Es mag den Anschein haben, als gäbe es die Virtual-Reality-Technologie (VR) erst seit wenigen Jahren.

Die VR-Systeme und Headsets, die wir heute kennen, befinden sich jedoch seit Jahrzehnten in der Entwicklung. Der früheste Vorläufer der heutigen VR-Systeme geht tatsächlich auf das Jahr 1957 zurück, als Martin Heilig ein Patent für ein kopfmontiertes stereoskopisches Fernsehgerät anmeldete.

Seitdem hat die VR-Technologie langsame, aber stetige Fortschritte gemacht. Anfangs fehlte den Entwicklern die Rechenleistung, um ein echtes, immersives VR-Erlebnis zu schaffen. Dann, sobald sie es hatten, war das Rennen eröffnet, um es für den Durchschnittsverbraucher tragbar und erschwinglich zu machen.

Dort sind wir heute. Unternehmen wie HTC, Oculus, Valve und Sony bieten jetzt kommerziell rentable VR-Hardware an, die sich sprunghaft weiter verbessert. Aus diesem Grund kennen Menschen auf der ganzen Welt VR und verstehen, was es ist. Die meisten haben jedoch kein genaues Verständnis für die Besonderheiten der Technologie.

Ein technischer Leitfaden zur virtuellen Realität

Um dem abzuhelfen, finden Sie hier eine grundlegende technische Anleitung zur Virtual-Reality-Technologie. Sie erfahren, wie es funktioniert, was erforderlich ist, damit es funktioniert, und wohin die Technologie als nächstes gehen könnte. Tauchen wir ein.

Die wissenschaftlichen Grundlagen der virtuellen Realität

Im Kern hat die VR-Technologie nur einen Zweck: Einstellungen und Umgebungen realistisch genug zu simulieren, um das menschliche Gehirn dazu zu bringen, sie als Realität zu akzeptieren. Aus wissenschaftlicher Sicht beginnt alles damit, zu verstehen, wie unser Gehirn die Dinge interpretiert, die wir sehen, um ein mentales Bild der Welt um uns herum zu entwickeln.

Ohne zu sehr ins Detail zu gehen, ist die einfachste Erklärung, dass unsere Wahrnehmung der Realität auf Regeln basiert, die wir anhand unserer Erfahrungen als Leitfaden entwickeln. Wenn wir zum Beispiel den Himmel sehen, sagt er uns, in welcher Richtung „oben“ ist. Wenn wir Objekte sehen, die wir identifizieren können, können wir ihre Größe im Verhältnis zueinander verwenden, um die Entfernung zu beurteilen. Wir können Lichtquellen auch erkennen, indem wir die Schatten wahrnehmen, die von den Objekten um uns herum geworfen werden.

VR-Designer können diese konventionellen Regeln verwenden, um virtuelle Umgebungen zu schaffen, die unseren mentalen Erwartungen an die Realität entsprechen. Wenn dies der Fall ist, ist das Ergebnis ein nahtloses Erlebnis, das wir als "echt" interpretieren.

Die technischen Grundlagen der virtuellen Realität

Die heutigen kommerziellen VR-Systeme konkurrieren alle darum, herauszufinden, welches die bestmögliche Benutzererfahrung in einer virtuellen Umgebung bieten kann. In Wahrheit ist keiner von ihnen zu einem vollständig immersiven Erlebnis fähig, aus einem ganz einfachen Grund: Die Technologie hat die Fähigkeiten des menschlichen Sehens noch nicht eingeholt. Hier ist eine Aufschlüsselung, wo sich die heutigen VR-Headsets befinden und wohin sie zu gelangen versuchen.

Sichtfeld

Aus technischer Sicht ist eine der größten Hürden die Tatsache, dass Menschen zu einem viel breiteren Sichtfeld (FOV) fähig sind, als es heutige Headsets bieten können. Ein durchschnittlicher Mensch kann die Umgebung um sich herum in einem Bogen von etwa 200 bis 220 Grad um seinen Kopf herum sehen. Wo sich das Sehvermögen unseres linken und rechten Auges überschneidet, befindet sich ein Bogen von ungefähr 114 Grad, in dem wir in 3D sehen können.

Heutige Headsets konzentrieren ihre Aufmerksamkeit auf diesen 114-Grad-3D-Raum, um ihre virtuellen Umgebungen bereitzustellen. Kein Headset kann jedoch das volle Sichtfeld eines durchschnittlichen Menschen aufnehmen. Im Moment streben die heutigen VR-Hardware-Designer jedoch danach, Geräte zu entwickeln, die ein Sichtfeld von 180 Grad ermöglichen, was als ideal für eine Hochleistungs-VR-Simulation gilt.

Bildrate

In der Welt der VR gibt es vielleicht kein größeres Streitthema als den Umgang mit den Frameraten virtueller Umgebungen. Das liegt daran, dass es keinen wirklichen wissenschaftlichen Konsens darüber gibt, wie empfindlich das menschliche Sehen in dieser Hinsicht ist. Aus physikalischer Sicht wissen wir, dass das menschliche Auge bis zu 1000 Bilder pro Sekunde (FPS) sehen kann. Das menschliche Gehirn empfängt solche Details jedoch niemals über den Sehnerv. Es gibt Studien, die darauf hindeuten, dass Menschen Bildraten von bis zu 150 FPS erkennen können, aber darüber hinaus gehen die Informationen auf dem Weg zum Gehirn bei der Übersetzung verloren.

Bei einem Kinofilm beträgt die Bildrate 24 FPS. Das ist jedoch nicht darauf ausgelegt, die Realität zu simulieren. Bei VR-Anwendungen haben die meisten Entwickler festgestellt, dass alles unter 60 FPS beim Benutzer tendenziell zu Orientierungslosigkeit, Kopfschmerzen und Übelkeit führt. Aus diesem Grund streben die meisten Entwickler einen „Sweet Spot“ für VR-Inhalte von etwa 90 FPS an, und einige (wie Sony) zertifizieren keine Software für die Ausführung auf ihren Geräten, wenn sie zu irgendeinem Zeitpunkt während der Verwendung unter 60 FPS fallen. In Zukunft werden die meisten VR-Hardware-Entwickler jedoch auf eine Bildrate von 120 FPS oder mehr drängen, da dies für die meisten Anwendungen ein lebensechteres Erlebnis bietet.

Soundeffekte

Ein weiterer entscheidender technischer Aspekt von VR ist die Art und Weise, wie Designer Soundeffekte verwenden, um dem Benutzer ein Gefühl von dreidimensionalem Raum zu vermitteln. Heutzutage stützt sich hochmoderne VR auf eine Technologie namens Spatial Audio, um eine simulierte Audiolandschaft zu erstellen, die den von VR erstellten visuellen Elementen entspricht.

Jeder, der schon einmal in einem gut gestalteten Konzertsaal gesessen hat, sollte damit vertraut sein, dass die Geräusche, die wir hören, variieren können, je nachdem, wo wir uns in einem Raum befinden und sogar, in welche Richtung wir unseren Kopf drehen. Räumliches Audio ist eine Technik, mit der VR-Designer binaurales (Stereo-)Audio über einen Kopfhörer erzeugen können, der genau diese Empfindung nachahmt.

Es gibt eine Vielzahl aktueller Implementierungen, aber alle haben einige ähnliche Eigenschaften, darunter:

Es ist auch wichtig, daran zu denken, dass bei einem VR-Headset die hier beschriebenen Audioeffekte in Echtzeit berechnet werden müssen, um die Bewegung des Benutzers zu berücksichtigen. Was das betrifft, kratzt die heutige VR-Hardware noch immer an der Oberfläche des Möglichen.

Kopf- und Positionsverfolgung

Die wahre Magie von VR liegt nicht darin, wie überzeugend die Grafik oder der Sound sind (obwohl dies wichtige grundlegende Elemente sind), sondern darin, dass sich Benutzer in einem virtuellen Raum bewegen können, der sich an ihre Position anpasst. Das unterscheidet ein VR-Headset von einer einfachen Videobrille.

Derzeit werden für VR-Anwendungen zwei Arten von Kopf- und Positionsverfolgung verwendet – gemessen in Freiheitsgraden – 3DoF und 6DoF. Mobile VR-Headsets wie das Samsung Gear VR, Googles Daydream View und das Oculus Go verwenden 3DoF, was bedeutet, dass sie nur Rotationsverfolgung durchführen können. Sie wissen, wann Sie Ihren Kopf nach links und rechts drehen, nach oben oder unten schauen oder Ihren Kopf zur einen oder anderen Seite neigen. Wenn Sie jedoch Ihren ganzen Körper bewegen, werden sie das nicht aufnehmen.

Im Gegensatz dazu können Headsets, die 6DoF verwenden, die Position des Trägers im Raum sowie die Richtung, in die sein Kopf zeigt, verfolgen. Das bedeutet, dass 6DoF-Headsets eine vollständig autonome Bewegung durch einen 3D-Raum ermöglichen können, was ein weitaus überzeugenderes VR-Erlebnis darstellt. Die Art und Weise, wie dies geschieht, ist von Plattform zu Plattform unterschiedlich, aber die wichtigsten Methoden umfassen in der Regel kamerabasiertes Tracking in Verbindung mit Infrarot-Lichtsignalen.

Wohin die virtuelle Realität führt

So fortschrittlich die VR-Technologie von heute auch ist, sie wird in den kommenden Jahren noch viel besser werden. Mit fortschreitender Entwicklung sollten wir Hardware mit einem verbesserten, lebensechteren FOV und passendem besserem 3D-Audio sehen. Allein das macht die nahe Zukunft von VR spannend.

Wir stehen auch kurz vor neuen Verbesserungen von VR, die das Erlebnis erheblich besser machen werden als das, was Sie mit der heutigen Hardware erreichen können. Eine davon ist die Verwendung von haptischen Feedback-Geräten wie den HaptX-Handschuhen, die realistische Berührungsempfindungen für die Objekte bieten, mit denen Benutzer in VR interagieren. Eine andere ist eine als Foveated Rendering bekannte Grafiktechnik, die den begrenzten Brennpunkt des menschlichen Auges nutzt, um Bilder mit ultrahoher Auflösung nur dort zu liefern, wo unsere Augen fokussiert sind, wodurch die zum Erstellen des Bildes erforderliche Rechenleistung verringert wird.

Noch wichtiger sind jedoch die neuen Verwendungsmöglichkeiten von VR. Parallele Fortschritte in der maschinellen Lerntechnologie im Bildungsbereich werden immersives Fernlernen zum ersten Mal Wirklichkeit werden lassen. Chirurgen profitieren von fortschrittlichem VR-Training zur Verbesserung der Patientenergebnisse. Diejenigen, die eine Behandlung für PTBS und verwandte Störungen benötigen, haben endlich einen Weg zur Heilung.

Unter dem Strich steht die VR-Technologie in vielen Bereichen erst am Anfang ihres Potenzials. Mit dem Wachstum der Technologie werden auch die Anwendungen wachsen, die sich talentierte Softwareentwickler, Forscher und Wirtschaftsführer dafür ausdenken. Von diesem Standpunkt aus kann man mit Fug und Recht sagen, dass wir den Anfängen der Geschichte der virtuellen Realität viel näher sind als dem Abschluss – und es wird noch viel mehr erstaunliche Entwicklungen geben.

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