Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen

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