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Erweiterte Realität

computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung
Augmented-Reality-App Wikitude auf einem Smartphone

Unter erweiterter Realität (auch englisch augmented reality [ɔːɡˈmɛntɪd ɹiˈælɪti], kurz AR [eɪˈɑː]) versteht man die computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung. Diese Information kann alle menschlichen Sinnesmodalitäten ansprechen. Häufig wird jedoch unter erweiterter Realität nur die visuelle Darstellung von Informationen verstanden, also die Ergänzung von Bildern oder Videos mit computergenerierten Zusatzinformationen oder virtuellen Objekten mittels Einblendung/Überlagerung. Bei Fußball-Übertragungen ist erweiterte Realität beispielsweise das Einblenden von Entfernungen bei Freistößen mithilfe eines Kreises oder einer Linie.

Definition und AbgrenzungBearbeiten

Im Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum (nach Paul Milgram et al., 1994[1]) sind die erweiterte Realität (augmented reality, AR) und erweiterte Virtualität (augmented virtuality) Teil der sogenannten gemischten Realität (mixed reality). Während der Begriff Augmented Virtuality kaum von der Fachwelt benutzt wird, werden Augmented Reality und Mixed Reality, selten auch Enhanced Reality, meist synonym verwendet. Im Gegensatz zur virtuellen Realität, bei welcher der Benutzer komplett in eine virtuelle Welt eintaucht, steht bei der erweiterten Realität die Darstellung zusätzlicher Informationen im Vordergrund. Für die visuelle Modalität führt dies zu wesentlich härteren Anforderungen an die Positionsbestimmung (Tracking) und Kalibrierung.

Unter einem AR-System (kurz ARS) versteht man das System der technischen Bestandteile, die nötig sind, um eine Augmented-Reality-Anwendung aufzubauen: Kamera, Trackinggeräte, Unterstützungssoftware usw.

Die Literatur verwendet meist die Definition der erweiterten Realität von Azuma:[2]

  • Die virtuelle Realität und die Realität sind miteinander kombiniert (teilweise überlagert).
  • Interaktivität in Echtzeit.
  • Reale und virtuelle Objekte stehen 3-dimensional zueinander in Bezug.

Diese Definition hat zwei Nachteile:

  • sie stützt sich allein auf technische Merkmale,
  • sie beschränkt sich auf nur einen Teilaspekt von AR.

Andere Arbeiten definieren AR als eine Ausweitung der Sinneswahrnehmung des Menschen durch Sensoren von Umgebungseigenschaften, die der Mensch selbst nicht wahrnehmen kann: Radar, Infrarot, Distanzbilder usw.

AnwendungenBearbeiten

Erweiterte Realität könnte in praktisch allen Bereichen des Alltags zum Einsatz kommen. Monteure könnten sich den nächsten Arbeitsschritt direkt in ihr Sichtfeld einblenden lassen; Soldaten oder Katastrophenhelfer könnten sich Ziele und Gefahrenzonen im Gelände anzeigen lassen und Designer könnten mit tatsächlich und virtuell anwesenden Kollegen am selben dreidimensionalen Modell arbeiten. Mit fortschreitender Technologie lassen sich futuristische Anwendungsszenarien erschließen: Elektronische Geräte, die nur virtuell existieren, aber auf echte Berührungen reagieren, künstliche Sinneserweiterungen wie den „Röntgenblick“ und Computerspiele in freiem Gelände.

 
Automatische Texterkennung, -übersetzung und -projektion in der App Word Lens

Ein Beispiel für eine AR-Anwendung sind die in Echtzeit eingeblendeten virtuellen Marken bei Sportübertragungen: Verschiedene Entfernungen der Konkurrenten beim Skispringen, Weitwurf usw. (Man beachte, dass dieses Beispiel oft keine Augmented-Reality-Anwendung nach der obigen Definition ist, da manchmal das interaktive Element fehlt.)

Google arbeitete an einem (2015 eingestellten) Produkt, das unter dem Namen Google Glass 2012 vorgestellt worden war. Es handelte sich um eine Brille mit Mikrodisplay und Kamera, die auch über Spracheingabe bedient werden sollte. Zu den Funktionen des Geräts gehörte etwa, dass der Träger der Brille Informationen seiner Umgebung ins Internet überträgt und seinerseits entsprechende Hinweise, beispielsweise in Form von Navigationshinweisen, aus dem Internet erhält. Weiterhin sollten auch die bekannten Möglichkeiten von Smartphones und Videokonferenzen zur Verfügung stehen.[3]

Hilfestellung bei komplexen Aufgaben, v. a. in Konstruktion, Wartung und MedizinBearbeiten

Durch Anzeigen von Zusatzinformationen kann eine Hilfestellung bei komplexen Aufgaben geschehen.[4] Zum Beispiel werden für einen Mechaniker die Teile eines Gerätes „beschriftet“, und er bekommt Arbeitsanweisungen. In der Medizin kann erweiterte Realität genutzt werden, um die Darstellung nicht sichtbarer Elemente zu ermöglichen. Zum Beispiel kann dies intraoperativ geschehen, als „Röntgenblick“ für den Operateur, basierend auf vorheriger Tomographie oder aktuellen Bilddaten von Ultraschallgeräten oder offenen Kernspintomografen.

Industrielle AnwendungenBearbeiten

 
Navigationshinweis auf dem Smartphone

Mit Augmented Reality können digitale Planungsdaten effizient mit vorhandenen realen Geometrien abgeglichen werden. Die Technik ermöglicht ferner den breiten Einsatz von digitalen Absicherungsmethoden bei der Kombination von digitalen Daten mit realen Prototypen bzw. Konstruktionen.

NavigationBearbeiten

 
Photogrammetrische Nachbildung eines Denkmals

Erweiterte Realität kann grundsätzlich die Navigation im Gebäude (bei der Wartung von Industrieanlagen), im Freien (für Militär oder Katastrophenmanagement), im Auto (Projektion von Navigationshinweisen an die Windschutzscheibe, so dass beispielsweise Abbiegehinweise auf der Fahrbahn erscheinen) oder im Flugzeug (Head-Up-Displays in Kampfflugzeugen sind eine der frühesten AR-Anwendungen überhaupt) genutzt werden.

DigitalkamerasBearbeiten

 
Live-View bei einer fotografischen Aufnahme mit Markierung der erkannten und scharf eingestellten Gesichter

Bei Digitalkameras mit Live-View-Suchern und -Bildschirmen kann zusätzlich zum Motiv errechnete Information eingeblendet werden, wie zum Beispiel für erkannte Gesichter, für scharf gestellte Kanten oder für fehlerhaft belichtete Bildbereiche. Zur Ausrichtung von Bild- oder Motivkanten können Gitterlinien oder elektronische Wasserwaagen eingeblendet werden.

KunstBearbeiten

 
10.000 Moving Cities, Marc Lee, Augmented Reality Multiplayer Game, Kunstinstallation[5]

AR in der bildenden Kunst ermöglicht es Objekten oder Orten, künstlerische multidimensionale Erfahrungen und Interpretationen der Realität auszulösen.

Das nicht fertiggestellte Denkmal des Künstlers Benno Elkan wurde virtuell rekonstruiert und im Museum für Kunst und Kulturgeschichte Dortmund ausgestellt. Mit einer Smartphone-App kann das virtuelle Denkmal von allen Seiten betrachtet werden.[6][7]

Militär und KatastrophenmanagementBearbeiten

 
Systeme ARC4(USA)

Im Bereich Militär und Katastrophenmanagement können tragbare Systeme verwendet werden, die etwa Freund und Feind oder Brandherde anzeigen.

Hydrologie, Ökologie, GeologieBearbeiten

Systeme können für die Prospektion, für die Darstellung und die interaktive Analyse von Karten und Geländemerkmalen genutzt werden, um beispielsweise Bodenschätze auszubeuten.

ArchitekturBearbeiten

Erweiterte Realität eignet sich ebenfalls für die Visualisierung von Architektur. So können zerstörte historische Gebäude oder auch zukünftige Architekturprojekte dargestellt werden.[8]

SimulationBearbeiten

Auch für Flug- und Fahrsimulatoren kann erweiterte Realität eingesetzt werden.

Zusammenarbeit verteilter TeamsBearbeiten

Die Zusammenarbeit örtlich verteilter Teams kann erleichtert werden. Zum Beispiel durch Video-Konferenzen mit realen und virtuellen Teilnehmern (siehe hierzu auch: Telepresence). Aber auch die gemeinsame Arbeit an simulierten 3D-Modellen wird so unterstützt.

Unterhaltung und SpieleBearbeiten

 
AR-Tower-Defense-Spiel

Eine Erweiterung in Museen und Ausstellungen durch Virtuelle Objekte ermöglicht Besuchern Zugang zu mehr Informationen. Ebenfalls nutzbar ist die erweiterte Realität in der Unterhaltungsindustrie, wie beispielsweise bei Spielen (ARQuake, EyePet (für PS3)). Ein populäres Beispiel ist das Spiel Ingress, das von Niantic und Google entwickelt wurde und 2012 erschien.

Mit der EW-Anwendung Pokémon Go erreichten die Entwickler Niantic und Nintendo im Sommer 2016 ein breites Publikum.[9] Ebenfalls hat Niantic im Jahr 2019 das AR-Spiel Harry Potter: Wizards Unite veröffentlicht, welches sich um das Harry Potter-Universum dreht. AR-Spiele lassen sich in die folgenden Untergenre einordnen:

  • Location-based Game: Der Spielverlauf wird durch die Veränderung mit der geographischen Position des Spielers beeinflusst. Beispiele: Niantic-Spiele wie Pokemon Go, Ingress, Harry Potter: Wizards Unite[10]
  • Die Interaktion mit dem Live-View-Modus einer Kamera.[11]
    • Um Objekte aufnehmen oder einscannen, die dann im Spiel verwendet werden. (Input für das Spiel)
    • Bei der anderen Variante wird das Kamerabild durch Spielelemente erweitert. (Projektion des Spiels auf das Kamerabild) So soll der Spieler beispielsweise auf dem Bildschirm platzierte Computergegner einfangen oder bekämpfen, Gegenstände, die sich im Kamerabild befinden einsammeln oder das Kamerabild durch neue Objekte erweitern, in dem z. B. auf einen ausgewählten flachen Bereich virtuelle Objekte platziert werden können. Ebenfalls kann der Live-View-Modus als Navigationshilfe und Spielleiste genutzt werden. Beispiele: Minecraft Earth oder Die Sims FreiSpiel
  • Alternate Reality Game: Crossmediale Erzählstruktur, die die Grenze zwischen fiktiven Ereignissen und realen Erlebnissen bewusst verwischen lässt.[12]
  • Toys-to-life: Spielzeug und Actionfiguren werden in Verbindung mit einem Computerspiel genutzt oder schalten spezielle Funktionen in dem Spiel frei.[13]
  • Holografisches Spiel: Spiel das sich dreidimensional in Form eines Hologramms auf eine Fläche im Raumes projizieren lässt. Obwohl es noch kein Spiel für den privaten Markt gibt, hat Microsoft auf der Präsentation für die AR-Brille Microsoft HoloLens einen Prototyp einer Holografie-Version von Minecraft vorgestellt.[14]

WerbungBearbeiten

Zunehmend setzen Unternehmen in ihrer Werbung auf AR-Komponenten, um dem Kunden einen Mehrwert zu bieten. So veröffentlichte beispielsweise die Möbelhauskette IKEA 2013 einen Katalog, in dem ausgewählte Möbelstücke per Smartphone-App eingescannt und virtuell an einen beliebigen Platz in der Wohnung projiziert werden konnten.[15]

LernenBearbeiten

Erweiterte Realität verfügt auch im Lernbereich über ein großes Potenzial. Es besteht die Möglichkeit, insbesondere durch mobile Applikationen, digitale Layer auf reale Welten zu projizieren und nahtlos in die Realität zu integrieren. Besonders Applikationen mit Animationen erlauben ein interaktives Erschließen laufender Prozesse. Somit werden vor allem abstrakte Konzepte, welche in traditionellen Lernformen teilweise nur einseitig betrachtet werden können, greifbarer.[16] Des Weiteren ermöglichen es AR-Applikationen, die Umgebung eigenständig zu erkunden, was in einer Steigerung der Lernmotivation resultieren kann.[17]

Ein Beispiel für AR-Lernen durch selbständiges Erkunden ist die App „Timetraveler Berlin Wall“, welche historische Ereignisse in die Umgebung der heutigen Welt integriert.[18] Kritiker befürchten, dass bei einem unreflektierten Einsatz von AR-Anwendungen lineare Wahrnehmungsmodi eingeübt werden, die eine ‚natürliche‘, dynamische Wahrnehmung und Interaktion mit der Welt unterbinden.[19]

Fernsehen und SportBearbeiten

Einige Fernseh- und Sportübertragungen setzen auf visuelle Informationsgrafiken, die in Form einer Erweiterung der Realität auf den Bildschirm projiziert werden und z. B. Informationen über das Spiel vermitteln.[20][21] AR kann auch als Erweiterung für das Ausüben einer Sportart dienen, so wird beim Augmented Climbing beispielsweise die Kletterwand durch Lichtprojektionen zu einem Spiel.[22]

Zukünftige AnwendungenBearbeiten

Als zukünftige Anwendungen werden einige Beispiele hier aufgeführt. Zum einen kann eine Erweiterung von PC-Betriebssystemoberflächen in die reale Umwelt geschehen. Programmfenster und Icons werden dann als virtuelle Geräte im realen Raum dargestellt und durch Blicke oder Zeigen mit dem Finger bedient. Dies kann generell zum Ersatz herkömmlicher Bildschirme (Ersatz von Handy- und Navigatorbildschirmen und Einblendung der Informationen direkt in die Umwelt, beispielsweise von Leitlinien direkt auf die Fahrbahn, sowie Erweiterungen, wie beispielsweise „Röntgenblick“ zur Darstellung verdeckter Ziele), Gerätebedienfelder, oder zu völlig neuen Gerätetypen führen. Außerdem kann erweiterte Realität für multimediale Anwendungen, wie pseudo-holografische virtuelle Bildschirme, virtuelle „Holodecks“, virtuelles Surround-Kino genutzt werden. Aber auch zur Verschönerung der alltäglichen Umwelt, wie durch die Darstellung virtueller Pflanzen, Tapeten, Ausblicke, Kunstwerke, Dekorationen, Beleuchtung usw., wären Anwendungen denkbar. Bei allgemeiner Verbreitung von AR-Systemen könnte man auch virtuelle Schaufenster, Plakate oder Verkehrsschilder nutzen.

Möglich wäre zudem ein Zusammenwachsen von Virtual und Augmented Reality, sodass der User auf einem Endgerät zwischen den Formen wechseln kann[23].

ProblemeBearbeiten

TechnikBearbeiten

Ein Problem ist die technische Belastung bei erweiterter Realität, besonders die Nachführung der Bilder bei Bewegungen. Auch die Sensoren werden durch die Bewegung beeinträchtigt. So gibt es Rauschen, Drift und Abschattung des Trackingsystems (beispielsweise bei GPS, INS). Eine Kombination von beispielsweise GPS mit Trägheits- und optischer Navigation ist daher bei fortgeschrittenen Systemen üblich.

Ein weiteres Problem stellt die Energieversorgung dar. Die momentan verfügbaren Akkus reichen noch nicht aus, um mobile Augmented-Reality-Systeme längere Zeit zu versorgen. Auch die Verfügbarkeit von Daten, Authoring und hohe Komplexität von Daten können zu Problemen führen. Um die Einbettung der virtuellen Szene in die reale Szene möglichst überzeugend zu leisten, sind Daten notwendig, die die Umgebung auch in ihrer Geometrie beschreiben. Darauf aufbauend können dann virtuelle Schnitte durch reale Objekte gezeichnet und die Verdeckung der virtuellen Objekte durch die realen Objekte berechnet werden. Diese Geometriedaten sind jedoch nicht immer verfügbar oder aktuell. Die vollständige Integration virtueller Objekte in reale Szenen erfordert das Ausblenden von Hintergrundteilen, damit die Objekte nicht durchsichtig erscheinen. Systeme, die die direkte Sicht vollständig durch Kamerabilder ersetzen (EyeTap) haben dieses Problem nicht, sind aber für viele Anwendungen ungeeignet.

Soziale AspekteBearbeiten

Da neben Gebäuden, Denkmälern und anderen statischen Objekten mit immer besserer Hardware und Software auch Personen durch Gesichts-, Sprach- oder Kleidungserkennungssoftware in Anwendungen für erweiterte Realität eingebunden werden könnten, ist mit weitreichenden Auswirkungen auf die Gesellschaft zu rechnen.[24]

Siehe auchBearbeiten

LiteraturBearbeiten

Wichtige Publikationen:

  • R. Azuma: A Survey of Augmented Reality. In: Presence: Teleoperators and Virtual Environments. 6, Nr. 4, 1997, S. 355–385 (PDF-Datei; 479 kB).
  • R. Azuma, Y. Baillot, R. Behringer, S. Feiner, S. Julier, B. MacIntyre: Recent advances in augmented reality. In: IEEE Computer Graphics and Applications. 21, Nr. 6, 2001, S. 34–47 (PDF-Datei; 2,2 MB).
  • T.P. Caudell, D.W. Mizell: Augmented reality: an application of heads-up display technology to manual manufacturing processes. In: Proceedings of the Twenty-Fifth Hawaii International Conference on System Sciences, 1992. vol.2, 1992, S. 659–669, doi:10.1109/HICSS.1992.183317.
  • Pierre Wellner, Wendy Mackay, Rich Gold: Back to the real world. In: Communications of the ACM. Band 36, Nr. 7, Juli 1993, S. 24–26, doi:10.1145/159544.159555.
  • Paul Milgram, Haruo Takemura, Akira Utsumi, Fumio Kishino: Augmented reality: a class of displays on the reality-virtuality continuum. In: Proceedings of SPIE 2351, Telemanipulator and Telepresence Technologies. 21. Dezember 1995, S. 282–292, doi:10.1117/12.197321 (utoronto.ca [PDF; 45 kB]).

WeblinksBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Paul Milgram, Haruo Takemura, Akira Utsumi, Fumio Kishino: Augmented reality: a class of displays on the reality-virtuality continuum. In: Proceedings of SPIE 2351, Telemanipulator and Telepresence Technologies. 21. Dezember 1995, S. 282–292, doi:10.1117/12.197321 (PDF-Datei; 45 kB). PDF-Datei; 45 kB (Memento des Originals vom 4. Oktober 2006 im Internet Archive)   Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/vered.rose.utoronto.ca
  2. R. Azuma: A Survey of Augmented Reality. In: Presence: Teleoperators and Virtual Environments. 6, Nr. 4, 1997, S. 355–385 (PDF-Datei; 479 kB).
  3. Project Glass: Googles revolutionäres Konzept einer Augmented-Reality-Brille, t3n, 5. April 2012. Abgerufen am 5. April 2012.
  4. Virtual Reality auf der AIX 2018. Abgerufen am 1. Juli 2019.
  5. 10.000 Moving Cities – Same but Different, AR (Augmented Reality) Art Installation, 2018.
  6. Erinnerungskultur: Benno Elkans Mahnmal ist im MKK virtuell erlebbar – Nachrichten – Museum für Kunst und Kulturgeschichte – Museen – Freizeit & Kultur – Stadtportal dortmund.de. Abgerufen am 21. September 2018.
  7. Nie gebautes Kriegs-Mahnmal von Benno Elkan wird zum modernsten Denkmal Deutschlands. In: RN. (ruhrnachrichten.de [abgerufen am 21. September 2018]).
  8. Youtube Video: Augmented Reality für Architekten, Incloud, 25. April 2012. Abgerufen am 26. April 2012.
  9. Benedikt Fuest:"Das steckt hinter dem Hype um "Pokémon Go"" Die Welt vom 11. Juli 2016
  10. Kati Alha, Elina Koskinen, Janne Paavilainen, Juho Hamari: Why do people play location-based augmented reality games: A study on Pokémon GO. In: Computers in Human Behavior. Band 93, 1. April 2019, ISSN 0747-5632, S. 114–122, doi:10.1016/j.chb.2018.12.008 (sciencedirect.com [abgerufen am 21. August 2019]).
  11. Augmented Reality Games - Spieleratgeber NRW. Abgerufen am 21. August 2019.
  12. Charles Palmer, Andy Petroski: Alternate Reality Games: Gamification for Performance. CRC Press, 2016, ISBN 978-1-4987-2239-1 (google.de [abgerufen am 21. August 2019]).
  13. Arielle Pardes: How Augmented Reality Is Shaping the Future of Play. In: Wired. 17. Februar 2018, ISSN 1059-1028 (wired.com [abgerufen am 21. August 2019]).
  14. Markus Böhm: "Minecraft" mit Microsofts Hololens: Wie ein Besuch im Miniaturwunderland. In: Spiegel Online. 17. Juni 2015 (spiegel.de [abgerufen am 19. August 2019]).
  15. "Von IKEA bis Toyota – interaktive Printwerbung" xposeprint.de, 13. September 2013. Abgerufen am 17. Januar 2014.
  16. Judy Bloxham: Augmented Reality Learning. In: ITNOW. Band 56, Nr. 3, 1. September 2014, ISSN 1746-5702, S. 44–45, doi:10.1093/itnow/bwu078 (oup.com [abgerufen am 2. Februar 2018]).
  17. Social Augmented Learning: Lehren und Lernen in einer erweiterten Realität – Medienproduktion. (Nicht mehr online verfügbar.) Archiviert vom Original am 3. Februar 2018; abgerufen am 2. Februar 2018 (deutsch).   Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www2.tu-ilmenau.de
  18. Robin von Hardenberg: timetraveler berlin wall. Robin von Hardenberg, 22. September 2014, abgerufen am 2. Februar 2018.
  19. James McGuirk & Marc Fabian Buck: Leibliche (Lern-)Erfahrung qua Augmented Reality. In: Malte Brinkmann, Johannes Türstig, Martin Weber-Spanknebel (Hrsg.): Leib – Leiblichkeit – Embodiment. Pädagogische Perspektiven auf eine Phänomenologie des Leibes. Springer VS, Wiesbaden 2019, ISBN 978-3-658-25516-9, S. 405–423, doi:10.1007/978-3-658-25517-6_22.
  20. 6 Ways Augmented Reality Is Disrupting The Sports Industry : ARP. In: AugRealityPedia (ARP). 15. März 2018, abgerufen am 18. September 2019 (amerikanisches Englisch).
  21. Augmented Reality im Sport: So wird die Technologie bislang genutzt. 15. März 2019, abgerufen am 18. September 2019.
  22. The Augmented Climbing Wall: High-Exertion Proximity Interaction on a Wall-Sized Interactive Surface. Abgerufen am 18. September 2019.
  23. Virtual Reality: Wo die Technologie aktuell steht | Murmann Magazin. In: Murmann Magazin. 31. Januar 2018 (murmann-magazin.de [abgerufen am 6. Februar 2018]).
  24. Universität Oldenburg "Augmented Reality" IuG © 2011, gesichtet am 23. Dezember 2013
  25. Archivlink (Memento des Originals vom 22. November 2014 im Internet Archive)   Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.medienwiki.org