VR/AR im Maschinenbau
Fragen & Antworten für die Klausur VR/AR MaschBau
Fragen & Antworten für die Klausur VR/AR MaschBau
Wofür wurde das Projekt 'SocialSTAGE-VR' konzipiert?
Für das gemeinschaftliche, ortsunabhängige Erleben von realen Bühnenveranstaltungen und Konzerten in einer VR-Multiuser-Umgebung.
Welches Ziel verfolgte das Projekt FOLLOWme (im Kontext VIBN)?
Die virtuelle Inbetriebnahme von fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF) inklusive der Steuerungssoftware und kollisionsfreien Hindernisvermeidung.
Was ist die 'Robo-Rally'?
- Die Robo-Rally ist eine Forschungsstudie in Form einer kollaborativen "Schnitzeljagd"
- Ein "gemischt präsentes" Zweier-Team löst kooperativ Aufgaben
- Ziel: Untersuchung sozialer Wahrnehmung, Teaming, Präsenzerleben und Belastung während der Zusammenarbeit mit dem Telepräsenzsystem
Was versteht man unter dem Zukunfts-Konzept 'Telepräsenz-Cobot'?
Ein Telepräsenz-Cobot ist ein hybrider Roboter, der flexibel entweder autonom als kollaborativer Roboter oder ferngesteuert als Telepräsenzsystem genutzt wird. Bei Störfällen oder komplexen Aufgaben kann sich ein Techniker remote einwählen und die Personen vor Ort durch den Roboter aktiv bei der Arbeit unterstützen.
Wie hoch ist der Anteil der Unternehmen, die XR bereits nutzen, und was ist das häufigste Einsatzgebiet?
Etwa 20% nutzen XR, vorwiegend für Konstruktion/Planung sowie Schulung/Weiterbildung.
Wie unterscheiden sich die Prognosen zum XR-Marktwert von der Realität?
Die Prognosen (besonders ab 2020) liegen deutlich über dem tatsächlich erreichten Marktwert.
Was sind vier wesentlichen Hürden für den langfristigen Einsatz von XR in Unternehmen?
- Zu hohe Kosten
- Aufwendige Prozessintegration
- Technologische Hindernisse (fehlende Standards/Kompatibilität)
- Fehlende Datenverfügbarkeit.
Warum enden XR-Projekte in der Industrie häufig nach der Pilotphase (z.B. Festo)?
- Hohe Hardwarekosten
- Störanfälligkeit in der Praxis
- mangelnde Wirtschaftlichkeit bei geringer Nutzung
- mangelnde Akzeptanz im Unternehmen
- Bedarf an Experten
Welche Diskrepanz besteht beim visuellen Realismus zwischen Versprechen und XR-Realität?
Das Versprechen eines perfekten Abbilds scheitert oft an extrem hohen Entwicklungszeiten und Kosten (z.B. Half-Life Alyx kostete Millionen).
Welchen generellen Nutzen verspricht KI in der XR-Entwicklung?
- beschleunigt die Erstellung virtueller Welten
- steigert die Effizienz
- ermöglicht adaptive, personalisierte XR-Erlebnisse
Wie können Skyboxen für XR-Umgebungen mithilfe von KI generiert werden?
Durch Text-to-Image-Generatoren (z.B. Skybox AI), die aus einem Prompt in wenigen Minuten 360°-Hintergrundbilder erstellen.
Was ist der größte Nachteil von KI-generierten 3D-Modellen (z.B. per Tripo3D)?
Sie bestehen meist aus einem einzigen, verschmolzenen Mesh, was die spätere Editierung und Animation stark erschwert.
Was ist ein wesentliches Risiko bei der Erstellung von XR-Inhalten durch generative KI?
KI erzeugt oft Inkonsistenzen in Stil, Maßstab oder Detailgrad, was zum Bruch der Presence (Immersion) führen kann.
Warum sind KI-generierte 3D-Umgebungen oft nicht direkt für Echtzeit-XR geeignet?
Die Assets sind oft nicht für Echtzeit-Rendering optimiert (z.B. zu hohe Polygonzahlen, fehlende Kollisionsabfragen) und erfordern manuelles Cleaning.
Welche wirtschaftlichen, organisatorischen und technologischen Hürden verhindern oft den langfristigen XR-Einsatz?
- Wirtschaftlich: Hohe Kosten für Hardware/Entwicklung.
- Organisatorisch: Fehlende Kompetenzen, aufwändige Prozessintegration & Ablehnung (z. B. Motion Sickness).
- Technologisch: Fehlende Hard-/Softwarekompatibilität & Schnittstellen (z. B. CAD zu VR).
Welche konkreten Potenziale bietet die zukünftige Verbindung von KI und XR?
- Beschleunigtes 3D-Prototyping durch Generative KI
- KI-Avatare für Kommunikation in natürlicher Sprache
- intelligente Echtzeit-Datenanalyse (z. B. Lernfortschritt)
- AR-Brillen mit Echtzeit-Anweisungen/Diagnosen
- No-Code-XR Entwicklung per Sprache
Welche Herausforderungen bestehen bei KI-gestützten XR-Anwendungen hinsichtlich Datenschutz und Sicherheit?
Die sichere Verarbeitung hochsensibler Nutzerdaten (Blickverhalten, Bewegungsprofile) sowie fehlende rechtliche Standards (Urheberrecht, Haftung bei KI-Fehlentscheidungen, manipulative Inhalte).
Welche aktuellen Entwicklungen prägen die zukünftige XR-Hardwarelandschaft und wo gibt es Probleme?
- Die Entwicklung neuer, standardisierter Betriebssysteme und Plattform-Kooperationen wie z. B. Android XR, um Hardware-Ökosysteme kompatibler und massentauglicher zu machen.
- Probleme gibt es bei hohen Anschaffungskosten, hohem Gewicht und geringen Akkulaufzeiten aufgrund explodierender Hardwareanforderungen.
Was ist ein terrestrischer Laserscanner?
Arbeitsprinzip: Positionierung im Raum, anschalten, starten, wegschauen
360° Drehung und Aufnahme -> gescannt wird das alles im Sichtbarkeitsbereich
Nenne 3 Arten von Laserscannern!
- Terrestrisch
- Handgeführt
- Stationär
Nenne die Komponenten des Virtuality Kontinuums nach Milgram und Kishino (1994).
- Real Environment
- Augmented Reality (AR)
- Augmented Virtuality (AV)
- Virtual Environment
- (sowie Mixed Reality als Überbegriff für AR und AV & Extended Reality als Überbegriff für alles außer der realen Welt).
Nenne die Definition von Virtual Reality (VR).
Eine virtuelle, computergenerierte 3D-Welt mit den Merkmalen Interaktion, Echtzeit, Stereoskopie und Maßstabstreue.
Nenne die vereinfachte Definition von Augmented Reality (AR).
AR = Reale Umgebung + Virtuelle Information + (Echtzeit-)Interaktion + Tracking.
Wie unterscheiden sich Immersion und Presence voneinander?
- Immersion = technologische Perspektive (Ausmaß der Einbindung aller Sinne durch Displays/Technik)
- Presence = psychologische Perspektive (subjektives Gefühl, in der virtuellen Welt anwesend zu sein).
Nenne die drei Hauptgruppen von Einflussfaktoren auf Presence nach Weiss et al. (2006).
- Benutzereigenschaften
- Eigenschaften des VR-Systems
- Szenarioeigenschaften.
Nenne zwei historische Meilensteine der XR-Entwicklung aus den 1950er und 1960er Jahren.
- 1956: Sensorama -> Urvater der Immersion
- 1968: 'The Sword of Damocles' erstes HMD
Nenne die Definition von Diminished Reality.
Das gezielte Entfernen oder Ausblenden von realen Objekten aus der wahrgenommenen Realität.
Nenne die Definition von Mediated Reality.
Die allgemeine Veränderung der Wahrnehmung der Realität (Hinzufügen, Entfernen oder Ersetzen von Objekten).
Nenne vier Gründe, warum Maßstabstreue in VR und AR wichtig ist.
1. Realistische Kombination von virtuellen Objekten und realer Welt (AR)
2. Übertragbarkeit gelernter Inhalte in die Realität
3. Realistischer Eindruck bei Design Reviews
4. Erhöhung der Glaubwürdigkeit/Immersion
Worauf beruht das physiologische Prinzip des stereoskopischen Sehens beim Menschen?
Beide Augen sehen ein Objekt aus zwei leicht unterschiedlichen Blickwinkeln; das Gehirn fügt diese zwei 2D-Bilder zu einem 3D-Bildeindruck zusammen.
Wie funktioniert die Bildtrennung bei aktiven stereoskopischen Verfahren (Shutter-Brillen)?
Abwechselnde Darstellung der 2D-Bilder für linkes/rechtes Auge bei synchronem Abdunkeln des jeweils anderen Auges über LCD-Shuttergläser.
Nenne die drei passiven Verfahren zur stereoskopischen Kanaltrennung.
1. Lineare Polarisation
2. Zirkulare Polarisation
3. Wellenlängenmultiplex / Interferenzfilter (z. B. Infitec)
Nenne zwei Autostereodisplays-Technologien, die eine 3D-Darstellung ohne Brille ermöglichen.
Lentikularlinsen (Prismenraster) und Parallaxenbarrieren (Lochmasken).
Nenne die vier Hauptbestandteile einer 3D-Szene.
3D-Geometrie, Material, Beleuchtung und Kamera.
Was versteht man unter Rendering?
Als Rendering bezeichnet man die computergestützte Berechnung und Umwandlung eines abstrakten digitalen 3D-Modells in ein sichtbares 2D-Bild oder Video.
Nenne drei Verfahren zur Erstellung oder Beschaffung von 3D-Geometrien.
1. Nutzung von Bestandsdaten (z. B. CAD)
2. Neumodellierung
3. Scanning
Was ist ein Szenegraph?
Ein Szenengraph in der VR ist eine hierarchische Baumstruktur, die alle virtuellen Objekte, Transformationen und Lichter einer 3D-Umgebung logisch sowie räumlich anordnet.
Nenne die Hauptschritte der Renderpipeline auf der Grafikkarte.
Anwendung (Application Phase), Geometrieberechnung, Rasterung
Was passiert beim sogenannten Clipping innerhalb der Renderpipeline?
Das Abschneiden oder Entfernen aller Primitive, die sich nicht im sichtbaren Bereich (Einheitswürfel bzw. View Frustum) befinden.
Was ist die Hauptaufgabe der Rasterisierung (Phase 3 der Renderpipeline)?
1. Die Umwandlung von Vektorgrafiken in ein Rasterbild (Pixel)
2. Zuweisung der Pixelfarben
3. Berechnung der Sichtbarkeit
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Lernkarten
Nenne die Komponenten des Virtuality Kontinuums nach Milgram und Kishino (1994).
- Real Environment
- Augmented Reality (AR)
- Augmented Virtuality (AV)
- Virtual Environment
- (sowie Mixed Reality als Überbegriff für AR und AV & Extended Reality als Überbegriff für alles außer der realen Welt).
Nenne die Definition von Virtual Reality (VR).
Eine virtuelle, computergenerierte 3D-Welt mit den Merkmalen Interaktion, Echtzeit, Stereoskopie und Maßstabstreue.
Nenne die vereinfachte Definition von Augmented Reality (AR).
AR = Reale Umgebung + Virtuelle Information + (Echtzeit-)Interaktion + Tracking.
Wie unterscheiden sich Immersion und Presence voneinander?
- Immersion = technologische Perspektive (Ausmaß der Einbindung aller Sinne durch Displays/Technik)
- Presence = psychologische Perspektive (subjektives Gefühl, in der virtuellen Welt anwesend zu sein).
Nenne die drei Hauptgruppen von Einflussfaktoren auf Presence nach Weiss et al. (2006).
- Benutzereigenschaften
- Eigenschaften des VR-Systems
- Szenarioeigenschaften.
Nenne zwei historische Meilensteine der XR-Entwicklung aus den 1950er und 1960er Jahren.
- 1956: Sensorama -> Urvater der Immersion
- 1968: 'The Sword of Damocles' erstes HMD
Nenne die Definition von Diminished Reality.
Das gezielte Entfernen oder Ausblenden von realen Objekten aus der wahrgenommenen Realität.
Nenne die Definition von Mediated Reality.
Die allgemeine Veränderung der Wahrnehmung der Realität (Hinzufügen, Entfernen oder Ersetzen von Objekten).
Nenne vier Gründe, warum Maßstabstreue in VR und AR wichtig ist.
1. Realistische Kombination von virtuellen Objekten und realer Welt (AR)
2. Übertragbarkeit gelernter Inhalte in die Realität
3. Realistischer Eindruck bei Design Reviews
4. Erhöhung der Glaubwürdigkeit/Immersion
Worauf beruht das physiologische Prinzip des stereoskopischen Sehens beim Menschen?
Beide Augen sehen ein Objekt aus zwei leicht unterschiedlichen Blickwinkeln; das Gehirn fügt diese zwei 2D-Bilder zu einem 3D-Bildeindruck zusammen.
Wie funktioniert die Bildtrennung bei aktiven stereoskopischen Verfahren (Shutter-Brillen)?
Abwechselnde Darstellung der 2D-Bilder für linkes/rechtes Auge bei synchronem Abdunkeln des jeweils anderen Auges über LCD-Shuttergläser.
Nenne die drei passiven Verfahren zur stereoskopischen Kanaltrennung.
1. Lineare Polarisation
2. Zirkulare Polarisation
3. Wellenlängenmultiplex / Interferenzfilter (z. B. Infitec)
Nenne zwei Autostereodisplays-Technologien, die eine 3D-Darstellung ohne Brille ermöglichen.
Lentikularlinsen (Prismenraster) und Parallaxenbarrieren (Lochmasken).
Nenne die vier Hauptbestandteile einer 3D-Szene.
3D-Geometrie, Material, Beleuchtung und Kamera.
Was versteht man unter Rendering?
Als Rendering bezeichnet man die computergestützte Berechnung und Umwandlung eines abstrakten digitalen 3D-Modells in ein sichtbares 2D-Bild oder Video.
Nenne drei Verfahren zur Erstellung oder Beschaffung von 3D-Geometrien.
1. Nutzung von Bestandsdaten (z. B. CAD)
2. Neumodellierung
3. Scanning
Was ist ein Szenegraph?
Ein Szenengraph in der VR ist eine hierarchische Baumstruktur, die alle virtuellen Objekte, Transformationen und Lichter einer 3D-Umgebung logisch sowie räumlich anordnet.
Nenne die Hauptschritte der Renderpipeline auf der Grafikkarte.
Anwendung (Application Phase), Geometrieberechnung, Rasterung
Was passiert beim sogenannten Clipping innerhalb der Renderpipeline?
Das Abschneiden oder Entfernen aller Primitive, die sich nicht im sichtbaren Bereich (Einheitswürfel bzw. View Frustum) befinden.
Was ist die Hauptaufgabe der Rasterisierung (Phase 3 der Renderpipeline)?
1. Die Umwandlung von Vektorgrafiken in ein Rasterbild (Pixel)
2. Zuweisung der Pixelfarben
3. Berechnung der Sichtbarkeit
Nenne vier verschiedene Datenmodelle zur Repräsentation von 3D-Geometrien.
Punktmodell, Kanten-/Linienmodell, Flächenmodell, Volumenmodell (Zusatz: Voxelmodell)
Welches Datenmodell wird in der Virtual Reality aus Leistungsgründen fast ausschließlich verwendet?
Flächenmodelle (vornehmlich bestehend aus Polygonen bzw. Dreiecken).
Nenne drei Eigenschaften von Dreiecken, die sie zur bevorzugten geometrischen Form beim Rendering machen.
Sie sind immer konvex, besitzen eine eindeutige Ebene und sind leicht zu berechnen.
Nenne die drei Hauptklassifizierungen von Scanning-Verfahren zur Erfassung von Realgeometrien.
- Kontaktbasiert (Messmaschinen)
- Kontaktlos aktiv (Laserscan, Structured Light)
- Kontaktlos passiv (Photogrammmetrie).
Welche zwei Verfahren zur Distanzmessung werden bei Laserscannern häufig eingesetzt?
Impulslaufzeitverfahren (Time of Flight / TOF) und Phasendifferenzverfahren.
Wie funktioniert das Prinzip des Structured Light (Streifenprojektion)?
Projektion eines bekannten, oft veränderlichen Musters (z. B. Lichtstreifen) auf das Objekt und Ermittlung der 3D-Information über Kameras mittels Triangulation.
Wozu wird ein Material-Setup in der 3D-Szene benötigt?
1. Oberflächen ein realitätsnahes Aussehen/Verhalten zu geben
2. Zusätzliche Informationen (z.B. Light Maps) zu hinterlegen
3. Detailgrad ressourcenschonend erhöhen
Was versteht man unter Shadern?
Softwaremodule, die Rendering-Effekte implementieren und im Regelfall zur Berechnung der Oberflächenoptik von Objekten genutzt werden.
Wie funktioniert die spiegelnde Reflexion beim idealen Reflektor?
Der Lichtstrahl wird in genau dem gleichen Winkel zurückgeworfen, in dem er auf die Oberfläche auftrifft. Die Farbe entspricht meist der Lichtquelle.
Wie funktioniert die diffuse Reflexion beim idealen Reflektor?
Das einfallende Licht wird gleichmäßig in alle Richtungen reflektiert (matte Oberfläche). Die Farbe entspricht meist der reflektierenden Oberfläche.
Was ist der Unterschied zwischen Flat, Gouraud und Phong Shading?
- Flat: Einheitsfarbe pro Dreieck (Kanten bleiben sichtbar und eckig)
- Gouraud: Mischt die Farben der Eckpunkte weich ineinander (glattere Übergänge)
- Phong: Berechnet das Licht für jeden einzelnen Pixel (weichste Kanten und schöne Glanzpunkte)
Was ist der Unterschied zwischen lokaler und globaler Beleuchtung?
- Lokal berechnet Licht nur zwischen Quelle und Oberfläche.
- Global berücksichtigt auch den Lichtaustausch (Reflexionen/Schatten) zwischen allen Objekten der Szene.
Nenne vier Arten von direktem Licht in der 3D-Beleuchtung.
Sonnenlicht, Flächenlicht, Spotlicht, Punktlicht
Durch welche fünf Parameter wird eine virtuelle Kamera beschrieben?
Position im Raum, Orientierung (Up-Vector), Öffnungswinkel, Clipping-Ebenen und Projektionstyp.
Nenne den Hauptunterschied zwischen perspektivischer und paralleler Projektion.
- Perspektivisch: wie menschliches Auge (Dinge in der Ferne werden kleiner, realistischer Look)
- Parallel: Projektionsstrahlen verlaufen parallel, Längenverhältnisse bleiben invariant (oft im CAD genutzt).
Nenne die zwei klassischen Verfahren der globalen Beleuchtung und ihre jeweiligen Stärken.
- Raytracing: Verfolgt Lichtstrahlen, perfekt für Spiegelungen, Glas und harte Schatten.
- Radiosity: Berechnet diffusen Lichtaustausch, perfekt für weiche, indirekte Beleuchtung in Innenräumen.
Was bedeutet indirektes/ambientes Licht?
Beschreibt eine richtungslose Grundhelligkeit der Szene ohne jeglichen Schattenwurf.
Was sind die Stärken und Schwächen von Sonnenlicht (paralleles Licht) in der 3D-Szene?
- Stärke: Beleuchtet große Szenen gleichmäßig mit konstanter Intensität (ideal für Outdoor).
- Schwäche: Besitzt keine Ausdehnung, erzeugt daher in der Regel harte Schatten; unrealistisch für Innenräume.
Was sind die Stärken und Schwächen von Flächenlicht in der 3D-Szene?
- Stärke: Besitzt eine räumliche Ausdehnung und erzeugt dadurch sehr realistische, weiche Schatten.
- Schwäche: Sehr rechenintensiv in der Berechnung (oft zu teuer für Echtzeit).
Was sind die Stärken und Schwächen von Punktlicht in der 3D-Szene?
- Stärke: Ideal zur Simulation lokaler, ungerichteter Lichtquellen (z. B. Glühbirnen).
- Schwäche: Strahlt ungerichtet in alle Richtungen (verschwendet ggf. Rechenleistung), erzeugt harte Schatten.
