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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Cartes-fiches
Welche drei Dateiformate sind besonders relevant für den Austausch von Modellen im Bereich DCC/XR?
- GLTF (Standard für Web)
- FBX (Industriestandard zwischen DCC/Engines)
- OBJ (einfaches Format für 3D-Meshes)
Was passiert häufig beim Export von CAD-Daten über systemneutrale Austauschformate?
Es kommt zu Informationsverlusten & Export-/Konvertierungsfehlern (z. B. fehlerhafte Geometrie, veränderte Hierarchien oder Verlust von Metadaten).
Wozu dienen spezielle Konverter-Programme beim Import von CAD-Daten in VR-Engines?
- Um inkompatible Datenformate zu übersetzen
- Topologie zu optimieren (z.B. Polygonreduktion)
- Informationsverlust so gering wie möglich halten (z.B. Pixyz).
Warum ist die Vorüberlegung 'Was soll wie für wen zu welchem Zweck dargestellt werden?' so wichtig?
Sie bestimmt den gesamten Workflow: Welche Ausgangsdaten genutzt werden, wie stark optimiert werden muss und ob die Darstellung eher funktional oder repräsentativ ist.
Wie müssen 3D-Daten vorliegen, damit sie flüssig laufen?
- Müssen in einem für die VR-Engine lesbaren Dateiformat vorliegen (OBJ, GLTF, FBX)
- Müssen echtzeitfähig sein (geringe Dateigröße & Modellkomplexität)
Wie kommen Daten aus CAD/DCC in die XR-Software?
Über Austauchformate zur Modellreduzierung & Modelloptimierung -> CAD/DCC Daten oft nicht echtzeitfähig und inkompatibel
- CAD: Bereinigung & Feature-Entfernung
- DCC: Polygonreduktion & UV-Mapping
Was ist das grundlegende Ziel visueller Ausgabegeräte in XR?
Dem Nutzer ein Eintauchen in eine Virtuelle Welt (VR) oder das Wahrnehmen einer augmentierten Welt (AR) zu ermöglichen.
Was beschreibt das 'Gesichtsfeld' (visual field)?
Den Bereich, den der Mensch erkennt, ohne Kopf oder Augen zu bewegen (vertikal ca. 130°, horizontal ca. 180°-200°).
Was beschreibt das 'Sichtfeld' (Field of View / FOV) bei VR-Brillen?
Den technischen Blickwinkel, der durch das Gerät dargestellt werden kann. Es hat großen Einfluss auf den Grad der Immersion.
Nenne wichtige Unterscheidungskriterien für Ausgabegeräte!
- Gesichts- & Sichtfeld
- Homogenität
- (Bild-)Wiederholrate
- Latenz
- Auflösung
- Leuchtdichte, Kontrast und Farbwiedergabe
- Usability und UX
- Trackingart
- ...
Was bedeutet 'Latenz' bei VR-Ausgabegeräten?
Die Verzögerung zwischen der Eingabe/Bewegung und der aktualisierten Bildausgabe auf dem Display.
Nach welchen drei Immersionsgraden lassen sich VR-Systeme klassifizieren?
- Pseudo VR (keine echte Interaktion/Echtzeit) -> einfache Architekturbegehung
- Desktop VR (Monitor/Shutterbrille) -> klassisches privates Gaming-Setup
- Immersive VR (HMDs/CAVE mit voller Bewegung/Interaktion) -> maximale Immersion
Welche Arten von Ausagbegeräten gibt es?
- für VR: HMD, Mehrpersonensysteme, 3D-Monitore, holoraphische Displays
- für AR: HMD, projektive Systeme, Tablets/Handys, 2D-Monitore
Welche Arten von HMDs gibt es?
- Vollimmersive Systeme (VR-Brille)
- See-Through-Systeme (AR-Brillen)
- Retinal Scanning Display
Wie unterscheiden sich 'Video-See-Through' und 'Optical-See-Through' bei AR-Brillen?
- Video: Die Umgebung wird per Kamera aufgenommen und auf einem Display mit virtuellen Objekten überlagert.
- Optical: Der Nutzer schaut direkt durch halbtransparente Gläser (z.B. Spiegel/Prismen) in die reale Welt, virtuelle Objekte werden eingespiegelt.
Nenne zwei Mehrpersonensysteme für die VR-Ausgabe.
- Powerwall (einseitig, Großbildprojektion)
- CAVE (mehrseitig, begehbarer Würfel aus Projektionsflächen)
Was versteht man unter 'Edge-Blending' bei einer Powerwall/CAVE?
Die technische Anpassung der Lichtintensität in den Überlappungsbereichen, wenn mehrere Projektoren eingesetzt werden, um ein nahtloses Gesamtbild zu erzeugen.
Nenne entscheidende Nachteile einer CAVE.
- Sehr teuer
- sehr hoher Platzbedarf
- meist wird nur die Perspektive eines einzigen Betrachters korrekt getrackt und dargestellt
Was ist die L-Bench im Bereich der Mehrpersonensysteme?
Ein L-förmiger 3D-Projektionstisch (Werkbank) mit zwei senkrecht zueinander stehenden Projektionsflächen.
Welchen grundlegenden Kreislauf musst du beim Zeichnen eines VR-Systems immer abbilden?
1. Eingabe (Sensoren/Tracking erfassen Nutzer).
2. Verarbeitung (Rechner/Cluster berechnen Bild).
3. Ausgabe (Projektoren werfen Bild auf Flächen).
Nenne die Bestandteile und deren Anzahl für ein Powerwall-VR-System.
- 1 Projektionswand
- 2 Stereoprojektoren
- mind. 2 Tracking-Kameras
- 1 Tracking-PC
- 1 Steuer-PC
- 1 Grafik-Cluster
- 1 Interaktionsgerät inkl. Empfänger
- 3D-Brillen
Nenne die Bestandteile und deren Anzahl der 5-Seiten-CAVE (passiv) an der TU Chemnitz.
- 5 Projektionsflächen
- 20 Projektoren
- 1 Grafik-Cluster (aus 10 Rechnern)
- 1 Tracking-PC
- 1 Steuer-PC
- 6 Infrarot-Tracking-Kameras
- Interaktionsgerät (Flystick)
- 3D Brille
Nenne die wesentlichen Bestandteile und deren Anzahl für eine L-Bench.
- 2 Projektionsflächen (L-förmig, 90 Grad)
- 2 Projektoren
- 1 Umlenkspiegel
- 1 Holzrahmen
- 1 Tracking-System (z. B. magnetisch)
- 3D-Brille und Interaktionsgerät
Welche akustischen Ausgabegeräte gibt es?
- Stereolautsprecher
- Mehrkanalsysteme
- Binauraler Sound
- Wellenfeldsynthese
- Schallprojektor
Warum ist 'binauraler Sound' für die Immersion in VR so wichtig?
Er bildet das natürliche, räumliche Hören nach, wodurch Schallquellen genau über, unter oder hinter dem Nutzer (über Kopfhörer) identifiziert werden können.
Welche 5 Besonderheiten gibt es bei der Erstellung von XR-Anwendungen?
- Fehlende Modellierfunktion (Rückgriff auf externe CAD/DCC Systeme)
- Komplexe Hardware-Ansteuerung (Vielzahl von Geräten: Brille, Tracking, Controller, Feedback)
- Räumliche Interaktionskonzepte (Teleportieren, virtuelles Greifen...)
- Nutzer-Repräsentation (Avatare für Presence/Immersion)
- Echtzeitanforderung (mind. 60-90 FPS)
Nenne die sechs Hauptschritte im XR-Workflow zur Erstellung einer Anwendung.
- Ziele definieren
- Hardware definieren
- Daten beschaffen
- Modelle aufbereiten
- Szene/Funktionalitäten erstellen
- Anbindung an Hardware
Was versteht man unter 'Assets' im Kontext von XR-Entwicklung?
Einzelne, vordefinierte Ressourcen wie 3D-Modelle, Texturen, Audiodateien oder Shader, die in der Szene verwendet werden.
Was ist ein 'Plugin' in einem XR-System?
Zusatzmodule, die in den Editor installiert werden, um das Programm um neue Funktionen zu erweitern.
Was ist ein 'Prefab' in einer Entwicklungsumgebung?
Ein vorgefertigtes, wiederverwendbares Objekt (z. B. ein Schalter oder ein ganzer Roboterarm) mit gespeicherten Eigenschaften.
Was unterscheidet eine Game Engine von einer reinen Graphic Engine?
Eine Game Engine beinhaltet neben der Grafikdarstellung weitere wesentliche Komponenten wie Physik, Ton, Netzwerk sowie Editoren mit grafischer Benutzeroberfläche.
Nenne zwei bekannte Beispiele für spezialisierte XR-Anwendungslösungen (nicht Game Engines).
- Autodesk VRED
- IC.IDO
- Virtalis Visionary Render
Nenne zwei der gängigsten Game Engines, die für die Erstellung von XR-Anwendungen genutzt werden.
- Unity Engine
- Unreal Engine.
Was ist eine 'Skybox' und wozu dient sie?
Eine Kugel- oder Würfelprojektion um die Szene herum, die als Hintergrund dient und für eine realistische Licht- und Farbwiedergabe sorgt, ohne mit der Kamera zu rotieren.
Welche 3 Datenarten werden bei der Erstellung von XR-Anwendungen nötig?
- A priori-Daten (Geometrien, Materialien, Beleuchtung, Skybox...)
- Laufzeit-Daten (Tracking & Interaktion)
- Programmcodes / Skripte ( Logik-Dateien, die Zusammenspiel der Daten steuern)
Wie ist ein Avatar im Kontext von XR definiert?
Eine virtuelle Figur, die den Nutzenden in einer virtuellen Welt repräsentiert. Dieser liefert visuelle Hinweise über die eigene Position und Körperhaltung und führt zur Steigerung von Presence und Selbstwahrnehmung. Es beeinflusst zudem die Fremdwahrnehmung.
Warum wird in VR-Anwendungen oft auf Ganzkörper-Avatare verzichtet (z. B. nur Hände oder Half-Body)?
Zugunsten der Performance (Rechenleistung einsparen) und zur Vermeidung des Uncanny-Valley-Effekts bzw. fehlerhafter Kinematik-Berechnungen.
Was sind Netzwerkanbindungen?
Erlauben es mehreren Nutzenden sich via Netzwerk (LAN, Internet) miteinander in einer Sitzung zu verbinden.
Welche Einsatzzwecke gibt es für Netzwerkanbindungen (Multiuser-XR)?
- Industrie: Design Reviews, Schulungen/Training, kollaborative Fabrikplanung
- Soziale Interaktion & kollaborative Meetings: Freizeit: VRChat; Arbeit: Meta Horizon Workrooms
- Telepräsenz & Teleoperation
Was unterscheidet Telepräsenz von Teleoperation?
- Telepräsenz: Gefühl, an einem Ort zu sein (z. B. Kamera-Roboter im Meeting).
- Teleoperation: Aktive Steuerung von Maschinen/Endeffektoren an einem fernen Ort (z. B. Operations-Roboter).
