3 Grundlegende Technologien

Dieser Abschnitt erläutert die für AR notwendigen Technologien im Detail. Dazu wird zu Beginn eine Definition für AR erarbeitet. Anschließend folgt eine Beschreibung drei fundamentaler Bausteine von AR-Systemen: Tracking, Darstellung und Interaktion [3].

3.1 Augmented Reality

Es ist allgemein anerkannt, dass T. P. Caudell und D. W. Mizell den Begriff Augmented Reality mit ihrer Arbeit für ein Head-Mounted-Display begründeten [4]. Das Head-Mounted-Display wurde als Prototyp eines Assistenzsystems für Monteure im Flugzeugbau konzipiert.

Während der letzten Jahrzehnte haben sich weitere Ansätze etabliert und damit hat sich auch die Definition von AR stetig verändert. Daher wird für dieses Dokument eine Abgrenzung von herkömmlichen AR-Systemen zu pervasiven AR-Systemen vorgenommen. Herkömmliche AR-Systeme sind Prototypen für speziell zugeschnittene Szenarien und auch nur in diesem Kontext verwendbar, während pervasive AR-Systeme ein breites Einsatzgebiet abdecken und je nach Kontext die Sichtweise und den virtuellen Inhalt für den Benutzer anpassen [1]. Für diese Abgrenzung wird folgende Definition herangezogen:

• Pervasive AR: Pervasive Augmented Reality ist eine kontinuierliche und allgegenwärtige Benutzerschnittstelle, welche eine dreidimensionale physikalische Welt mit digitalen Informationen erweitert, während der Kontext des Benutzers beobachtet wird und der virtuelle Inhalt vom Kontext abhängig angepasst wird [1].

3.2 Tracking

Um virtuelle Inhalte in einer dreidimensionalen realen Umgebung an den passenden Positionen darstellen zu können, nutzen AR-Systeme unterschiedliche Tracking-Methoden. Die einfachste Form des Trackings nutzt auf realen Objekten angebrachte Marker, z.B. in Form von QR-Codes. Ein großer Nachteil ist jedoch, dass der virtuelle Inhalt vordefiniert auf die Marker angepasst werden muss. Darüber hinaus ist die Anbringung von Markern auf realen Objekten nicht immer möglich.

Bei der Verwendung eines mobilen Gerätes (bspw. hand-held oder head-worn) schafft hier das 3D Tracking Abhilfe. Hierbei ist das Tracking für die Verfolgung der Trajektorie des Gerätes und zur Bestimmung der Pose des Gerätes zuständig. Wenn gleich aussehende Objekte unterschieden werden müssen, ist die Trajektorie und die Pose des Gerätes von großer Bedeutung. Am Beispiel einer Maschine lässt sich dies mit mehrfach vorkommenden Komponenten verdeutlichen. Wenn eine AR-Anwendung einen Mitarbeiter bei der Wartung dieser Komponenten unterstützt, so ist es von immenser Bedeutung, dass keine Komponenten verwechselt werden.

Insbesondere bei der Verwendung von mobilen Geräten, haben sich das Tracking mit GPS [5] und das kamerabasierte Tracking etabliert [6, 7].

3.3 Darstellung

Die Darstellung ist ein weiteres Kernelement in AR-Systemen. Die richtige Kalibrierung der Position und die richtige Ausrichtung von virtuellen Inhalten bestimmt die Zufriedenheit des Endanwenders.

Virtuelle Inhalte können wie im Abschnitt 2.2 beschrieben dargestellt werden. Im letzten Jahrzehnt wurden überwiegend Head-mounted-Displays verwendet [3]. Jedoch sind hand-held- und head-worn-basierte Ansätze oftmals unkomfortabel. Ein weiterer Nachteil bei head-worn-basierten Ansätzen liegt in den geringen Akkulaufzeiten der aktuell verfügbaren Geräte.

Ansätze über Projektionen oder Hologramme sind sehr benutzerfreundlich, jedoch nur schwer in dynamischen Umgebungen umzusetzen und mit hohen Kosten verbunden.

3.4 Interaktion

Der virtuelle Inhalt passt sich dem Kontext des Benutzers an, es findet also eine Interaktion mit dem System statt. Ob das System diese Anpassung automatisch vornimmt oder der Benutzer eine Eingabe tätigen muss ist hier nicht relevant. Bereits eine Bewegung eines Benutzers oder das Verändern der Umgebung kann zu einem neuen Kontext führen, diesen Kontext muss das AR-System beobachten und entsprechend reagieren. Ein Beispiel einer Interaktion kann ein von einem Projektor angezeigter virtueller Schalter sein, der sich betätigen lässt wenn der Benutzer seine Hand über den Schalter hält.

Das kontinuierliche Beobachten und das Reagieren auf den Kontext des Benutzers wird als Ubiquitous Computing bezeichnet, während die Interaktion aus obigen Beispiel die Bezeichnung tangible bits trägt [3].

Ein weiterer Schlüssel für eine benutzerfreundliche Interaktion und somit auch für die Akzeptanz von AR-Systemen, stellt das Verständnis für soziale, psychologische, kulturelle und organisatorische zwischenmenschliche Interaktionen dar [3]. So könnte bspw. eine AR-Anwendung entwickelt werden, mit der es möglich ist aus sprachlichen Informationen emotionale Informationen zu gewinnen und diese in einer für den Menschen verständlichen Form darzustellen [3].

Auch in der Interaktion führen hand-held-basierte Ansätze zu Herausforderungen in Bezug auf die Benutzerfreundlichkeit. Die Darstellung von virtuellen dreidimensionalen Objekten auf einer zweidimensionalen Schnittstelle (bspw. Tablet) kann in einigen Fällen die Benutzer verwirren.