Extended Reality (XR)

Der linke Bereich des Kontinuums beschreibt Umgebungen, die nur aus realen Objekten zusammengesetzt sind. Hierbei erfolgt die Betrachtung immer durch ein Medium wie z. B. einer Fensterscheibe. Demgegenüber handelt es sich bei dem rechten Bereich des Kontinuums um eine Umgebung, welche ausschließlich aus virtuellen Objekten besteht und wird als Virtual Reality (VR) bezeichnet. Der Bereich zwischen den beiden Extremen wird als Mixed-Reality definiert und ist wiederrum Augmented Reality (AR), bei der der reale Anteil überwiegt und in Augmented Virtuality, bei der hingegen der virtuelle Anteil dominiert, untergliedert.

Was ist Augmented Reality (AR)?
Bei Augmented Reality (kurz AR) handelt es sich um eine Erweiterung der Realität. Dabei verbindet AR die reale und virtuelle Umgebung, indem virtuelle Objekte oder Informationen in das Sichtfeld projiziert werden und somit eine neue Wahrnehmung der Realität geschaffen wird. Bei den virtuellen Elementen kann es sich beispielsweise um Animationen, Bilder oder Texte handeln. Die Außenwelt bleibt für den Endverbraucher die gesamte Zeit sichtbar und eine Interaktion mit den virtuellen Elementen ist in der Regel gar nicht oder nur eingeschränkt möglich. Für die Anwender ist die Technologie leicht zugänglich und benutzerfreundlich aufgebaut. Die Bedienung kann bereits mit Hilfe eines Smartphones oder ähnlichen Devices erfolgen. Da zudem die technologischen Voraussetzungen deutlich geringer sind als bei VR, zählt AR zu der häufigsten genutzten Form von XR.

Was sind die Charakteristika von AR?
Systeme können nach Azuma als AR-Systeme bezeichnet werden, sofern sie die folgenden drei Merkmale aufweisen: AR-Systeme kombinieren virtuelle Realität mit der realen Umwelt und überlagern diese teilweise,
arbeiten interaktiv und in Echtzeit und
registrieren reale und virtuelle Objekte und richten diese aneinander aus.

Wie funktioniert AR?
Für das Konstruieren einer erweiterten Realität erfolgt die Betrachtung der realen Umgebung mit Hilfe eines Mediums. In diesem Zusammenhang werden verschiedene Projektionsverfahren mit Blick auf das verwendete Medium eingesetzt, welche auch als Interfaces bezeichnet werden. Ein Interface kann demzufolge als Schnittstelle zwischen einem Softwareprodukt und dem Anwender verstanden werden und lässt sich wiederum in zwei grundsätzliche Prinzipien unterteilen: Video-See-Through (VST) und Optical-See-Through (OST).

Beim VST erfolgt der Einsatz von handgeführten mobilen Endgeräten, sogenannte Handhelds, wie beispielsweise Tablets oder Mobilfunktelefone. Hierbei wird mit Hilfe einer Kamera ein Bild der umgebenen Welt erzeugt und dieses in Echtzeit auf dem Display abgebildet. Das Display fungiert somit wie ein Fenster, welches die reale Umgebung um virtuelle Objekte oder Informationen erweitert.

Beim OST ist die Kamera hingegen direkt am Kopf des Betrachters durch das Tragen sogenannter Smart Glasses angebracht. Diese werden auch als Head-Mounted-Displays bezeichnet und ermöglichen einen direkten Blick auf die umgebende Welt. Solche Datenbrillen beinhalten neben der Kamera noch ein oder zwei weitere OST-Displays. Diese Displays sitzen vor der Stirn oder am Brillenbügel und projizieren ein Bild auf einen halbdurchlässigen Spiegel (Combiner), der direkt vor dem Auge des Anwenders positioniert ist. Eine Optik aus runden Linsen verschiebt das virtuelle Bild und erzeugt die Illusion, dass das Bild sich in größerer Entfernung befinde. Zudem verfügen Smart Glasses in der Regel über einen eigenen Akku, eine Recheneinheit mit eigenem Betriebssystem sowie einem Sender und Empfänger für die Datenübertragung und GPS-Sensorik. Die Steuerung kann dann beispielsweise über ein Touch-Feld am Brillenbügel erfolgen.

Was ist Virtual Reality (VR)?
Bei Virtual Reality handelt es sich um eine Technologie, bei der Anwenderinnen und Anwender vollständig in eine synthetische, virtuelle 360° Umgebung eintauchen und ihre reale Welt visuell nicht mehr wahrnehmen. Im Gegensatz zu AR sind bei dieser Technologie demzufolge spezielle Ausgabegeräte notwendig und setzen den Anschluss an einen Computer voraus.

Was sind die Charakteristika von VR?
Die elementaren Eigenschaften von VR lassen sich in das von Burdea und Coiffet entwickelte 3I-Modell einordnen.

1. Interaction: Interaction beschreibt die Möglichkeit der Nutzer von VR in einer virtuellen Szene beliebig mit der virtuellen Realität zu interagieren.
2. Imagination: Bei Imagination handelt es sich um die individuelle Vorstellungsfähigkeit der User sich in die entsprechende virtuelle Welt hineinzuversetzen.
3. Immersion: Immersion ist die Eingebundenheit der Benutzer in die virtuelle Umgebung. Es entspricht der technischen Voraussetzung für die Schaffung einer sogenannten "Präsenz". Dieser Begriff beschreibt das individuelle Gefühl des Anwenders sich an einem bestimmten Ort zu befinden.

Über das 3I-Modell hinaus lassen sich zwei weitere Charakteristiken von VR feststellen. Dazu zählt auf der einen Seite Computergrafisch und entspricht der Darstellung der virtuellen Welt mit Hilfe von computergrafischen Algorithmen. Auf der anderen Seite erfolgt die Visualisierung der Inhalte ohne wahrnehmbare Verzögerungen, d. h. in Echtzeit.

Wie funktioniert VR?
Der Benutzer einer VR-Technologie, die zu erfüllende Aufgabe sowie die technischen Komponenten werden auch als VR-System bezeichnet. Für eine reibungslose Anwendung sind in der Regel drei technische Elemente erforderlich, welche im Folgenden kurz beschrieben werden.
Zunächst sind bestimmte Input/Output Devices notwendig. Ein Anwender benötigt sowohl Eingabegeräte für die Interaktionen im Rahmen der virtuellen Szene als auch Ausgabegeräte als Feedback auf die Interaktionen um die Inhalte sichtbar zu machen. Die Ausgabe kann dabei auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Zu dem häufigsten Format zählt die Darstellung auf visuellen Ausgabemedien. Es ist aber auch möglich andere Sinne anzusprechen, z.B. bei einer rein akustischen Ausgabe. VR wird daher auch als multisensorisch bezeichnet. 

Der zentrale Bestandteil eines VR-Systems ist die sogenannte VR-Engine, welche für die Echtzeitberechnung der Veränderungen der Grafikinhalte zuständig ist und somit die Interaktion des Nutzers während einer virtuellen Szene ermöglicht. Auf der VR-Engine wird dann eine Visualisierungssoftware ausgeführt, welche über Datenbanken auf unterschiedliche virtuelle Inhalte zugreifen kann.

In welchen Bereichen wird XR angewendet?
Die Einsatzfelder von XR sind vielfältig, weshalb die Technologien daher bereits in vielen Branchen Anwendung gefunden haben. Dazu zählen beispielsweise:

• Militär: Die Anfänge von XR finden sich in der Militärtechnik. Hierbei lassen sich durch den Einsatz von AR-Technologien riskante Situationen simulieren. Somit müssen sich vor allem Auszubildene zunächst keiner echten Gefahrensituation aussetzen, sondern können sich mit dem Training in einer sicheren Umgebung vorbereiten.

• Unterhaltungsindustrie: Besonders die Unterhaltungsindustrie setzt im Zusammenhang mit Videospielen auf VR-Brillen, um den Usern ein vollumfängliches Spielerlebnis zu ermöglichen.

• E-Commerce (Electronic Commerce): Das Potenzial von AR-Lösungen im Bereich von E-Commerce ist groß. Demnach setzen beispielsweise Interior-Apps auf AR, damit potenzielle Kunden die Möbelstücke bereits in ihren Wohnraum projizieren und die virtuellen Produktpendants live sehen können.

• Industrie: Unternehmen setzen für effizientere Fertigungsprozesse AR unter anderem zur Kenntlichmachung von Anlagenstörungen durch visuelle Signale, oder durch grafische Überlagerung der Prozessparameter eines Werkstücks im Fertigungsprozess ein. Darüber hinaus kann es in der Konzept- und Detailplanung von Fabrik- und Produktionsanlagen, z.B. in Form von Variantenvisualisierung oder der visuellen Ausgestaltung der Gebäudeinfrastruktur angewendet werden.

• Maintenance: Die Reparatur von Anlagen erfordern spezielles Fachwissen. Mit Hilfe von AR-Technologie können relevante Informationen über die vorliegenden Maschinenteile auf das ein Display projiziert werden. Neben der physischen Orientierung assistiert die Technologie hier auch in Form von nützlichen Informationen über den Zustand der einzelnen Teile und die sich daraus ergebenden, notwendigen nächsten Schritten.

• Medizin: Die Medizin gilt als die Branche mit dem größten Potenzial XR effizient einzusetzen. Im Bereich der Chirurgie kann beispielsweise mittels AR bei einer Operation die interne Anatomie des Patienten auf dessen Körper projiziert werden, wodurch die Venen und Arterien sichtbar werden. Somit wird das Verletzungsrisiko, oder auch das Risiko für "Kunstfehler" für den Patienten signifikant verringert. Bei Transplantationen schließt AR außerdem die Lücke zum 3D-Druck. In einem solchen Fall können die künstlich erzeugten Organe aus Eigengewebe mit Hilfe von AR punktgenau implantiert werden.

Welchen Herausforderungen steht XR gegenüber?
Die Herausforderungen für eine weite Verbreitung im gewerblichen und privaten Bereich sind vor allem die hohen Entwicklungskosten sowie die steigendenden Anschaffungskosten für zusätzliche technische Geräte im Rahmen von VR. Eine weitere Schwierigkeit für die Entwickler ist der Datenschutz und die Einhaltung der Datenschutzrichtlinien, da bei der Anwendung von XR viele persönliche Daten gesammelt werden. Für eine flächendeckende Nutzung ohne Netzwerkprobleme ist außerdem der weitere Ausbau von IT-Infrastruktur notwendig. Da die meisten XR-Technologien noch weiteres Entwicklungspotenzial haben, zögern derzeit noch viele potenzielle Nutzer mit einem frühzeitigen Kauf.

Was sind die aktuellen Trends? 
Aktuell schreiten insbesondere die Entwicklungen für das sogenannte Handtracking für VR-Anwendungen, z.B. für das Erlernen des Fingeralphabets und der Zeichensprache durch eine VR-Brille voran. In der virtuellen Ansicht wird ein Buchstabe inklusive eines 3D-Modells mit der entsprechenden Handbewegung dargestellt. Diese kann der Anwender imitieren und die Übereinstimmung direkt überprüfen lassen. In der Zukunft soll ein verbessertes Modell folgen, da aktuell keine Fingerkreuzungen und somit die Buchstaben wie z. B. "Z" nicht erkannt werden können. 
Außerdem wurde bereits eine AR-App namens ARSL (Augmented Reality Sign Language) entwickelt, sodass die Gebärdensprache für Menschen ohne derartige Kenntnisse verständlich wird. Mit Hilfe eines Smartphones können die Bewegungen der Gehörlosen erfasst und in Texte oder Sprachausgaben transferiert werden. Die App ist derzeit aber noch nicht vollständig ausgereift, da sich auch in der Gebärdensprache die Sprachstile unterscheiden.