Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen

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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 24
Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004 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 25
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