. Es ist vorstellbar, über eine
datenbankgestützte Software, die ihre Grenzwertdefinitionen aus dem Anforderungskatalog
bzw. den Anforderungskatalogen (vgl. 2.2.2) bezieht, unter Berücksichtigung
benutzspezifischer Eingabeparameter eine interaktive Bewertung durchführt. Der unten
beschriebene Prototyp für die Bewertung wurde jedoch zunächst als interaktives Tabellenblatt
erstellt, wobei eine spätere informatorische Umsetzung anhand des entwickelten Konzeptes
problemlos zu bewerkstelligen sein sollte.
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Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Nachfolgend findet zuerst die Aufschlüsselung aller Bewertungsrelevanzen, also
einzubeziehender Parameter statt, um darauf folgend die kalkulatorische Systematik zu
synthetisieren.
3.2.1 Bewertungsrelevanzen
Um die Bewertung eines komplexen Gesamtsystems vornehmen zu können, ist zunächst die
Bewertung seiner Teile durchzuführen. Die Teilbewertungen beziehen sich dabei auf die
Erfüllung von relevanten Anforderungen, abhängig vom Bewertungskontext.
Für die Einzelbewertungen kann demzufolge unter Bezugnahme auf folgende Basisparameter
(auch später mit jeweils vorgesehenem Formelzeichen) ein einheitliches Vorgehen
beschrieben werden:
• definiertes Kriterium (idealerweise aufgrund des VE-Richtlinien/-Anforderungskatalogs)
i
• definierte Anforderung gemäß Kriterium (Sollwert für untersuchtes Phänomen)
Ksoll,i
• ermittelter Systemzustand gegenüber Kriterium (Istwert des untersuchten Phänomens)
Kist,i
• Erfüllungsgrad (prozentuale Angabe aus Istwert zu Sollwert, könnte auch bei massiver
Übererfüllung zur Reduktion des Erfüllungsgrades führen, z.B.: extreme Leuchtdichte)
Ei in %
Auf die Basisparameter folgen die kriteriumsfixierten Einzelgewichtungen mit individuell
beeinflussbaren Generalgewichtungsparametern. Folgende Zuweisung wird zu Grunde gelegt:
• Relevanz des Gewichtungsgrades
RE,i mit der allgemeinen Gewichtung gE
• Relevanz bezüglich der durchschnittlichen täglichen Nutzungsdauer (Kurz-, Mittel-,
Langzeit)
Rt,i mit der allgemeinen Gewichtung gN
Relevanzspezifikationen (zugehörige Gewichtungen besitzen eine niedrigere Priorität als
die übergeordneten Gewichtungen, formalistisch erkennbar am kleinen Index):
o t

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
RA,Modellieren,i mit der allgemeinen Gewichtung gmod
• Gesamtgewichtungsfaktor (Hilfsgröße je Kriterium zur Integration aller relevanten
Gewichtungseinflüsse)
Gi
Die komplexe Gewichtungsstruktur samt der auftretenden Relevanzspezifikationen ist
notwendig, um die exakte Bedeutung jedes Einzelkriteriums für die Gesamtbewertung
herauszustellen. Es ist auf diese Weise für den Benutzer/Verantwortlichen problemlos
möglich, höchstindividuelle Bewertungsmuster zu erstellen. Im Einzelnen wird dies im
folgenden Gliederungspunkt dargelegt.
Für eine Systemübergreifende Bewertung muss außerdem eine Größe eingeführt werden, die
den Mangel eines Kriterium in Abhängigkeit von den zugewiesenen Gewichtungen und deren
Verhältnismäßigkeit zum Gesamtsystem berücksichtigt. Diese Größe sei die Defizität, die
folgendermaßen differenziert wird:
• absolute Defizität (Hilfsgröße für die Bestimmung des Mangelgrads eines Kriteriums
ohne Bezug zum Gesamtsystem)
Da,i in %
• relative Defizität (relativer Mangelgrad eines Kriteriums gegenüber des Gesamtsystems)
Dr,i in %
Über die genannten Größen kann nun jedes Kriterium exakt bewertet werden, wobei speziell
über die relative Defizität die Verbindung zum Gesamtsystem geschaffen wird, das
folgendermaßen definiert sei:
• ergonomische Gesamtqualität (ergibt sich aus der Berücksichtung der relativen
Einzeldefizitäten)
Q in %
Im nun folgenden Gliederungspunkt 3.2.2 werden alle relevanten formalistischen
Zusammenhänge erarbeiten und der Bewertungsprototyp vorgestellt.
80

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
3.2.2 Formalistisches Bewertungsmodell
Nachdem unter 3.2.1 alle Relevanzen aufgeführt wurden, soll an dieser Stelle deren
mathematische Integration erfolgen. Das so zu entwickelnde formalistische
Bewertungsmodell kann dann als Basis für mögliche Implementationen genutzt werden.
Optimalerweise sollte zu diesem Zweck z.B. eine Datenbank für den Bezug der Grenzwerte
bzw. ggf. Grenzwertzonen angebunden werden, auch um die softwareseitige Unabhängigkeit
von Modifikationen aufgrund neuer Erkenntnisse zu gewährleisten. Im Rahmen dieser Arbeit
wird nur ein Prototyp auf Tabellenblattbasis mit einigen exemplarischen Einzelanforderungen
vorgestellt, der jedoch prinzipiell den vollen Umfang in den wesentlichen Funktionen liefert.
Alle Parameter, die berechnet werden müssen, seien nachfolgend inklusive formalistischer
Beschreibungen und ggf. Zusatzerläuterungen aufgeführt:
⎡ Kist,
i
⎤
⎢
⋅100
E
⎥
i = Ksoll,
i
⎢
⎥
⎢⎣
100, für Kist,
i > Ksoll,
i⎥⎦
Der Fall der massiven Übererfüllung (vgl. 3.2.1) wird hier noch nicht betrachtet, ließe
sich jedoch problemlos als weitere Bedingungsdefinition einflechten.
⎛ gk
⋅ Rt,
k , i + gm
⋅ Rt,
m,
i + gl
⋅ Rt,
l,
i ⎞
Gi = gE
⋅ RE,
i ⋅ gN
⋅ ⎜
⎟ ⋅ gG
⋅ RG,
i ⋅ gA
⎝
2
⎠
⎛ ga
⋅ RA
Architektur,
i + gd
⋅ RA,
Design,
i + gv
⋅ RA,
VisSim,
i + gc
⋅ RA,
VisSim,
i + g mod⋅
RA,
⋅ ⎜
⎝
2
Die Summenquotienten stellen hier die reduzierte Priorität der Gewichtungen der
Relevanzspezifikationen gegenüber den Generalgewichtungen dar.
, Modellieren,
i
Da, i = 100 − Ei
Kehrwert des Erfüllungsgrades und damit Ausdruck für den Erfüllungsmangel.
D
r,
i
=
D
a,
i
∑
i
⋅Gi
Gi
∑
Q = 100 − Dr,
i
i
Kehrwert der Summe der relativen Defizitäten und damit Ausdruck für die Qualität und
nicht den Mangel des Systems.
⎞
⎟
⎠
81

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Abb. 47, Systematik der ergonomiebezogenen VR-Systembewertung
82

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Wie aus der Tabelle erkennbar ist, lassen sich die Generalgewichtungen, sowie die
Gewichtungen der Relevanzspezifikationen durch den Benutzer modifizieren. Die
zeilenweisen Gewichtungen je Kriterium sind hingegen empirische Werte, die aus
Erfahrungen, Studien etc. resultieren. Demnach sollten diese von Benutzern nicht modifiziert
werden, sondern eher aus der oben erwähnten Anforderungsdatenbank als
Zusatzinformationen bezogen werden.
3.3 Schlussfolgerungen
Hiermit kann die konzeptionelle Systematisierungsphase als prinzipiell abgeschlossen
gewertet werden. Die Systematiken zu den Themen Anforderungserhebung,
Maßnahmenerhebung und zur ergonomiebezogenen VR-Systembewertung sind bereit für
Feldversuche im realen Einsatz. Dort muss schließlich in vielfältigsten Anwendungsfällen die
Wirksamkeit umfassend verifiziert werden, um so mögliche Schwächen zu erkennen, durch
die entsprechende Verbesserungsaktivitäten zur Optimierung der bewusst offen gestalteten
Konstrukte initiiert werden können.
83

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4 Praktische Schwerpunktbetrachtungen
Dieses Kapitel wird aufbauend auf den theoretischen Erkenntnissen der bisherigen Arbeit
praktische Studien begleiten, die neben einer Reihe von spezifischen Zielen (vgl. 4.1) auch
zeigen sollen, dass es nach wie vor sehr wichtige, noch unerkannte Zusammenhänge im VR-
Umfeld gibt. Diesen muss im Zuge der allgemeinen Etablierung jener hochinnovativen
Technologie zwingend Rechnung getragen werden, was natürlich auch in Zukunft ein
konsequentes Vorantreiben verschiedenster Forschungen erfordert.
Der Fokus für das zentrale Untersuchungsobjekt (vgl. 4.3) wird entsprechend eng gefasst, um
hier sicher fundierte Ergebnisse zu gewährleisten. Vorgehensweise, Methoden und
wissenschaftliche Hintergründe bilden dabei inhaltliche Stützen der Ausführungen.
4.1 Zielsetzungen
Die zentralen Anliegen der praktischen Untersuchungen bestehen v.a. in der experimentellen
Auseinandersetzung mit ergonomisch relevanten Phänomenen, deren maßgebliche Effekte
bislang nur unzureichend bzw. gar nicht betrachtet wurden. Die Phänomene selbst sind
ihrerseits meist Ergebnisse gezielter empirischer Studien, d.h. der verschiedenen
Prozessphasen sowohl in der Anforderungs-, als auch der Maßnahmenerhebung. Selbst die
umfangreichen bereits existenten Anforderungen weisen ergänzend dazu einen großen
Forschungsbedarf auf.
Neben der generellen Klärung von spezifischen Effekten, liegt ein weiteres wesentliches Ziel
der Untersuchungen in einer ergonomischen Optimierung von VE-Merkmalen (Hardware,
Software, Umfeld, Arbeitsbedingungen etc.). Diese Optimierung soll sich im Idealfall in der
Form ausdrücken, dass aus den erarbeiteten Untersuchungsergebnissen entsprechende
Verbesserungsmaßnahmen abgeleitet werden können, um so wiederum die bekannten
Kataloge (vgl. 2) zu erweitern.
Weiterhin muss auch der Anspruch, den technologischen Entwicklungen umfassend
gesicherte Erkenntnisse zugrunde zu legen, ein bedeutender Initiator sein. Stellt sich dieser
Denkansatz als prinzipiell gegenwärtig heraus, ist der beschriebenen integrativen Disziplin
auch der so wichtige Akzeptanzboden geebnet, samt der daraus notwendigerweise
resultierenden makrospezifischen Konsequenzen.
4.2 Untersuchungsbeispiele
Die nachfolgenden Betrachtungen bilden einen begrenzten Ausblick auf erkannte und somit
zu untersuchende Phänomene. Es kann dabei jedoch nicht auf umfassende Vollständigkeit
verwiesen werden, da der Rahmen, wie bereits aus den angestellten theoretischen Arbeiten
der vorangegangenen Kapitel klar zu erkennen ist, für eine solche Maßgabe nicht genügend
dimensioniert ist. Viel mehr soll an wenigen Bespielen exemplarisch gezeigt werden, worin
die erkannten Defizite bestehen und auf welche Weise Untersuchungsansätze gestaltet sein
können. Der Gliederungspunkt 4.3 wird sich schließlich mit einem expliziten Phänomen in
allen notwendigen Details, inkl. experimenteller Forschungen, auseinandersetzen.
84

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
4.2.1 Filtergüte
Hinter dieser vermeintlich schlichten Bezeichnung verbirgt sich ein ganzer Themenkomplex,
der Anforderungen beinahe aller unter 2.2 erläuterten Schichten des Erhebungsmodells
umfasst. Grundsätzlich geht es um die Auswirkung der zur Stereotrennung bei
Simultanprojektionen (Passivstereo, vgl. 1.2.3, 1.2.4, 1.3) eingesetzten Filter zwischen
Projektor und Auge. Da die beobachteten, z.T. aber nur vermuteten Phänomene sehr
verschieden geartet sind, ist im Vorfeld eine möglichst exakte Differenzierung vorzunehmen.
Auf diese Weise können dann diskrete Einzelbetrachtungen durchgeführt werden.
Folgende Phänomene (Hypothesen) wurden durch die bekannten Erhebungsprozesse isoliert:
• Helligkeits- und Kontrastminderung durch Filtereinsatz
• Farbverzerrung abhängig vom relativen Verdrehwinkel
• bei zirkularer Polarisationsseparation (vgl. 4.3.1) unterschiedliche Filterwirkungen
abhängig vom relativen Verdrehwinkel (z.B. Brille zum projektorseitigen Filter)
• sowohl bei linearer, als auch zirkularer Polarisationsseparation unzureichende
Trennungsleistung (vgl. 4.3.1) und daraus folgende Ghostings (vgl. 1.2.4)
• verminderte Filterwirkung durch „Alterung“ (Überhitzung aufgrund von IR-Absorption)
Diese Auflistung zeigt über die oben erwähnte Verschiedenartigkeit die voneinander
abgrenzbaren Phänomene und rechtfertigt damit den Ansatz spezifischer Untersuchungen, wie
sie unter 4.3.1 schließlich auch angewandt werden.
Ebenfalls erkennt man, dass die Palette von geräteabhängigen Darstellungs- bis hin zu
individuellen Wahrnehmungsmodalitäten reicht. Überdies lassen sich Wertigkeiten definieren.
So darf man davon ausgehen, dass die für die eigentliche Stereotrennung erforderlichen
Filtereigenschaften wichtiger einzustufen sind, als z.B. korrekte Farbwiedergaben oder auch
Helligkeits- und Kontrastwirkungen, wobei gerade diese im Bereich des Langzeiteinsatzes
wiederum an Wertigkeit gewinnen.
Materialalterungen sind hingegen omnipräsente Probleme. Speziell die IR-Absorption wurde
inzwischen in Anwendungsstudien durch die Einbringung eines freistehend luftgekühlten IR-
Filters in den Strahlenverlauf aufgehoben. So werden jene Lichtanteile wirkungsvoll
reduziert, die in den Pol-Filtern über Absorptionsprozesse bis hin zur völligen, hitzebedingten
Filterzerstörung führen können.
Nicht zuletzt liegt es an den aufgeführten Voraussetzungen, dass sich der zentrale praktische
Teil der vorliegenden Arbeit, erweitert um filterbezogene Klassifizierungen, speziell mit der
Filterwirkung bzw. –güte in Verbindung mit der Stereoseparation beschäftigt (Näheres unter
4.3). Es soll allerdings selbst durch die vorgenommene Wertigkeit nicht der Bedarf
geschmälert werden, auch den anderen genannten Phänomen in wissenschaftlichen
Folgestudien alsbald auf den Grund zu gehen. Am Ende aller Untersuchungen sollten
natürlich im Idealfall die geforderten Verbesserungsvorschläge und Maßnahmenkonzepte
stehen, die als Grundlage für Systemoptimierungen herangezogen werden können.
4.2.2 Winkelfehlerbelastung
Hierunter ist ein auf technischen Ursachen basierendes, definitiv wahrnehmungsbezogenes
Phänomen zu verstehen. Es wurde festgestellt, dass der Wahrnehmungsapparat von VR-
Benutzern zunehmend beansprucht wird (Augen-, Kopfschmerzen, Sehstörungen etc.), je
weiter die Einzelbilder – unabhängig vom Stereotrennungsverfahren – gegeneinander
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Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
verdreht/verschoben dargestellt werden. Dies kann dann auftreten, wenn der Benutzer seinen
Kopf relativ zur Projektionsfläche verdreht oder bei ausreichendem FoV eine Blickrichtung
wählt, die beim Szenenrendering zu abnormalen Einzelbildverschiebungen führt. Auch nicht
korrekt ausgerichtete Projektoren können derartige Auswirkungen haben.
Die zu diesen Phänomenen bisher angestellten Untersuchungen sind, ähnlich wie die zur
filterbedingten Stereotrennung, äußerst dürftig, besitzen aber eine durchaus große Relevanz.
Je häufiger potentielle Situationen eintreten, um so größer sind die Negativauswirkungen,
Aftereffects (vgl. 1.3.3) nicht ausgeschlossen. Es muss also ermittelt werden, wo die genauen
Grenzwerte für die Abweichungen liegen, ab wann die kognitive Wahrnehmungsleistung
überschritten wird und wie entsprechende Maßnahmen zur Behebung aussehen können.
Da jedoch alle reinen Wahrnehmungsparameter extrem benutzerspezifischer Ausprägung
sind, müssen für eine fundierte Einschätzung sehr umfangreiche Benutzerstudien
durchgeführt werden. In diesen sollten repräsentative Benutzergruppen u.a. in verschiedene
Referenzszenen aus verschiedenen Blickwinkeln bestimmte Aufgaben erfüllen, wobei die
Szenen in ihren Stereoeinzelbildern variabel verschieb-/verdrehbar sind. So kann durch
gezielte Verlagerungen die Wahrnehmungsbelastung erzeugt und stufenweise ausgedehnt
werden, was dann von den Benutzern beispielsweise über Live-Befragungen bewertet bzw. an
der Effizienz der Aufgabenerfüllung gemessen wird. Die Ausfüllung der Fragebögen sollte
dann z.B. von einem Assistenten vorgenommen werden, damit die Benutzer durch „Blicke auf
ihr Blatt“ den Szenenfokus nicht verlieren, es sei denn, die simulierten Arbeitsprozesse sehen
etwas Vergleichbares vor.
Auf diese Weise dürfte es möglich sein, durchschnittliche Grenzwerte für die verschiedenen
Referenzsituationen zu ermitteln und dadurch für die unterschiedlichen Arbeiten, Umfelder
etc. wirksame Gestaltungsempfehlungen zu erarbeiten. Die auf diesem Wege erreichbaren
ergonomischen Systemoptimierungen könnten dann in den unter 2 aufgeführten Katalogen
eingeordnet werden und stünden somit für die Allgemeinheit zur Verfügung.
4.2.3 Physiologische Belastungsgrößen
Wie dem Anforderungskatalog an die Hardwareumgebung zu entnehmen ist, gibt es eine
Reihe von normativ bislang nicht referenzierbaren Belastungsgrößen, die an dieser Stelle
beispielhaft beleuchtet werden. Es sollte bei allen Gerätschaften, die ein Benutzer während
der Arbeit mit/in virtuellen Umgebungen auf irgendeine Weise tragen muss, darauf geachtet
werden, dass physiologische Grenzwerte nicht überschritten werden, d.h. Schmerzen
auftreten, die ein effektives, sicheres und psychologisch unbeeinträchtigtes Arbeiten
verhindern. Gerade im Bereich der Arbeitswissenschaften werden dazu sehr viele nützliche
Anregungen gegeben.
Allerdings fehlen spezifische Grenzwertdefinitionen u.a. für folgende Systemkomponenten:
• Gewicht von Brillen (Stereotrennung)
• Gewicht und Beschaffenheit von Rucksäcken (z.B. den Wireless Motion Star, vgl. 1.2.2,
elektromagnetisches Tracking)
Die genannten Geräte sind für die jeweiligen Einsatzfelder unersetzbar, stellen jedoch u.U.
erhebliche Belastungsgrößen dar. Gerade die Brillen sind aufgrund der angebrachten Sensoren
z.T. so schwer, dass sie in Verbindung mit ihrem schlechten Design an den Auflagestellen auf
Nasenrücken und Ohren schmerzverursachend sind. Natürlich sind diese Effekte abermals
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sehr benutzerspezifisch, können jedoch in expliziten Studien hinreichend untersucht werden.
Man vermutet, dass bei den Brillen weniger das Gewicht, als ihre schlechte Gestaltung das
ausschlaggebende Moment sind. Es sollten also verschiedene Gewichtsklassen bei
unterschiedlichen Polsterungen unter Wahrung einer hygienisch problemlosen Handhabung
(z.B. leichte Reinigung), einer möglichst universalen Gestalt und Einsetzbarkeit (Sichtfeld
etc.), sowie einer angemessenen Robustheit überprüft werden. So ließen sich neben der
generellen Form auch Materialeigenschaften definieren. Aktuell ist eine Diplomandin am IAO
damit beschäftigt, im Bereich des Produktdesigns das Brillenproblem zu lösen.
Ähnlich wie beim Ansatz zu den Stereobrillen muss auch die Frage nach der optimalen
Rucksackgestaltung gestellt werden. Hier kommt hinzu, dass die Bewegung des Benutzers
nicht eingeschränkt werden darf und Belastungen von Schulter-/Rückenmuskulatur
entsprechende Überanstrengungen ausschließen müssen. Zu diesem Zwecke sollten in
Zusammenarbeit mit Anthropologen und Physiotherapeuten Versuche erarbeitet werden, aus
denen jene ausstehenden Empfehlungen formuliert werden können. Denkbar ist, dass dadurch
neben dem allgemeinen Design (Form, Größe, Polsterungen, Einstellbarkeit uvm.) gerade für
Personen mit chronische Rückenleiden zeitliche Einschränkungen bei definiertem
Rucksackgewicht gefunden werden.
Generell muss man sich in jedem Fall auch dieser Phänomene unbedingt annehmen, da gerade
sie aufgrund der bedeutenden gesundheitlichen Relevanz eine unüberwindbare Hürde für
einen breiten Einsatz der entsprechenden VEs darstellen können.
4.3 Explizite Untersuchung: Filtergüte und Stereoseparation
Wie unter 4.2.1 bereits umrissen, werden sich die praktischen Untersuchungen dieser Arbeit
mit dem Thema Filtergüte und Stereoseparation beschäftigen. Es sollen dabei jene der o.g.
Phänomene betrachtet werden, die über die Polarisationsmethoden (linear, zirkular) zur
Bildtrennung beitragen. Aus diesen Betrachtungen sollen dann ggf. Anforderungen und
Verbesserungsmaßnahmen abgeleitet werden. Überdies wünschte das IAO eine
Klassifizierung der verwendeten Polarisationsfilterbrillen.
Nachfolgend werden zunächst die Prinzipien näher betrachtet, die für die Polarisation
allgemein von Bedeutung sind. Danach wird geklärt, über welche experimentellen
Vorgehensmethoden die relevanten Messdaten erhoben werden, welche potentiellen Fehler
entstehen können und wie das eingesetzte Untersuchungsmodell im Detail aufgebaut ist bzw.
verwendet werden muss. Schließlich erfolgt die Auswertung der gemessenen Daten und eine
aus den beobachteten/erkannten Effekten resultierende Konsequenzendiskussion.
4.3.1 Theoretische Voraussetzungen
Polarisationsmechanismen gehören neben dem Shuttering (Aktivstereo) und der echten
Einzelbildbereitstellung für jedes Auge (z.B. HMDs) zu den entscheidenden
Bildtrennungsmethoden für die Erzeugung der künstlichen 3D-Wahrnehmung im VR-Umfeld.
Dies trifft v.a. auf die Klasse der großflächigen Projektionssysteme zu. Dabei ist das
angewandte Prinzip einfach, wie genial: durch den gezielten Einsatz von Filterelementen
zwischen den Systemprojektoren und den Augen des Benutzers wird trotz gleichzeitiger
Darstellung der Einzelbilder auf einem Schirm eine wirksame Separation erreicht. Auf die
beim Shuttering notwendige Halbierung der Bildwiederholrate aufgrund von
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Bildumschaltungen kann demzufolge, allerdings zum Preis der Hinzunahme eines weiteren
Projektors, verzichtet werden. Dabei trägt der betrachtende Benutzer mit Sonnenbrillen
vergleichbare, filtertragende Augengläser, die völlig ohne weitere Steuerelektronik
(abgesehen von möglichen zusätzlichen Trackingsensoren) auskommen. Die Brille wird damit
leicht, robust, ist einfach zu pflegen und darüber hinaus im Verhältnis deutlich
kostengünstiger.
Doch wie funktioniert die Polarisation prinzipiell, worin unterscheiden sich lineare und
zirkulare Polarisation und wo wird welche Art der Bildtrennung bevorzugt? Den Antworten
auf diese Fragen wird sich der nun folgende Abschnitt widmen.
Lineare Polarisation
Für die Polarisation von Licht macht man sich dessen transversale Eigenschaften zunutze
[40]. D.h. man bedient sich spezifischer Effekte, die aufgrund der senkrecht zueinander
orientierten elektrischen (überwiegender Effektor) und magnetischen Lichtkomponenten
innerhalb von bestimmten Materialien auftreten. Diese Materialen müssen anisotroper, also
physikalisch asymmetrischer Natur sein, was eine unterschiedlich Beeinflussung von
ordentlichem und außerordentlichem Lichtstrahl bewirkt, die in ihren Polarisationsebenen
jeweils senkrecht aufeinander stehen. Prinzipiell kommen für lineare Polarisationsvorgänge
folgende grundsätzliche optophysikalische Mechanismen zum Tragen [41]:
• Dichroismus (selektive Absorption verschiedener Feldkomponenten)
• Reflexion
• Streuung
• Doppelbrechung
Dadurch erhält das Licht senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung außerdem eine
schwingungsbezogene Vorzugsrichtung. Das von einer Lichtquelle idealtypischerweise
ausgesandte unpolarisierte Licht (genauer: Licht mit regellos verteilten, chaotischen
Polarisationsrichtungen) kann dadurch in eine definierte Schwingungsebene gebracht werden.
Für reale Anwendungszwecke werden dazu zwei Prismen so gegeneinander justiert, dass der
ordentliche Strahl an deren Grenzfläche totalreflektiert und an einer entsprechenden
Rahmenbeschichtung absorbiert, der polarisierte außerordentliche Strahl jedoch
durchgelassen wird [42]. Je nach Stellung eines solchen Filters (Polarisator) kann die
Polarisationsausrichtung verändert werden. Benutzt man nun als Analysator einen zweiten,
gleichartigen Filter hinter dem Polarisator, kann die auf der optischen Achse hinter ihm
geltenden Vorzugsrichtung des Lichtes bestimmt werden. Dabei gilt, dass im Idealfall bei
einer relativen Verdrehung von 90° des Analysators gegen den Polarisator eine Auslöschung
des Lichtes erreicht wird, wohingegen bei paralleler Orientierung das Licht mit maximaler
Intensität passieren kann.
Diese Effekte können nun für die 3D-Einzelbildseparation in der Form genutzt werden, dass
entsprechende lineare Polarisationsfilter vor den jeweiligen Projektoren um 90° verschieden
installiert werden. Es gibt darüber hinaus die Möglichkeit der Einbringung eines Lambda-
Halbe-Plättchens (Phasenverschiebungsplättchen, Verschiebung um halbe Wellenlänge)
hinter einen der somit gleich orientierbaren Einzelfilter (z.B. beim Einsatz von Projektoren,
die bereits eine interne lineare Polarisierung vornehmen). Durch eine Orientierung von 45°
des Plättchens zur Durchlassrichtung des zugehörigen linearen Polfilters, kann man dessen
polarisiertes Licht um 90° drehen. Negativer Nebeneffekt ist hierbei allerdings die
Rotationsdispersion, die zu winkelabhängigen Farbverschiebungen führt. [43]
In jedem Fall müssen die Fitlergläser der passiven Stereobrille zum Betrachten der VR eine
zum o.g. Analysatorenprinzip analoge Orientierung erfahren. Dadurch erreicht man trotz der
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gemeinsamen Darstellung der polarisierten Einzelbilder auf einem einzelnen,
polarisationserhaltenden Schirm eine gezielte Auftrennung der Inhalte und kann jedes Auge
mit dem vorgesehenem Bild beliefern. Im realen Einsatz befinden sich die Filter für das linke
und das rechte Auge im Verhältnis zur Senkrechten in jeweiliger Stellungen von +/-45°.
Das zentrale Problem für diese Art der Polarisation ist die zwingende Abhängigkeit der
Analysatorenausrichtung (Brillen-/Kopfneigung) relativ zu den projektorseitigen Filtern. D.h.
wenn der Benutzer seinen Kopf im Verhältnis zu o.g. Senkrechten neigt, nehmen
Durchlässigkeits-, aber auch Verschlusswirkung der Analysatoren ab – optisches
Übersprechen bzw. Ghostings entstehen und die 3D-Wahrnehmung wird gestört. Obwohl die
generelle Separationsleistung bei annähernd orthogonaler Orientierung recht groß ist, muss
das Einsatzfeld auf jene Arbeitsplätze beschränkt werden, wo stärkere Kopfneigungen eher
untypisch sind, also v.a. auf den Desktopbereich. Für den Einsatz bei großwandigen
Projektionssystemen oder gar CAVEs, wo mitunter sehr differenzierte Blickwinkel entstehen
können, muss man sich deshalb eines anderen Ansatzes bedienen, der zirkularen Polarisation.
Zirkulare Polarisation
Die Anforderung an die Entwickler bestand darin, ein optisches System zu schaffen, bei dem
es unabhängig ist, wohin und in welchem Winkel ein Benutzer innerhalb der VR-
Repräsentation schaut. Es darf keine signifikanten Intensitätsunterschiede geben, sowohl auf
Seiten des Durchlasses, als auch auf jener des Verschlusses. Die Lösung bestand in der
Anwendung weitestgehend winkelunabhängiger Polarisationsmechanismen.
Hier werden ordentlicher und außerordentlicher Strahl zunächst ebenfalls getrennt (über
Linearpolarisation), bleiben jedoch um eine gemeinsame Achse in Ausbreitungsrichtung
zentriert. Nun kann über ein Lambda-Viertel-Plättchen oder auch Viertelwellenplättchen [42],
das über unterschiedliche schnelle, orthogonale optische Achsen verfügt, eine
Gangverschiebung zwischen den beiden Einzelkomponenten erreicht werden. Diese
Phasenverschiebung um eine viertel Wellenlänge bewirkt, blickt man von vorn gegen die
Ausbreitungsrichtung des Lichts, eine rotierende Vektorresultierende. Je nach Kenngrößen
der Phasenverschiebung ist auch elliptisch polarisiertes Licht möglich, das jedoch für die hier
beschriebene Anwendung keine Bedeutung besitzt.
Um nun die erwünschte Einzelbildseparation zu erzeugen, wird hinter die Zirkularanordnung
eines Projektors zusätzlich noch ein Lambda-Halbe-Plättchen eingebracht, das hier eine
Umkehrung der Drehrichtung des zirkular polarisierten E-Vektors der Lichtwelle bewirkt
[41]. Auf diesem Wege erhält man schließlich das erforderliche links- bzw. rechtszirkulare
Licht.
Für Bildtrennung bedient man sich nun der Tatsache, dass ein linkszirkularer Analysator kein
rechtszirkulares Licht passieren lässt – und umgekehrt. Für diese Anwendungsart müssen
sowohl vor den betreffenden Projektoren, als auch in den zu tragenden passiven Stereobrillen
jeweils zusammengehörige Filterpaare installiert werden. Der große Vorteil besteht nun darin,
dass aufgrund des zirkulierenden Komponentenvektors es im Idealfall keine Rolle mehr
spielt, in welcher Stellung sich die Analysatoren in Bezug zu den Polarisatoren befinden. Es
hat sich allerdings gezeigt, dass abhängig von der relativen Verdrehung von Analysator zu
Polarisator Farbverschiebungen (zu Gelb oder zu Blau) auftreten. Diese werden durch die o.g.
Rotationsdispersion erzeugt und sind das Ergebnis der an den Viertel- und/oder
Halbwellenplättchen auftretenden Phasenverschiebungen.
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Zur allgemeinen Veranschaulichung sei nachfolgend ein Überblick über die genannten
Polarisationszustände gegeben.
Abb. 48, Polarisationszustände (v.l.n.r.: lineare, zirkulare, elliptische Polaristion)
Nachdem hiermit der notwendige Überblick über die den Studien zugrunde liegende Theorie
geschaffen wurde, soll nun geklärt werden, worauf es in den Untersuchungen insbesondere
ankommt. Ein Aspekt ist die bereits erwähnte Klassifizierung der am IAO am häufigsten
eingesetzten Filter. Dies kann z.B. über die Feststellung der Mini- und Maxima der
Lichtintensitäten bei Durchlass und Verschluss bzw. Durchlass/Verschluss-Verhältnisse
erfolgen. Darüber hinaus ist zu untersuchen, wie sich die Filter in den verschiedenen relativen
Verdrehsituationen verhalten. Dabei könnte z.B. der Polarisator fixiert und der Analysator in
definierten Schritten verdreht werden, woraufhin wiederum die entsprechenden
Lichtintensitäten gemessen werden (Näheres zu den geplanten Untersuchungsmethoden unter
4.3.2). Der genaue Aufbau, wie er sich aus den unter 4.3.2 präzisierten Forderungen ergibt,
wird unter 4.3.3 im Detail vorgestellt.
Die so erhobenen Daten werden schließlich einer systematischen Auswertung dienen, die sich
nicht zuletzt auf die Suche nach bislang unerkannten Effekten im Zusammenhang mit der
Filtergüte begibt. Es sollte idealerweise möglich werden, aus den Beobachtungen allgemeine
Empfehlungen zu formulieren, die zur ergonomischen Optimierung von VR-Systemen
beitragen können. Diese Empfehlungen stellen sich dann ggf. als Anforderungen und/oder
Maßnahmenkonzepte dar.
4.3.2 Untersuchungsmethoden
An dieser Stelle soll erörtert werden, wie welche Daten zu welchem expliziten Zweck über
eine noch zu entwerfende Versuchsanordnung erhoben werden können. Im Zuge dessen
müssen alle potentiell relevanten Fehlerquellen identifiziert und bei der späteren Konzeption
des Versuchsmodells berücksichtigt werden.
Gemäß der Beschreibungen zu den o.g. Polarisationsarten müssen die durchzuführenden
Messungen trotz der verkürzten und damit lichtstärkeren Experimentalanordnung auf Basis
eines möglichst authentischen Lichtweges erfolgen, wie er z.B. in den benannten
Projektionssituationen auftritt. Für die Untersuchungen bedeutet dies, dass das von einem
Projektor (DLP) ausgesandte unpolarisierte Licht zunächst einen Polarisator durchläuft, dann
eine Projektionsscheibe passiert, um schließlich durch einen rotierbaren Analysator zu treten.
Am Ende dieses Lichtweges misst ein Lichtmessgerät die resultierende Beleuchtungsstärke in
cd/m² bzw. Lux und gibt damit an, wie viel Licht die gesamte Anordnung durchdringen kann.
Für die Versuche werden eine Reihe von Filterproben zur Verfügung stehen. Diese werden
eindeutig nummeriert und bestehen aus folgenden Sätzen:
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• lineare Polfilter:
1: Referenzpolarisator
1.1 bis 1.5: exemplarische Analysatoren (zwei Brillen, drei Schraubfilter)
Abb. 49, Lineare Filterproben
• zirkulare Polfilter:
2: Referenzpolarisator
2.1 bis 2.5: exemplarische Analysatoren (fünf Brillen)
Abb. 50, Zirkulare Filterproben
Dabei müssen aufgrund der Polarisationscharakteristika und der potentiellen
Benutzungssituationen die linearen Analysatoren um bis zu 90° relativ zum Polarisator
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verdreht werden, die zirkularen um 180°. Zusätzlich müssen die zirkularen Analysatoren
aufgrund ihrer durch verschiedene optischen Komponentenkombinationen bewirkten
Durchlass- und Verschlusseigenschaften differenziert untersucht werden. Dies ist für die
linearen Filter nicht erforderlich, da sie für die Links-Rechts-Separation gleich beschaffen und
nur um 90° zueinander verdreht sind. Als Drehrasterweite werden jeweils hinreichend feine
5°-Intervalle gewählt. Aufgrund der Verschiedenartigkeit der Messvorgänge für lineare und
zirkulare Polfilter, werden weiter unten die diesbezüglich notwendigen Betrachtungen
vorgenommen.
Weiterhin liegen 8 verschiedene Proben von Projektionsscheiben bereit. Für den späteren
Versuch soll aus diesen Proben eine einzige Scheibe gewählt werden, und zwar jene mit der
geringsten Lichtdurchlässigkeit. Dieses Vorgehen bietet sich an, um später möglichst kleine
und damit deutlich exakter messbare Beleuchtungsstärken zu erhalten. Im Vorfeld müssen
deshalb die Scheibenproben im Versuchsaufbau ohne Filtereinsatz auf ihre unbeeinflusste
Lichtdurchlässigkeit untersucht werden. Über das auch später eingesetzte Lichtmessgerät
werden dazu die Beleuchtungsstärken in der Referenzsektion gemessen und verglichen.
Abb. 51, Projektionsflächenproben
Nachdem nun die allgemeinen Rahmenparameter geklärt sind, seien nachfolgend die für die
unterschiedlichen Messungen relevanten Spezifika ausgeführt.
Messverlauf – lineare Polfilter
Grundsätzlich folgt jede der durchzuführenden Messreihen vorbestimmten Einzelschritten. Da
für alle linearen Analysatoren der Polarisator unverändert orientiert bleibt, muss er nur einmal
vor Beginn aller Messungen justiert werden. Danach sollte sich für alle linearen Filterproben
(bei den Brillen das linke Glas) das Maximum für den Durchlass in der Senkrechten und für
den Verschluss in der Waagerechten befinden. Unter diesen Vorgaben bleibt auch der
festzuhaltende Referenzwert für die Beleuchtungsstärke ohne Analysator konstant. Für die
Schraubfilter muss jedoch zuvor die zu den Brillengläsern äquivalente Vorzugsrichtung
bestimmt werden. Dazu ermittelt man über den definiert geschnittenen Referenzpolarisator
(Dreieck, vgl. Grafik: lineare Polfilter) die Orientierung für das Durchlassmaximum. Die
Messreihen selbst werden folgendermaßen durchgeführt:
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• Einbringen/Justieren des Analysators
• Messen der Beleuchtungsstärken für die Nullstellung
• inkrementelles Drehen des Analysators um 5 Grad bis zu einer maximalen relativen
Verdrehung um 90°, danach jeweils Messung der aktuellen Beleuchtungsstärke
• Protokollierung der Messwerte
Messverlauf – zirkulare Polfilter
Der Verlauf für die Messungen der Beleuchtungsstärken an den zirkularen Polfiltern gestaltet
sich indes völlig anders. Zunächst wird der Polarisator hier nicht für alle Analysatorenobjekte
fix justiert. Da für den Durchlass unterschiedliche Lichtintensitäten abhängig von der
relativen Verdrehung vermutet werden, muss man den Polarisator für jedes Versuchsobjekt
neu einstellen:
• Fixierung des jeweiligen Analysators (Brille in 0°-Stellung)
• Justierung des Polarisators, bis maximaler Durchlass für das jeweilige linke Brillenglas
erreicht ist
Im Anschluss daran kann der Analysator wieder entfernt werden, um die Beleuchtungsstärke
gemäß der obigen Vorgehensweise nur mit Polarisator zu messen. Ist dies geschehen, kann
der Durchlass (linkes Brillenglas) analog zu dem bei den linearen Polfiltern angewandten
Verfahren ermittelt werden, außer der Tatsache, dass hier die relative Verdrehung bis zu
einem Winkel von 180° vollführt wird. Danach wird am gleichen Objekt (aber: rechtes
Brillenglas) die Verschlusswirkung in gleicher Weise gemessen, so dass pro Objekt je zwei
Messenreihen zu erheben sind.
Fehlerquellen
Potentiellen Störeinflüsse lassen sich über eine systematische Beobachtung (ohne explizite
Untergliederung in statische und dynamische Einflüsse) des Strahlenverlaufs vom Projektor
bis zum Messgerät zuverlässig identifizieren. Zu diesem Zwecke sei die nachfolgende
Auseinandersetzung zu berücksichtigen:
• globale Einflüsse:
Hierunter sollen all jene Einflüsse verstanden werden, die nicht vom Versuch selbst
hervorgerufen werden. Dazu zählen in erster Linie Fehleinstreuungen von Fremdlicht
(Tageslicht, Raumbeleuchtungen). Diese können einen erheblichen Einfluss auf die
Messdaten nehmen und sind daher unbedingt durch gezielte Maßnahmen auszuschalten.
So ließen sich die Experimente z.B. in einem verdunkelbaren Raum durchführen und/oder
die Anordnung durch eine hinreichend sichtdichte Abdeckung abschotten. Ein weiterer
globaler Faktor könnten Vibrationen sein, über die die justierten Filter u.U. in ihrer Lage
oder Position verändert werden. Man sollte die Versuche also auf einer seismisch
möglichst ruhigen Grundfläche durchführen, aber auch für eine hinreichend stabile
Befestigung der Proben sorgen.
• Projektor:
Dem Projektor kommt innerhalb des Versuchs zweifelsohne eine äußerst wichtige Rolle
zu. Von ihm hängt ab, dass möglichst gleichmäßiges, unpolarisiertes Licht (10 Minuten
Einlaufzeit, weiße Fläche) ausgesandt wird. Durch Fokus, Shifting und andere
projektorabhängige interne Effekte könnten bereits hier ungewollte Polarisation und/oder
Intensitätswolkenbildungen stattfinden.. Da im realen Umfeld zwischen Projektor und
Filter bisher jedoch keine weiteren optischen Elemente zur Korrektur eingefügt werden
(außer: IR-Absorber, vgl. 4.2.1), bleibt auch im Versuch dieser optische Raum frei. Ein
etwas größeres Problem stellen mögliche Reflexionen am Versuchsaufbau durch vom
Projektor ausgesandtes Streulicht dar. Diesem könnte einerseits durch Lochblenden
(direkt hinter dem Projektorobjektiv und hinter dem ersten Filter), andererseits aber auch
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durch eine Einkopplungsreduktion am Messgerät (nichtreflektive Verlängerung des
Objektivrohrs) entgegengewirkt werden.
• Filter (Polarisator, Analysator):
Durch Abnutzung, Verschmutzung und materielle Inhomogenität könnte die Filterwirkung
beeinträchtigt sein. Die Filter sollten also in jedem Fall vor Benutzung gereinigt werden.
Materielle Fehler, die nicht mir dem bloßen Auge festzustellen sind, können leider nicht
berücksichtigt werden, da die aufwendigen Analyseverfahren im Rahmen des
Experiments leider nicht unterzubringen sind.
• Projektionsscheibe:
Auch den Projektionsflächen kommt als Träger der visuellen Informationen eine
besondere Wichtigkeit zu. Einerseits müssen sie eine hinreichend große Lichtmenge
passieren lassen, andererseits aber auch für ausreichend Kontrast und v.a. die unbedingte
Polarisationserhaltung sorgen. Und hierin könnten durchaus Probleme bestehen. Gerade
„dunkle“ Scheiben sind aufgrund der Pigmenteinlagerungen einer besonderen
Fertigungssorgfalt unterworfen, bringen jedoch die besten Resultate im Kontrast- und
Farbbereich. Die vom Hersteller garantierte Polarisationserhaltung wird für den Versuch
vorausgesetzt. Ebenfalls können sich Unebenheiten bzw. Materialverbiegungen negativ
auf die Basiseigenschaften auswirken. Die für die Versuche gewählte Scheibenprobe ist
mit Abmessungen von 28x21,7x1,2 cm dahingehend als hinreichend stabil zu betrachten.
• Messgerät:
Hier kommen vier wesentliche Aspekte zum Tragen. Zunächst natürlich die Mess-
/Ablesefehler, denen über gewissenhafte Handhabung weitestgehend entgegengewirkt
werden kann. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass die interne Stromversorgung des
Messgeräts (9V-Block) unzureichend ist, was durch Betätigung des Prüfknopfes am Gerät
umgehend überprüft werden kann. Anschließend muss das Gerät ggf. über eine spezielle
Stellschraube auf seine Umgebung geeicht („genullt“) werden, um statische
Messwertfehler zu vermeiden. Zuletzt muss das bereits zum Projektor beschrieben
Einkopplungsphänomen gemäß der dortigen Empfehlungen behandelt werden.
• Sonstiges:
Wichtig ist, dass alle optischen Elemente uniaxial angeordnet sind. Dafür sollte eine
fixierte Schiene dienen, die alle relevanten Komponenten sicher trägt. Auch muss
sichergestellt sein, dass die Rotation der Analysatoren exakt erfolgt. Idealerweise sollte
hierzu eine Skala (360° in 5°-Schritten) an entsprechender Stelle im Versuchsaufbau
angebracht werden, an der die späteren Verdrehschritte orientiert werden können.
Die meisten Fehlerquellen lassen sich also durch gezielte Maßnahmen durchaus wirksam
eindämmen, wohingegen die Existenz weniger potentieller, statischer Fehlerquellen akzeptiert
werden muss. Die Umsetzung der angestellten konzeptionellen Vorbetrachtungen in ein
Versuchsmodell ist Aufgabe des kommenden Gliederungspunktes 4.3.3.
4.3.3 Versuchsaufbau
An dieser Stelle soll nun die Umsetzung der erörterten Entwurfskonzepte für den
Experimentalaufbau erfolgen. Dabei wird der handwerkliche Entstehungsprozess nicht näher
beleuchtet. Grundsätzlich besteht der Aufbau aus verschiedenen Modulen, die variabel
positionierbar sind und so verschiedene Versuchskonstellationen zulassen.
Basisaufbau
Auf einem stabilen 80 cm langen Holzbrett wird eine bestückbare Montageschiene so fixiert,
dass drei der vier Schienenseiten für die Anbringungen von Halterungen und Instrumenten
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frei verwendet werden können. Um den Projektionsscheibenproben (28 x 21,7 cm) später
ausreichend Halt zu bieten, werden an entsprechender Stelle über Winkel zwei
Stützschienenstücke links und rechts der Montageschiene angebracht. Zum Basisaufbau
zählen außerdem zwei „Träger-U’s“ mit den Abmessungen 35 x 50 x 9 cm und ein dichtes
schwarzes Tuch. Diese drei Elemente sollen schließlich zur kompletten Abdeckung des
späteren Aufbaus dienen (s.u.).
Primäraufbauten
Nun werden verschiebbare, gegenläufige Winkelpaare zur Fixierung der Lochblenden und
zum unkomplizierten Wechsel der Projektionsscheiben oben auf der Führungsschiene
verschraubt. Außerdem wird eine 5 cm hohe U-Halterung als Träger für das Messgerät
montiert. An der rechten Außenseite der Hauptschiene werden zwei frei bewegliche, mit
Gummi ausgekleidete Klemmhilfen befestigt, die künftig die Filterproben tragen sollen.
Sekundäraufbauten
Über die Primäraufbauten lassen sich nun die Sekundäraufbauten (Experimentunterstützer)
anbringen. Dazu zählen die beiden Lochblenden (17 x 20 cm, Loch auf ca. 7 cm Höhe,
Lochdurchmesser 2,5 cm orientiert am Messfeld des Photometers), das Messgerät (Hagner
Universal Photometer S2) und die am Messgerätobjektiv angebrachte 20 cm lange Röhre zur
Dämmung der Fremdlichteinkopplung. Die dem Messgerät nahe Lochblende wird zusätzlich
mit einem Winkelmaß (Durchmesser 7 cm, Ringstärke 1 cm, Rasterweite 5°) um das
Blendenloch ausgestattet. Als externe Sekundärkomponente dient der DLP-Projektor „ddv
1500“ der Firma Liesegang. Dieser wird in entsprechender Höhe, ausgerichtet an der
optischen Achse, so aufgestellt, das sich ein ca. 80 cm langer Lichtweg ergibt (Projektor
Polarisator: 40 cm, Polarisator Scheibe Analysator: 5 cm, Analysator Messgerät
35 cm).
Tertiäraufbauten
In der letzten Aufbaustufe folgen die zu untersuchenden Proben. Dazu zählen die 8 Proben
der Projektionsscheiben und die insgesamt 12 Polfilterproben (17 bei Berücksichtigung der
Links-Rechts-Betrachtung bei den zirkularen Brillen). Die Projektionsscheiben werden mit
der zweiten Lochblende (mit Winkelmesser) in die zentralen Stützwinkel eingespannt, die mit
Orientierungsmarken versehenen Polfilter sorgfältig in die mit Gummi ausgekleideten
Klemmen verbracht.
Nachfolgend sei der finale Versuchsaufbau in allen wesentlichen Details bei exemplarischer
Ausstattung festgehalten, wie er schließlich in einem ruhigen und abdunkelbaren Raum auch
eingesetzt wird:
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Abb. 53, Blick auf Winkelmesser
Abb. 55, Verhüllung Schritt 1
Abb. 52, Versuchsaufbau in der Totalen
Abb. 55, Verhüllung Schritt 2
Abb. 54, Blick auf Referenzfilter (linear)
Abb. 55, Verhüllung Schritt 3
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4.3.4 Auswertung, Ergebnisse
Innerhalb der Auswertung werden drei zentrale Ziele verfolgt. Einerseits ist dies die
angestrebte filtergütenbasierte Klassifizierung der Proben. Darüber hinaus sollen die
genannten Phänomene auch unter der Prämisse beobachtet werden, all jene Effekte zu
isolieren, die bisher unberücksichtig/unbekannt sind. Aus der Klassifizierung und den
Beobachtungen der Phänomene soll es schließlich möglich werden, gezielte Konsequenzen
(z.B. Verbesserungsmaßnahmen) zu formulieren.
Voraussetzung für alle Untersuchungen an den Polfiltern in Bezug auf die anzustellenden
Messungen und Beobachtungen, ist die Wahl der geeignetsten der 8 zur Verfügung stehenden
Projektionsscheiben. Gemäß des unter 4.3.2 genannten Ziels (kleinere und damit exaktere
Messdaten) ergibt die Messreihe an den Scheiben, dass die Probe „Graphite 100 1/2“ mit
2350 Lux die geringste und damit für die Messungen beste Beleuchtungsstärke liefert. Die
Messwerte an den anderen Scheibenproben werden in der nachfolgenden Grafik dargestellt.
Abb. 58: Scheibenproben (Beleuchtungsstärke)
Nachdem somit alle fixen Komponenten des Versuchsaufbaus komplettiert sind, können nun
die Messungen an den Filtern erfolgen. Die vollständigen Messwerttabellen sowohl zu den
linearen, als auch den zirkularen Filterproben befinden sich im Anhang. Im folgenden
Abschnitt soll zunächst die Klassifizierung stattfinden.
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4.3.4.1 Filterklassifizierung
Um eine angemessene Klassifizierung der Analysatoren überhaupt vornehmen zu können,
müssen entsprechende Klassifizierungskriterien definiert werden. Diese wiederum hängen
explizit von der Filterart ab. Daher gilt neben der konstanten Referenzbeleuchtung (farbfreie,
d.h. weiße Projektion) für:
Lineare Polfilter
Prinzipiell wird die objektive Filtergüte bei linearen Polarisationsfiltern von folgenden, in
ihrer Reihenfolge abnehmend relevanten Faktoren bestimmt:
• maximales Verhältnis zwischen Durchlass und Verschluss
• minimaler Durchlass (maximaler Verschluss)
• maximaler Durchlass
• ideale Beleuchtungskurve (flacher Ein- und Ausstieg, steiler Mittelverlauf)
Demnach ist es am bedeutsamsten, dass ein Filter ein möglichst hohes Verhältnis zwischen
Durchlass- und Verschlusswirkung aufweist, um maximale Helligkeits-/Kontrastunterschiede
und damit beste Bildtrennungseindrücke zu gewährleisten. Danach sollte der Filter v.a. in
seiner Verschlussstellung das Licht möglichst stark reduzieren, denn gerade hiervon können
die Ghostingeffekte abhängen. Erst dann rückt die allgemeine Helligkeit aus ergonomischer
Sicht in den Vordergrund und schlussendlich das Filterverhalten bei Kopfbewegungen.
Die Auswertung der Messungen ergibt daher über signifikante Unterscheidungsmerkmale
anhand nachstehender Grafiken folgende Klassifizierung:
Abb. 59, Lineare Polfilter (Beleuchtungsstärke)
98

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
1. 1.5
2. 1.2
3. 1.1
4. 1.4
5. 1.3
Abb. 60, Lineare Polfilter (D/V-Verhältnis)
D.h., dass Objekt 1.5 die besten Charakteristika besitzt. Da die Objekte 1.1 und 1.2 auf den
ersten beiden Auswertungsstufen (Verhältnisgrad, Verschluss) keine signifikanten
Unterschiede aufweisen, entscheidet hier schließlich der Durchlasswert.
Interessant ist neben den o.g. primären Eigenschaften auch der prozentuale Durchlass, den
jedes der Objekte gegen den Basiswert von 880 Lux (ohne Analysator) erzielt. Dort gibt es
beim maximalen Durchlass einen Unterschied von max. 15,3%, beim Verschluss von 2,7%.
Dies zeigt und bestätigt aufgrund der verhältnismäßig geringen Varianz bei der
Verschlusswirkung, dass besonders hierauf während der Filterproduktion geachtet wurde.
Dennoch muss man im Gegenzug festhalten, dass allein am durchlassstärksten Analysator
28,4% der auf ihn auftreffenden Lichtmenge verloren geht. Dieser Wert erscheint allerdings
noch relativ gering, wenn man bedenkt, dass der Referenzpolarisator die ursprüngliche
Beleuchtungsstärke von 2350 Lux (Referenzscheibe ohne Filter) um 62,6% reduziert.
Insgesamt bedeutet dies für den durchlassstärksten Filter einen Verlust von 73,2%.
Zirkulare Polfilter
Für die zirkularen Filterproben gilt folgende Anforderungsliste absteigender Relevanz zur
qualitativen Güteklassifizierung:
• maximales Verhältnis zwischen Durchlass und Verschluss (durchschnittlich)
• minimaler Durchlass für rechtes Glas (durchschnittlicher Verschlussgrad, prozentual
gegen Referenzwert ohne Analysator)
• minimales Verhältnis zwischen Extremwerten während Analysatorverdrehung je für
Durchlass und Verschluss
• maximaler Durchlass für linkes Glas (durchschnittlicher Durchlassgrad, prozentual gegen
Referenzwert ohne Analysator)
• ideale Beleuchtungskurve (möglichst geringe Varianz im Verlauf)
99

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Die Bewertung des Durchlass-/Verschlussverhältnisses kann hier nur auf Basis der
Durchschnittswerte je Filtermessreihen erfolgen, da Durchlass und Verschluss gegen den
Referenzpolarisator mit unterschiedlichen Einzelfiltern (linkes, rechtes Brillenglas) erfolgen.
Auch die Vergleichswerte für Verschluss und Durchlass werden auf Durchschnittswerte
gestützt. Zusätzlich wird eine Verhältnisgröße eingeführt, die den Verlauf der jeweiligen
Einzelkurven in ihren Extremwerten beschreibt.
Für die Auswertung der Messungen sind hier zwei besondere Aspekte zu beachten. Erstens
existiert kein fixer Referenzwert, der mit den 880 Lux (s.o., nur Referenzpolarisator)
vergleichbar wäre. Es muss für jedes Objekt der Polarisator neu justiert werden, was durchaus
zu Unterschieden zwischen den jeweiligen Referenzbeleuchtungsstärken führen kann.
Zusätzlich ergibt sich aus dieser Tatsache, dass auch die absoluten Werte für Durchlass und
Verschluss je Probe nicht mehr ohne Weiteres miteinander vergleichbar sind, da eben der
gemeinsame Basiswert fehlt. Deshalb wird hier auf einer relativen Größe in Form der
prozentualen Beleuchtungsstärke gegen den Referenzwert verglichen.
Für die ermittelten Referenzbeleuchtungsstärken soll folgendes Diagramm zur
Veranschaulichung dienen. Es zeigt, dass es abhängig von der Polarisatorjustierung
tatsächlich zu unterschiedlichen Referenzmesswerten kommt und die relative
Betrachtungsbasis zu Recht gewählt wird.
Abb. 61, Zirkulare Polfilter (Referenzbeleuchtungsstärke)
Aus diesen Überlegungen und der Anwendung der Signifikanzunterscheidung ergeht gemäß
der dargestellten Grafiken folgende zunächst separierte Teilklassifizierung für:
100

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
• Durchlass:
Abb. 62, Zirkulare Polfilter (prozentualer Durchlass gegen Referenzwert)
Abb. 63, Zirkulare Polfilter (durchschnittlicher prozentualer Durchlass)
101

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
1. 2.1
2. 2.3
3. 2.5
4. 2.4
5. 2.2
Abb. 64, Zirkulare Polfilter (Durchlass-Verhältnis zwischen max. und min. Messwert)
Zwischen 2.4 und 2.2 entscheidet erst deren D-Verhältnis, das hier zugunsten von 2.4
ausfällt. Bemerkenswert ist außerdem, dass zwischen den Filterproben z.T. erhebliche
Unterschiede bezüglich des durchschnittlichen Durchlasses bestehen.
• Verschluss:
Abb. 65, Zirkulare Polfilter (prozentualer Verschluss gegen Referenzwert)
102

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
1. 2.4
2. 2.2
3. 2.5
4. 2.1
5. 2.3
Abb. 66, Zirkulare Polfilter (durchschnittlicher prozentualer Verschluss)
Abb. 67, Zirkulare Polfilter (Verschluss-Verhältnis zwischen max. und min. Messwert)
Die ersten drei Proben liegen sehr nahe beieinander, dennoch erlaubt die durchschnittliche
Verschlusswirkung bereits eine sichere Gliederung. Markant ist, dass z.B. Objekt 2.3 trotz
seines guten Kurvenverlauf (wenig Varianz) im Vergleich zu den anderen Proben das
meiste Licht passieren lässt. Auch zeigen die Messungen an Objekt 2.1 die größte radiale
Inkonsistenz.
Die Gesamtbewertung ergibt sich nun aus einer kombinierten Betrachtung von Durchlass und
Verschluss. Die optimale Gesamtfiltergüte ist nur dann gegeben, wenn gleichzeitig die
103

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Durchlass- und Verschlusswirkung maximal sind, also bei einem möglichst großen D/V-
Verhältnis. Unter Berücksichtigung der oben angeführten Qualitätskriterien ergibt sich
folgende Gesamtklassifizierung:
1. 2.4
2. 2.2
3. 2.5
4. 2.1
5. 2.3
Abb. 68, Zirkulare Polfilter (durchschnittliches D/V-Verhältnis)
Diese Rangliste verdeutlich sehr gut, worin die essentielle Bedeutung der globalen
Klassifizierung in Verbindung mit zirkularen Polfiltern besteht. Nämlich im optimalen
Zusammenspiel von Durchlass und Verschluss innerhalb eines Versuchsobjektes. Wenn man
sich die Teilklassifizierungen genauer ansieht, erkennt man, dass jene Filterproben, die einen
guten Durchlass gewährleisten, beim Verschluss an Leistung einbüßen – und umgekehrt. D.h.
also, dass bei derzeit bestehenden Filtern aus den genannten Teilcharakteristika, orientiert an
festgehaltenen Referenzwerten (z.B. erhoben am eigenen VR-System), gewisse Tendenzen
für die Gesamtfiltergüte zu prognostizieren sind. Inwieweit sich Voraussagen auch für
künftige Filter treffen lassen, muss zu gegebener Zeit überprüft werden. Für lineare Polfilter
gilt die hier beschriebene Prognosemöglichkeit nicht.
4.3.4.2 Phänomenanalyse und Konsequenzen
An dieser Stelle sollen nun neben den vermuteten alle ungewöhnlichen Phänomene beleuchtet
werden, die während der Messungen zu beobachten waren und bisher möglicherweise
keinerlei Erwähnung fanden. Einige der Phänomene treten nur bei einem der beiden
Polarisationsverfahren auf, was nachfolgend spezifisch markiert wird. Die aus den
aufgeführten Problemen resultierenden Konsequenzen werden anschließend an die
Phänomenanalyse diskutiert. Begonnen wird nun mit den unter 4.2.1 vermuteten Effekten.
104

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Helligkeits- und Kontrastminderung durch Filtereinsatz
Hierbei handelt es sich um eine Tatsache, die generell bekannt ist, in den Versuchen jedoch
noch einmal im Detail nachvollzogen werden kann. Gerade die Lichtreduktion durch den
Polarisator, aber auch später durch den Analysator wurde oben bereits beschrieben. Die
Verminderung der Beleuchtungsstärke hängt dabei ganz entscheidend mit den optischen
Effekten (z.B. Strahlauftrennung etc.) zusammen, die letztendlich die Polarisation überhaupt
erst ermöglichen. Aus einer Verminderung der Gesamthelligkeit und dem gemessenen
Lichtdurchlass selbst bei Verschlussstellung der Filter, muss auch auf eine teilweise
Kontrastminderung geschlossen werden, die jedoch nicht näher untersucht wurde.
Konsequenzen:
Helligkeitsminderungen kann am einfachsten durch höhere Projektorleistungen entgegen
gewirkt werden. Über feinere und höherwertigere Filtermaterialien ist überdies ebenfalls eine
Verbesserung der Helligkeit zu erreichen, ebenso wie durch weniger dunkle Szenen. Auch
sollten die Filterpaare (Polarisator, Analysator) im Idealfall aufeinander abgestimmt werden,
was derzeit nicht der Fall ist. Für die Kontrastproblematik gilt Ähnliches, außer dass schon
beim Szenenkontrastdesign auf hinreichend Differenzierung geachtet werden sollte.
Farbverzerrung abhängig vom relativen Verdrehwinkel
Auch dieses Phänomen kann bestätigt werden. Verursacht durch die Rotationsdispersion
konnte speziell bei den zirkularen Filterproben beobachtet werden, dass mit zunehmender
Verdrehung Farbverschiebungen auftraten. In welchem Maß dies vorhersagbar zu beschreiben
ist und welche Auswirkung sich daraus auf die Wahrnehmung/Immersion ergeben, müsste in
späteren Folgeuntersuchungen überprüft werden. Bei den linearen Polfiltern waren diese
Effekte in für sie üblichen Einsatzsituationen kaum zu beobachten.
Konsequenzen:
Es ist vorstellbar, bei entsprechenden Anlagen die Szenen pro Auge (d.h. pro Projektor/Pipe)
in dem Maße leicht farbverschoben zu generieren, dass jene Effekte der Rotationsdispersion
wiederum ein möglichst farbtreues Bild erzeugen. Hierzu ist jedoch festzustellen, wie die
expliziten Farbverschiebungen für die verwendeten Filterpaare in statistischen Einsatzfällen
genau aussehen. Daraufhin kann dann die optimale Pre-Farbkorrektur (Filtering) erfolgen,
abhängig vom Polarisationsverfahren.
Unterschiedliche Filterwirkungen abhängig vom relativen Verdrehwinkel (zirk. Polfilter)
Die Versuche haben gezeigt, dass alle zirkularen Polfilter radial inhomogene
Durchlasseigenschaften aufweisen. Sehr gut ist dies aus den obigen Diagrammen zu erkennen.
Dabei folgen die Beleuchtungsstärkeschwankungen sinusartigen Kurven und haben ihre
maximale Abweichung jeweils in den orthogonale Filterstellungen. Das Bedeutsame in
diesem Zusammenhang ist die prinzipiell unerwünschte Korrelation der Abweichungen, d.h.
in einem relativen Verdrehwinkel von 90° weichen sowohl Durchlass-, als auch
Verschlussleistung maximal ab (vermindern sich) und zwar jeweils zum Nachteil des
potentiellen Benutzers. Dadurch kann es im ungünstigsten Falle gerade bei einer Verdrehung
in die Nähe der Orthogonalen zu einer signifikanten Verstärkung von Ghostings kommen.
Konsequenzen:
Da es sich hierbei um rein filterbedingte Fehler handelt, muss zur Problemlösung an den
Filtern selbst angesetzt werden. D.h. einerseits könnten höherwertigere Filtermaterialien mit
homogeneren Eigenschaften eingesetzt werden, was jedoch die bekannte Kosten-Nutzen-
Frage provoziert. Alternativ ist eine Justierung der Analysatoren in den Brillen so vorstellbar,
dass das D/V-Verhältnis über den gesamten Rotationsbereich nahezu konstant bleibt, und
105

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
nicht wie in allen vorliegenden Fällen am kleinsten bei einer Verdrehung um 90° ist. So
bliebe das Differenzniveau zwischen Durchlass und Verschluss, trotz möglicherweise etwas
geringerer Ausgangsleistung, über die relevanten Rotationswinkel durchschnittlich auf einem
günstigeren Level und bietet damit stabilere 3D-Wahrnehmungsparameter.
Unzureichende Trennleistung der Filterkombinationen
Dieses Phänomen wurde nicht explizit untersucht, da die Messungen ohne Benutzerstudien
stattfanden. Dennoch lassen sich an dieser Stelle einige interessante Sachverhalte klären. So
haben die Messungen gezeigt, dass das D/V-Verhältnis bei den linearen Polarisatoren im
Durchschnitt deutlich besser ausfällt. Sie leisten zwar insgesamt einen etwas geringen
Durchlass, sorgen aber für einen insgesamt besseren Verschluss.
Konsequenzen:
Man kann also sagen, dass lineare Polarisatoren bei einer für sie optimalen Einsatzform
(Desktop-VR-Systeme) zirkularen Polarisatoren vorzuziehen sind. Nur dann, wenn die
Kopfbewegungen des Benutzers potentiell freier gestaltbar sind, wären zirkulare Polfilter zu
empfehlen. Ab wann die Trennleistungen den minimalen Wahrnehmungsanforderungen
genügen, muss in weiteren Studien untersucht werden.
Verminderte Filterwirkung durch „Alterung“
Aufgrund des verhältnismäßig kurzen Einsatzes der Filter können hierzu keine Aussagen
gemacht werden. Generell ist natürlich beim Einsatz optischer Elemente darauf zu achten,
dass eine möglichst lange Einsatzdauer gewährleistet wird. Dabei sollten die meist
hitzeempfindlichen Materialien besonders geschützt werden, z.B. über die bereits genannten
IR-Absorber oder ähnliche Elemente.
Polarisationsbezogen inhomogene Lichtquellen
Insbesondere die Referenzwertmessungen zu den zirkularen Filterproben haben gezeigt, dass
abhängig von der Justierung des Polarisators unterschiedliche Referenzbeleuchtungsstärken
erreicht werden. Neben Randeinflüssen liegt insbesondere eine Ursache für diesen Umstand
nahe: das ausgesandte Licht könnte aufgrund seiner Verbreitungsart (im Versuch eingesetzter
DLP-Projektor: Spiegelsystem, dazu Zoom- und Shiftelemente) bereits eine bestimmte
Polarisationsneigung besitzen.
Es muss also davon ausgegangen werden, dass Projektoren durchaus bereits mehr oder minder
polarisiertes Licht aussenden. Wenn man sich zusätzlich vor Augen führt, dass bei passiven
Stereoprojektionsverfahren zwei Projektoren für die jeweilige Bedienung des linken und des
rechten Auges eingesetzt werden, kann eine unerkannte Polarisationsneigung der Projektoren
im ungünstigsten Falle zu deutlich stärkeren Ghostings führen, als sie allein bedingt durch die
oben beschriebenen inhomogenen Filtereigenschaften auftreten. Diese Situation spitzt sich zu,
je mehr Projektoren pro Projektionsfläche zum Einsatz kommen.
Konsequenzen:
Es bieten sich zwei grundsätzliche Varianten an, wie diesem Phänomen begegnet werden
kann. Zunächst könnte man versuchen dafür zu sorgen, dass das ausgesandte Licht möglichst
unpolarisiert ist. Dies erreicht man durch eine Reduktion der optischen Elemente auf dem
Lichtweg und ggf. die Wahl von Projektoren (z.B. CRT), die für die Lichtverteilung
weitestgehend unabhängig von optischen Elementen (Spiegel bei DLP) sind. Außerdem
sollten die Lampen aus polarisationsbezogener Sicht einer idealen Beschaffenheit nahe sein
(Gleichverteilung aller Polarisationszustände über alle Raumwinkel).
Die zweite Möglichkeit besteht darin, das ausgesandte teilpolarisierte Licht nach Verlassen
aller Projektorkomponenten wieder zu depolarisieren noch bevor es den ordentlichen
106

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Polarisator erreicht. Allerdings sind bislang alle Depolarisatoren derart beschaffen, dass sie
aufgrund ihrer funktionsbedingten Streuwirkung für eine Beibehaltung der Bildschärfe
ungeeignet sind. Man benötigt für diesen Weg optimalerweise einen klaren Depolarisator,
dessen Herstellung aus optophysikalischer Sicht jedoch ein großes Problem darstellt. Auf
absehbare Zeit darf man mit einer Einführung eines solchen Bauteils also nicht rechnen.
Demnach bleibt nur die o.g. Optimierung des Projektoreinsatzes.
Radial verteilte D/V-Maxima
Schon die Notwendigkeit zum Justieren des zirkularen Polarisators gegenüber jedem der fünf
Analysatoren beweist die Abhängigkeit der Filterleistungen von der exakten Einstellung
zwischen den jeweiligen Filterpaaren. D.h. mit unterschiedlichen Polarisationsfilterbrillen
(verschiedene Modelle, Hersteller etc.) erreicht man an ein und dem selben VR-System
(konstanter Polarisator) deutlich messbare D/V-Varianzen. Dies begründet sich v.a. in den
oben beschriebenen Prinzipien zur relativen Filterverdrehung und den spezifischen
Lichtquelleneigenschaften.
Konsequenzen:
Um für alle Benutzer eines VR-Systems gleichbleibende Qualität bei der Stereotrennung und
eine generelle Leistungssicherheit zu gewährleisten, ist eine definierte Abstimmung zwischen
Polarisator und Analysatoren unumgänglich. Dazu muss sichergestellt sein, dass alle
Filterbrillen im Wesentlichen identisch beschaffen sind (gleiches Filtermaterial, gleiche
Filterorientierung). Damit erreicht man auf Analysatorenseite eine hinreichende ergonomische
Konstanz. Wenn man nun, wie im Versuch praktiziert, den Polarisator in die zu den
Analysatoren optimalste Stellung bringt (D/V maximal bei waagerechter Brillenorientierung),
kann eine systemweite Sicherheit bezüglich konstanter Bildtrennungsleistungen bewirkt
werden.
Für CRT-Projektoren, wo jede der drei additiven Farbkomponenten (RGB) über eine separate
Röhre projiziert wird, ist entsprechend für jede der Farbkomponenten eine Filterjustierung
durchzuführen. Selbstversuche an einigen der in der HyPI-6 eingesetzten BARCO-CRT-
Projektoren zeigten, dass wenigstens eine Farbkomponente pro Projektor aufgrund fehlender
Justierbarkeit des zugehörigen Filters (fest verankert in rechteckigen Halterungen) nicht
behebbare leichte Ghosting-Eigenschaften aufwies. Nimmt man nun an, dass je eine der
Teilkomponenten der insgesamt 12 Projektoren leicht fehlorientiert projiziert wird, ergibt das
im Durchschnitt eine 33%ige Leistungsbeeinträchtigung über den gesamten immersiven
Raum und damit ein erhebliches Potential zur Störung der 3D-Wahrnehmung. Es ist also
dringend anzustreben, die Filter vor den Projektoren, ganz gleich welcher Art diese sind, nicht
fix, sondern justierbar (rotierbar) zu montieren.
107

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
5 Ausblicke
Aus den bisherigen Untersuchungen wird zweifelsfrei deutlich, dass es auf dem sehr
weitreichenden Gebiet der VR-Ergonomie noch sehr viel zu tun gibt. Obwohl mit der Arbeit
wirksame Ansätze geschaffen wurden, bestehen insbesondere folgende Notwendigkeiten:
• dringender Bedarf an Studienausweitung auf alle noch offenen Bereiche (z.B. Aspekte der
unzureichend abgedeckten Arbeitspsychologie in virtuellen, immersiven Umgebungen)
• vertiefender Auseinandersetzung mit isolierten ergonomischen Defiziten (z.B. vgl. 4.2:
Winkelfehlerbelastung, physiologische Belastungsgrößen; Anforderungsmängel)
• Fortführung der Verifizierungsprozesse (vgl. 3.1.2 und 3.1.3, Anforderungskataloge etc.)
• Schaffung von internationalen Spezialistenforen für interdisziplinäre
Problembewältigungen
• Diskussion potentieller Problemfelder über stete Analysen der Schichten des
Erhebungsmodells unter 2.2, auch anhand neuer technologischer Entwicklungen
• Erweiterung der Ansätze zu Standardisierungen (Überführung der Neuansätze in den
erarbeiteten Katalogen in definierte Standards)
Als logische Konsequenz aus den formulierten Notwendigkeiten muss eine Reihe von
zentralen Zielen resultieren, die zu erreichen von größter Wichtigkeit ist. Im einzelnen sind
diesbezüglich folgende Punkte zu sehen:
• Definition allgemeiner, industrieller Standards (gemessen am Potential und Bestreben von
VR sollte die Definition internationalen Charakter besitzen, offen u. flexibel gestaltet sein)
• Etablierung einer generischen VR-Basis über o.g. Standardisierung mit der Zielsetzung,
einen internationalen Wettbewerb trotz gemeinsamer Voraussetzungen nicht zu behindern
• breitgefächerte Erschließung möglicher Anwendungsfelder dank erzielter
Richtlinienformulierungen (durch die geschaffene gemeinsame Grundlage besteht neben
der ökonomischen nur noch eine inhaltliche Grenze für den generellen Einsatz von VR)
• Entwicklung ökonomischerer Technologien (durch und auf Basis definierter Standards)
• Akzeptanzverbesserung und damit Marktchancensteigerung durch o.g. Ziele
Über eine baldige Erreichung der genannten Ziele wird es mit großer Wahrscheinlichkeit
möglich sein, alle erdenklichen Einsatzgebiete auf absehbare Zeit zu erobern. Dabei werden
die unterschiedlichsten Domänen mit VR gemeinsam oder auch zusammenwachsen, wobei
die anfängliche Ausrichtung auf stärker visualisierungsorientierte Anwendungen durch eine
rasche Ausweitung selbst in scheinbar fremde Disziplinen erweitert werden wird. Natürlich
gibt es kaum Grenzen bei Berücksichtigung der Potentiale von VR, wodurch es sich auch in
dieser Arbeit nicht vermeiden lässt, einige visionäre Ansätze mit einem zumindest latentem
Realisierbarkeitsgehalt kurz zu beleuchten. Dabei stellt die folgende Liste nur einen kleinen
und ausgesprochen hypothetischen Ausblick auf VR im Generellen dar:
• BCI-VR (Brain-Comupter-Interfaces als innovative HCI-Schnittstelle zu VR-Systemen):
Hiermit sei eine interessante Kombination zweier – für sich gesehen – sehr ferner und
doch recht naher Forschungszweige genannt. BCI wird über EEG-Analysen ermöglichen,
an rechnergestützte Systeme spezielle Befehle allein durch Gedankenkraft abzusetzen.
Nicht nur für behinderte Menschen ein großes Stück mehr Lebens- und Arbeitsqualität,
sondern auch aus therapeutische Sicht und natürlich für virtuelle, immersive Umgebungen
eine durchaus vielversprechende Perspektive. Es ließen sich zunächst bestimmte, z.B.
über Eingabesysteme schwer zu realisierende Aktionen allein dank mentaler Befehle
steuern. In Erweiterung dessen ist es vorstellbar, bei hinreichendem Datendurchsatz und
ergonomischer Handhabbarkeit der BCI-Interfaces, sämtliche dafür geeignete Aktionen
innerhalb virtueller Welten auf diese Weise zu bewältigen. Somit wären selbst die
108

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
komplexesten Tätigkeiten sehr effizient und damit kostengünstig zu gestalten. Verknüpft
man nun ein solches Interaktionsmodell z.B. mit einer retinalen Projektion, kann auch der
tatsächliche Arbeitsraum und der bisherige Geräteaufwand drastisch verkleinert werden.
Welche Möglichkeiten und Probleme sich auf diesem offiziell völlig unerschlossenen
Terrain ergeben könnten, muss selbstverständlich erst untersucht werden.
Abb. 69, BCI-EEG
Abb. 70, BCI-Anwendung
• Virtual Society (z.B. als Erweiterung von BCI-VR):
Es wird die Zeit kommen, in der virtuelle, immersive Umgebungen in beeindruckender
Qualität, zu massenvertriebstauglichen Preisen und mit für den Consumerbereich
reizvollen Eigenschaften angeboten werden können. Damit stünde dem weitestgehend
medialisierten Menschen der Neuzeit auch der Weg in eine vollwertig erlebbare
künstliche Welt offen, die der realen in bestimmten Fällen durchaus den Rang ablaufen
könnte. Doch bevor man sich in erschreckenden Visionen von zunehmenden
Gesellschaftsseparationen, Massenisolation und ungeahnten sozialen Spannungen verliert,
sollte man zunächst an einen deutlich näheren Einsatz denken, wie z.B. eine völlig neue
Version des heutigen Internets. Dieses in seiner momentan Art noch immer sehr abstrakte
Gebilde könnte in eine ungleich intuitivere Welt überführt werden, in der die künstliche
Präsenz einen ganz neuen Wert erhält. Man wirkt tatsächlich präsent und erhält dadurch
vollkommen neue Interaktionsmöglichkeiten. Auch ist nicht auszuschließen, dass sich
damit ganz neue Arbeitsformen entwickeln, sofern es die Branchenspezifika erlauben.
• Virtual Government (als Ausprägung von VS, s.o.):
109

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Volksnähe ist für Regierungen und Behörden häufig ein großes Problem und die
erwünschte Omnipräsenz zur Schaffung von Vertrauen und Unterstützung ist nur schwer
zu bewerkstelligen. Wie wäre es aber, wenn dem Bürger dank VR die Nähe erfolgreich
suggeriert werden könnte? Was ergäben sich für Chancen, wenn der einzelne Bürger
erlebbaren Kontakt mit Menschen aus Regierung, Behörden, ja seinem nächsten
zuständigen Umfeld in gewisser Regelmäßigkeit pflegen könnte? Wie könnten Kräfte des
Volkes effizienter gebündelt werden, wenn es die Möglichkeit gäbe, sich virtuell zu
organisieren? Sicherlich nicht für jedermann eine Wunschvorstellung, doch sollten auch
diese Potentiale in ernsthaften Studien untersucht werden. Denkbar, dass wir uns einer
solchen Zukunft sicherer nähern, als wir es uns derzeit vorstellen.
Mit diesen vielleicht inspirierenden, vielleicht erschütternden, vielleicht aber auch nur
erheiternden visionären Ausblicken auf künftige, mögliche Einsatzformen von VR, fern ab
aktueller ökonomischer Interessen, aber dennoch bei Beachtung ergonomischer Grundsätze,
sei der Kreis um die Diplomarbeit geschlossen. Mit Rückblick auf den Beginn der
Ausführungen kann man eines schlussendlich festhalten: die Verwirklichungspotentiale von
VR sind theoretisch fast grenzenlos, wenn man nur den Menschen bei allem Drang zur
fortwährenden Innovation nicht vergisst.
110

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
II Zusammenfassung
Hauptziel dieser Arbeit war es, durch die Auseinandersetzung mit den verschiedenartigen
Aspekten von Virtual Reality und Ergonomie zu zeigen, dass unter dem neu zu definierenden
Dach der VR-Ergonomie eine Vielzahl von notwendigen Untersuchungen anzustellen sind,
die nicht nur die technologischen Zukunftspotentiale von VR künftig besser nutzbar machen
sollen, sondern auch, um diese viel stärker als bisher mit humanorientierten Fragestellungen
zu integrieren.
Dazu wurde nach der Zusammenführung von VR und Teilgebieten der Arbeitswissenschaften
zunächst untersucht, welche ergonomischen Anforderungen auf Basis bestehender, auch
internationalen Normen, Richtlinien, wissenschaftlichen Arbeiten etc. für repräsentative
Referenzsysteme erhoben werden können. Innerhalb dieser z.T. neu zu konzipierenden
Erhebungsprozesse konnte festgestellt werden, dass es in vielen Bereichen, v.a. aber in Bezug
auf Wahrnehmungs- und Arbeitsmodalitäten nicht nur erhebliche ergonomische Defizite gibt,
sondern schlicht keinerlei anwendbares, normatives Quellenmaterial existiert. Häufig sind die
Probleme viel zu spezifisch, als dass eine problemlose Adaption selbst verwandter Themen
möglich wäre. Dann kann nur eine auf die explizite Problemsituation zugeschnittene Studie
zur Ermittlung von Belastungsgrenzwerten o.ä. entworfen und durchgeführt werden.
Bei all den Aktivitäten stand stets ein ingenieurmäßig wissenschaftliches Vorgehen im
Vordergrund, weswegen eine Orientierung an VDI-konformen Herangehensweisen erfolgte.
Im Zuge dieser Aktivitäten wurden zwei wesentliche Phasen innerhalb dieser Arbeit
durchlaufen: die Konzeptsynthese in Verbindung mit den vorangegangenen Arbeitsschritten
und die Prozessgeneralisierung in Form von Systematiken zur Anforderungs- und
Maßnahmenerhebung, sowie zur anwendungsspezifisch ergonomiebezogenen VR-
Systembewertung. Weiterhin wurden Anforderungskataloge für die VR-Hardware und
additionale Betrachtungsrelevanzen für die VR-Software erstellt.
Im praktischen Teil der Arbeit spielte die Untersuchung eines besonderen Problemfalls und
zwar der Filtergüte im Zusammenhang mit der Stereoseparation bei Projektionssystemen die
zentrale Rolle. Es wurde eine Klassifizierung der am Fraunhofer IAO eingesetzten
Polarisatoren und Analysatoren vorgenommen, eine Überprüfung von verschiedenen
polarisationsabhängigen Hypothesen durchgeführt und im Verlauf der Studien festgestellte
und bislang nicht berücksichtigte Phänomene (polarisationsbezogen inhomogene
Lichtquellen, radial verteilte Durchlass/Verschluss-Maxima) isoliert. Zu den überprüften
Hypothesen und gefunden Phänomenen wurden denkbare Konsequenzen, also mögliche
Verbesserungsmaßnahmen formuliert.
Schlussendlich konnte durch die Gesamtheit der Untersuchungen gezeigt werden, dass im
Bereich VR zum Teil immense ergonomische Mängel bestehen und das häufig nur deshalb,
weil über weite Strecken einfach am Menschen vorbei entwickelt wurde. Die Ausblicke
führen dazu klare Notwendigkeiten und Ziele für die Zukunft aus.
111

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
III Quellenverzeichnis
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Instituts für Wirtschaftswissenschaften der TU Braunschweig, Vorlesungsmanuskript
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Verlag Stuttgart 1997
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[6] R. Bernotat, Anthropotechnik in der Fahrzeugführung, Ergonomics, 353-377, 1970
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[10] http://cg.cs.tu-berlin.de/~kai/tablet/vr_out.html, 2003
[11] http://www.google.de/search?q=cache:S6f5jvHvn7gJ:www.cs.uta.fi/~grse/
ACAI_2003/HeadMovements/HeadMovements.ppt+6+dof+intertial+tracker&hl=de&i
e=UTF-8, 2003
[12] http://www.villa-kunterbunt-schardt.de/priv/Tom/paper/Schardt1999c.pdf, 2003
[13] http://www.senseboard.com/, 2003
[14] F. Biocca & B. Delaney, Immersive virtual reality technology, Lawrence Erlbaum
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[15] http://www.jszw.de/3d_wahrnehmung/tiefe.html, 2003
[16] http://www.seereal.com/DE/products_principle_js.de.htm, 2003
[17] http://www.hitl.washington.edu/projects/vrd/, 2003
[18] http://www.philart.de/magisterarbeit/kap2.pdf, 2003
112

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
[19] Prof. Dr. M. Waldowski, Digitale Bildverarbeitung I, SG Medieninformatik im
Fachbereich Digitale Medien der Fachhochschule Furtwangen, Vorlesungsskript, 2001
[20] House, 1982 (genannt in [15])
[21] S.Y. Edgerton, Die Entdeckung der Perspektive, Wilhelm Finke Verlag, 2002
[22] http://www.3dsource.de/deutsch/basics.htm, 2003
[23] http://www.arch.tu-dresden.de/bauoekcad/Seminararbeiten_2002/
Radiocity_Particletrace/, 2003
[24] Kelsey, 1993 (genannt in [15])
[25] http://www.virtualresearch.com/products/v8.htm, 2003
[26] http://www.vd-media.de/archiv/Hitachi_CP-SX5500.html, 2003
[27] http://www.barco.com/projection_systems/virtual_and_augmented_reality/
content/products/product_specs.asp?element=312, 2003
[28] http://vr.iao.fhg.de/6-Side-Cave/index.de.html, 2003
[29] http://www.barco.com/Projection_systems/virtual_and_augmented_reality/
content/products/product_specs.asp?element=860, 2003
[30] F. Biocca, Virtual reality technology: A tutorial, Journal of Communication,
23-72, 1992
[31] J. Steuer, Defining virtual relatity: Dimensions determining telepresence, Journal
of Communication, 1992
[32] T.B. Sheridan, Further Musings on the psychophysics of presence, Teleoperators
and Virtual Environments (241-246), 1996
[33] J. Blascovich, Social influence within immersive virtual environments, Springer
London, 2002
[34] B.G. Witmer & M.J. Singer, Measuring presence in virtual environments: a presence
questionnaire, Teleoperators and Virtual Environments (225-240), 1998
[35] K. Stanney & G. Salvendy, Aftereffects and sense of presence in virtual environments:
Formulation of a Research and Development Agenda, International Journal of Human-
Computer Interaction (135-187), 1998
[36] http://www.personal.uni-jena.de/~sth/angst/bericht.htm, 2003
[37] DIN EN ISO 13407, Benutzerorientierte Gestaltung interaktiver Systeme
[38] D. A. Bowman, Interaction Techniques for common Tasks in immersive
Virtual Environments, Georgia Institute of Technology, 1999
113

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
[39] Mixed Fantasy: An Integrated System for Delivering MR Experiences, University
of Central Florida, ISMAR 2003
[40] http://www.chemie.tu-muenchen.de/biotech/ord.pdf, 2003
[41] Eugene Hecht, Optik, Addison-Wesley, 1991
[42] http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2003/0088/pdf/3_-_Geraete_und_Methoden.pdf,
2003
[43] http://pluslucis.univie.ac.at/FBA/FBA95/Schloegl/schloegl.html, 2003
[44] http://www.chemie.tu-muenchen.de/biotech/ord.pdf, 2003
[45] D. Zelter, Autonomy, interaction and presence, Teleoperators and Virtual
Environments (127-132), 1992
Normen und Richtlinien:
VDI 2220 (Produktplanung)
VDI 2221 (Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte)
VDI 2222, Blatt 1 (Methodisches Entwickeln von Lösungsprinzipien)
VDI 2223 (Methodisches Gestalten)
DIN 5340 (Begriffe der physiologischen Optik)
DIN EN 397 (Industrieschutzhelme)
DIN EN 166 (Persönlicher Augenschutz)
DIN 33411 (Körperkräfte des Menschen)
DIN 33402 (Körpermaße des Menschen)
DIN EN 894 (Sicherheit von Maschinen - Ergonomische Anforderungen an die Gestaltung
von Anzeigen und Stellteilen [früher: DIN 33401])
DIN 5035-2 (Beleuchtung mit künstlichem Licht; Richtwerte für Arbeitsstätten in
Innenräumen und im Freien)
DIN 1946 (Lüftungstechnische Anlagen)
DIN 33430 (Anforderungen an Verfahren und deren Einsatz
bei berufsbezogenen Eignungsbeurteilungen)
EN ISO 9241 (Ergonomische Anforderungen für Bürotätigkeiten mit Bildschirmgeräten)
EN ISO 14915 (Software-Ergonomie für Multimedia-Benutzungsschnittstellen)
114

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
BildschArbV (Bildschirmarbeitsverordnung)
BimSchV 26 (Verordnung über elektromagnetische Felder)
EnEV (Energieeinsparverordnung)
GUV 50.12 (Gesetzliche Unfallversicherung, sichere und gesundheitsgerechte Gestaltung von
Bildschirmarbeitsplätzen)
TCO '99 (Tjänstemännens Centralorganisation, Strahlungsgrenzwerte bei Bildschirmarbeit)
Weitere allgemeine Quellen:
G. Bente, N.C. Krämer & A. Petersen, Virtuelle Realitäten, Hogrefe, 2002
B. Schray, Virtuelle Interaktionsformen in immersiven Umgebungen: Die Auswirkung von
direkter vs. indirekter Bedienschnittstelle auf die Performanz am Beispiel von Größen- und
Distanzschätzungen in der CAVE, Diplomarbeit im Fach Psychologie an der Eberhard-Karls-
Universität Tübingen, 2003
J. Rauschenbach, Gestaltung eines Interfaces für die Visualisierung und Evaluierung von 3D-
CAD-Dateien in Virtual Reality, Diplomarbeit an der TU Dresden, 2002
J. Deisinger, Entwicklung eines hybriden Modelliersystems zur immersiven konzeptionellen
Formgestaltung, Dissertation, Jost-Jetter Verlag, 2002
http://haptic.mech.nwu.edu/HapticResearch.html, 2003
http://medien.informatik.uni-ulm.de/lehre/courses/ss02/ModellingAndRendering/01-
3dwahrnehmung.pdf, 2003
http://cg.cs.tu-berlin.de/~kai/tablet/vr_out.html, 2003
http://www.3dsource.de/deutsch/basics.htm, 2003
http://www.ikarus.uni-dortmund.de/Virtual_Reality/publish/einfuehr/, 2003
http://www.est-kl.com/, 2003
http://www.barco.com/VirtualReality/en/stereoscopic/lumens.asp, 2003
Arbeitsgesetz, Verordnung 3 (Schweiz)
http://www.systec.de/de/support/fwb/wiederholgenauigkeit.shtml, 2003
http://www.virart.nottingham.ac.uk/overview/h&sintro.html, 2003
http://www.barco.com/VirtualReality/, 2003
Angaben in den Anforderungskatalogen (z.T. bezogen aus Vorarbeiten)
115

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
IV Abbildungsverzeichnis
Titel HyPI-6-Schema [9, Oliver Stefanie]
Abb. 1 Arbeitssystem [2, Bild 1.2]
Abb. 2 Bewertungshierarchie [2, Bild 1.10]
Abb. 3 Beispielhaftes VR-System [9]
Abb. 4 VR-Struktur [9]
Abb. 5 Arbeit in Mehrwandprojektionsraum [9]
Abb. 6 Auswahl diskreter Eingabegeräte [9]
Abb. 7 Komponenten für elektromagnetisches Tracking [9]
Abb. 8 Komponenten für optisches Tracking [9]
Abb. 9 Kinematische Kette „Phantom“ [9]
Abb. 10 BOOM [9]
Abb. 11 Komponenten für trägheitsorientiertes Tracking [9]
Abb. 12 Komponenten für akustisches Tracking [9]
Abb. 13 Datenhandschuh [9]
Abb. 14 Senseboard [9]
Abb. 15 Hybrides Eingabegeräte „Hornet“ [9]
Abb. 16 Desktop-VR [9]
Abb. 17 HMD [9]
Abb. 18 Projektionssystem [9]
Abb. 19 Akustische Ausgabegeräte [9]
Abb. 20 Haptische Ausgabegeräte [9]
Abb. 21 Binokulare Disparität [7]
Abb. 22 Anaglyphenbrille [7]
Abb. 23 Akkomodation [7]
Abb. 24 Konvergenz [7]
116

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Abb. 25 Perspektive [7]
Abb. 26 Relative Größe [7]
Abb. 27 Fernperspektive [7]
Abb. 28 Licht/Schatten 1 [7]
Abb. 29 Licht/Schatten 2 [7]
Abb. 30 Interposition [7]
Abb. 31 Gestaltprinzip [7]
Abb. 32 Bewegungsparallaxe [7]
Abb. 33 Umweltbezogene Interpretation [7]
Abb. 34 Virtual Research V8 [9]
Abb. 35 Erdebox
Abb. 36 BARON [9]
Abb. 37 HyPI-6 [9]
Abb. 38 Präsenzmodell von Zelter [45]
Abb. 39 Präsenzmodell von Sheridan [32]
Abb. 40 Präsenzmodell von Steuer [31]
Abb. 41 Erhebungsmodell
Abb. 42 Systemtechnische Problemlösungszyklen, [VDI 2221, Bild 2.2]
Abb. 43 Modifizierte Stereobrillen
Abb. 44 Interaktionstools [9]
Abb. 45 Systematik der Anforderungserhebung
Abb. 46 Systematik der Maßnahmenerhebung
Abb. 47 Systematik der ergonomiebezogenen VR-Systembewertung
Abb. 48 Polarisationszustände [44]
Abb. 49 Lineare Filterproben
117

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Abb. 50 Zirkulare Filterproben
Abb. 51 Projektionsflächenproben
Abb. 52 Versuchsaufbau in der Totalen
Abb. 53 Blick auf Winkelmesser
Abb. 54 Blick auf Referenzfilter (linear)
Abb. 55 Verhüllung Schritt 1
Abb. 56 Verhüllung Schritt 2
Abb. 57 Verhüllung Schritt 3
Abb. 58 Scheibenproben (Beleuchtungsstärke)
Abb. 59 Lineare Polfilter (Beleuchtungsstärke)
Abb. 60 Lineare Polfilter (D/V-Verhältnis)
Abb. 61 Zirkulare Polfilter (Referenzbeleuchtungsstärke)
Abb. 62 Zirkulare Polfilter (prozentualer Durchlass gegen Referenzwert)
Abb. 63 Zirkulare Polfilter (durchschnittlicher prozentualer Durchlass)
Abb. 64 Zirkulare Polfilter (Durchlass-Verhältnis zwischen max. und min.
Messwert)
Abb. 65 Zirkulare Polfilter (prozentualer Verschluss gegen Referenzwert)
Abb. 66 Zirkulare Polfilter (prozentualer Verschluss gegen Referenzwert)
Abb. 67 Zirkulare Polfilter (Verschluss-Verhältnis zwischen max. und min.
Messwert)
Abb. 68 Zirkulare Polfilter (durchschnittliches D/V-Verhältnis)
Abb. 69 BCI-EEG [9]
Abb. 70 BCI-Anwendung [9]
118

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V Anhänge
Anforderungskatalog „Hardware und Umgebung“
119

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
120

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
121

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
122

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
123

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
124

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
125

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
126

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
127

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
128

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
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Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
130

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
131

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Additionaler Anforderungskatalog „Software“
132

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
Mess- und Ermittlungsdaten aus den praktischen Untersuchungen (vgl. 4)
133

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
134

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
135

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
136

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
137

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
138

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
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