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
-
- 1 / 203
-
Flashcards
Was sind die Stärken und Schwächen von Spotlicht in der 3D-Szene?
- Stärke: Erzeugt gezielte, gerichtete Beleuchtung (z. B. Scheinwerfer, Taschenlampe) und spart Leistung in dunklen Bereichen.
- Schwäche: Sehr lokaler Fokus, erzeugt oft unrealistisch harte Lichtkanten am Rand des Kegels.
Was ist eine Textur in der 3D-Computergrafik?
Ein 2D-Bild (z. B. ein Foto oder Muster), das auf die Oberfläche eines 3D-Modells gelegt wird, um Details und Materialien darzustellen, ohne zusätzliche Polygone berechnen zu müssen.
Wie bringt man Texturen auf ein 3D-Modell auf?
- Mittels sogenanntem "Mapping" (oft UV-Mapping).
- Die 2D-Textur wird dabei wie eine Tapete auf das 3D-Objekt projiziert.
Was beschreibt die Rendergleichung und was ist ihr größter Nachteil?
- Sie ist ein physikalisch exaktes Modell, das den gesamten Energie- und Lichtaustausch in einer Szene beschreibt.
- Nachteil: Sie ist extrem rechenaufwendig und im Allgemeinen nicht echtzeitfähig.
Was versteht man unter lokalen Beleuchtungsmodellen und welche drei bekannten Arten gibt es?
- Lokal: Das Licht wird nur direkt zwischen Lichtquelle und Oberfläche berechnet (ohne Reflexionen von anderen Objekten; gut für Echtzeit).
- Arten: Lambert (nur matt), Phong (matt + Glanzpunkte), Blinn-Phong (schnellere Variante von Phong).
Was versteht man unter globalen Beleuchtungsmodellen?
Sie berechnen den kompletten Lichtaustausch zwischen allen Objekten der Szene (ein Objekt beleuchtet/spiegelt ein anderes). Ziel ist kein Echtzeit-Rendering, sondern ein fotorealistisches Bild.
Was ist der Unterschied zwischen einem statischen und einem dynamischen Kameramodell?
- Statisch: Feste Kameraposition mit symmetrischem Sichtfeld (kann verzerren, wenn sich der Nutzer bewegt).
- Dynamisch (Headtracking): Kamera passt sich der Kopfbewegung an für eine korrekte, unverzerrte Perspektive.
Welche vier grundsätzlichen Interaktionsarten gibt es in der VR/AR?
Systemkontrolle, Navigieren, Selektieren und Manipulieren.
Welche fünf verschiedenen Arten der Szenenanimation können unterschieden werden?
Animation von Transformationen, Animation durch Physik, Animation der Form, Materialanimation und Partikeleffekte.
Nenne drei Beispiele für Navigationstechniken im virtuellen Raum.
Teleportation, Walking (z. B. auf der Stelle laufen) und 'World in a Miniature'.
Was versteht man unter der Navigationstechnik 'World in a Miniature'?
Eine verkleinerte Darstellung der virtuellen 3D-Szene zur besseren Übersicht und zur schnellen Fortbewegung.
Was bedeuten Selektion und Manipulation in der VR?
- Selektion: Ein Objekt auswählen.
- Manipulation: Die Eigenschaften eines Objekts (z. B. Position, Rotation, Skalierung) verändern.
Nenne drei Techniken zur Objektselektion in der VR.
Direkte Selektion (virtuelle Hand), entfernte Selektion (Ray-Casting/Auswahlstrahl) und diskrete Selektion (Sprache).
In welche drei Gruppen lassen sich Interaktionstechnologien nach dem Eingabeprinzip unterteilen?
Hardwarebasierte, gestenbasierte sowie sprach- und blickbasierte Eingabe.
Was ist das 'Midas Touch'-Problem bei der blickbasierten Eingabe (Eye-Tracking)?
Die Schwierigkeit des Systems zu unterscheiden, ob ein Nutzer ein Objekt nur ansieht (Informationsaufnahme) oder es aktiv auswählen möchte.
Was versteht man unter Tangible User Interfaces (Tangibles)?
Anfassbare Benutzerschnittstellen, bei denen reale physische Gegenstände als Platzhalter zur Steuerung virtueller Objekte dienen.
Welche Feedback Arten gibt es in XR?
Haptisch, taktil, auditiv, olfaktorisch (+ Tangibles)
Worin liegt der Unterschied zwischen haptischem und taktilem Feedback?
- Haptisch: Aktives Ertasten mit echter Kraftrückkopplung (Force Feedback).
- Taktil: Passives Spüren von Reizen (Vibration, Wärme, Wind).
Was bedeutet 6-DoF (Degrees of Freedom) im Kontext des Trackings?
Sechs Freiheitsgrade: Drei Koordinaten für die Position (X, Y, Z) und drei Winkel für die Orientierung/Rotation (Pitch, Yaw, Roll).
Was sind Stärken und Schwächen des elektromagnetischen Trackings?
- Stärke: Keine Verdeckungsprobleme (Sensoren müssen nicht sichtbar sein).
- Schwäche: Sehr anfällig für metallische Gegenstände in der Umgebung (Interferenzen).
Was bezeichnen die Begriffe Latenz und Drift beim Tracking?
- Latenz: Zeitliche Verzögerung zwischen Bewegung und Bildschirmausgabe.
- Drift: Aufaddierung von kleinen Messfehlern über die Zeit (Sensorposition verfälscht sich).
Welche physikalischen Tracking-Arten gibt es?
Optisch, akustisch, elektromagnetisch, inertial
Erkläre kurz die Trackingarten 'Outside-In', 'Inside-Out' und 'Inside-In'!
- Outside-In: Externe Kameras im Raum erfassen Sensoren am Körper des Nutzers.
- Inside-Out: Kameras am Körper/HMD erfassen die Umgebung.
- Inside-In: Sowohl Sensoren als auch "Empfänger" direkt am Körper (Beispiel mechanisches Exoskelett)
Was ist der Unterschied zwischen aktivem und passivem optischen Tracking?
- Aktiv: Das Objekt sendet selbst Licht aus (z. B. LEDs).
- Passiv: Das Objekt reflektiert nur Licht (Retroreflektoren).
Was ist der Unterschied zwischen markerbasiertem und markerlosem Tracking in der AR?
- Markerbasiert benötigt künstliche, ausgedruckte Referenzbilder in der realen Welt.
- Markerlos erkennt die Umgebung anhand natürlicher Merkmale (Kanten, Muster).
Wie funktioniert inertiales Tracking und was ist ein typischer Nachteil?
- Es misst die eigene Bewegung mithilfe von Beschleunigungssensoren und Gyroskopen (Massenträgheit).
- Nachteil: Ist sehr anfällig für den sogenannten Drift-Fehler.
Nenne einen großen Vorteil und einen Nachteil von akustischem Tracking.
- Vorteil: Preisgünstig und kabellos.
- Nachteil: Sehr störanfällig (z. B. durch Umgebungsgeräusche, Hindernisse oder Temperaturschwankungen).
Was versteht man unter 'Registrierung' in der AR?
Das exakte und perspektivisch korrekte Einpassen der virtuellen Objekte in die reale Umgebung (Kameraansicht).
Welche zwei Arten der Registrierung gibt es in der AR?
Geometrische Registrierung (räumlich korrekte Positionierung) und photometrische Registrierung (korrekte Simulation von Beleuchtung und Schatten).
Warum ist Tracking in Virtual und Augmented Reality (XR) notwendig?
Um reale Bewegungen in die VR zu übertragen und virtuelle Objekte (AR) für den Nutzer perspektivisch korrekt anzuzeigen.
Was ist der Hauptunterschied zwischen Tracking und Motion Capture?
- Tracking ist die generelle Erfassung von Koordinatenpunkten im Raum.
- Motion Capture ist eine spezielle Form des Trackings, die gezielt der detaillierten Bewegungserfassung dient.
Welche Relevanz haben Bewegungen in der VR? Nenne zwei Bereiche.
1. Visualisierung (z. B. für Animationen und Avatare)
2. Analyse von Arbeitsabläufen (z. B. Ergonomie oder MTM-Analysen).
Welche drei Hauptmethoden werden eingesetzt, um Bewegungen in VR darzustellen?
1. Bewegungsscripting von Computermodellen (mittels Kinematik).
2. Motion Capture (Übertragung echter, getrackter Bewegungen auf ein 3D-Modell).
3. Digitale Mensch-Modelle (Ergonomie-Simulation)
In welche zwei Arten lassen sich Daten in XR-Anwendungen nach ihrer Entstehungszeit unterscheiden?
- Laufzeit-Daten (Tracking, Interaktion)
- A priori-Daten (vorab erstellte Daten der 3D-Szene wie Geometrien, Materialien, Beleuchtung).
Woher können 3D-Daten kommen?
- Existierende reale Objekte -> Laserscanning/Photogrammetrie
- Nicht mehr existente Objekte -> virtuelle Rekonstruktion
- Geplante Objekte -> 3D-Modellierung (CAD, DCC)
Was ist der Unterschied zwischen repräsentativer und funktionaler Darstellung einer 3D-Szene?
- Repräsentativ: Fokus auf realitätsnahes Aussehen (z. B. für Marketing)
- Funktional: Fokus auf realitätsnahes Verhalten/Struktur (z. B. für Simulation oder Design Review).
Welche beiden Software-Gattungen werden primär zur Erstellung von 3D-Modellen genutzt?
- CAD (Computer Aided Design, Fokus auf Konstruktion/Funktion)
- DCC (Digital Content Creation, Fokus auf Modellierung/visuelle Qualität).
Was sind die Hauptunterschiede zwischen CAD- und DCC-Modellen?
- CAD: Primär Volumenmodelle mit fertigungsgerechter Hierarchie -> Fokus Präzision/Genauigkeit
- DCC: Primär Flächenmodelle (Polygone) mit funktionsgerechter Hierarchie -> Fokus visuelle Qualität
Nenne drei Gründe, warum 3D-Daten aus dem CAD für XR-Anwendungen oft optimiert (reduziert) werden müssen.
1. Sicherstellung der Echtzeitfähigkeit (weniger Polygone)
2. Geringere Dateigröße (Speicherplatz)
3. Schnellere Datenübertragung.
Wie kann eine Modellreduzierung im CAD-System für funktionale XR-Modelle erfolgen?
- Durch Löschen von Klein- und Normteilen (z. B. Schrauben)
- Entfernen von Features (Bohrungen, Fasen)
- Entfernen innenliegender Teile
