Richtlinien

• Statisch: Verschiedene detaillierte Geometrien von Objekten werden verwendet, je nach Abstand von virtueller Kamera
• Adaptiv: Verschiedenste Verfahren um plötzliche LOD-Wechsel von Objekten zu vermeiden 

Performance: enormer Zuwachs, da bei genügend Abstand nicht alle detaillierte Teilobjekte berechnet werden müssen sondern ggf einfachere

Autorenumgebung = Modellierungs- und/oder Programmierumgebung zur Erzeugung einer virtuellen Welt 

Laufzeitumgebung = Erlaubt die Interaktion des Nutzers mit der in der Autorenumgebung erzeugten virtuellen Welt  

• Low Level APIs
  • OpenGL / SG (Programmierschnittstelle zur Entw. v. 2D und 3D Grafik)
• VR-Toolkits
  • WorldToolKit (OO Bib. C basiert) echtzeitbasierte 3D-Anwendungen
  • VR Juggler (Opensource Plattform zur Entwicklung)
• kommerzielle Systeme
  • VDP-Plattform/ IC.IDO (Kommerzielle SW mit versch. Modulen für untersch. AW Zecke)
  • EON Reality

• Anwendungsfelder:
  • virtuelle Produktreviews (Gestensteuerung, Stereoskopie)
  • v. Produkterstellung (Echtzeit Kollisionsberechnung)
  • v. Kabelverlegung prüfen (Felxibilität von Materialen)
  • v. Kabel verlegen
  • v. Ergonimieuntersuchung (Menschmodell)
  • Reflektionen und Spiegelungen untersuchen (korrekte Umsetzung optischer Gesetze)
  • v. zusammenarbeiten (Verteilte Systeme)
  • v. Präsentationen vorbereiten (einfache Bedienung, mehrere Nutzer möglich)

• Schnelle + kostengünstige Erstellung visuell-interaktiver Applikationen mit hohem Wiedererkennungswert zum Wissens-Transfer im technischen Umfeld durch:
  • wiederholte Nutzung gleicher Konzepte, Strukturen, Bibliotheken
  • angepasste Definitionen und Implementierung v. Funktionen und UIs für spez. Anwendungen
  • --> Szenario Konzept -> schneller Erstellung v. Szenarien mittels Werkzeugen

•   Intention
  • Ziel
  • Aufgabe, Prozedur
  • Hilfe, Führung, Fehler
• Funktion
  • kausale Beziehungen
  • Kriterien, Systemantworten
  • Objekteigenschaften
  • Objekte
• Struktur
  • Animationen
  • Transformationshierarchie
  • Geometrie, Material

unten nach oben: steigender Abstraktionsgrad

• Funktionalitäten: Definition v. komplexen zusammenges. Animationen
  • hat Name, Animationsreferenzen, Dauer (ergibt sich aus Dauer der Animationsreferenz + deren Anordnung)
• Zeitkurven: Def. v. Pfaden, auf denen sich Objekte bewegen (mit Hilfe v. Stützpunkten in rel. Koordinaten)
  • Name, Folge v. Positions/Orientierungs KeyFrames
  • Zeitdauer
• Animationsrefernzen: Definieren Bewegungen von Objekten entlang eines durch Zeitkurve definierten Pfades
  • verbinden Objekt mit Zeitkurve --> Bewegungssequenz
  • in Funktionalitäten genutzt
  • hat: Objekt, Zeitkurve, Dauer, Offset

• entsprechen boolschen Ausdrücken und werden zur Modellierung logischer Zusammenhänge benötigt (z.B. Verwendung zur Definition von Auslösekriterien von Responses) 
• Typen: Vergleich, Kriterium-Referenz, Negierte Kriterium-Referenz, Abstand, Aktivierung

• Discovery Mode
  • Experimentieren
  • keine aktuelle Aufgabe/Prozedur
  • freie Manipulation/Visualisierung d. funktionierenden Systems
• Presentation Mode
  • zeigt, wie Profi die Aufgabe erledigt
  • aktuelle Aufgabe/Prozedur
  • keine Manipulation, freie Navigation in Präs.
• Guides Mode
  • StepbyStep --> betonung Prozedur
  • aktuelle Aufgabe/Prozedur
  • beschränkte Manipulaition, Bewertung des Schülers
• Free Mode
  • Betonung Selbstständigkeit + Verständnis
  • aktuelle Aufgabe, keine akt. Prozedur
  • freie Manip, Schüler darf fehler machen, Kausalitäten, Bewertung des Schülers

• Marketing: Produktvisualisierung auf Messen
• Zieldefinition, Konzept./Detallierter Entwurf: Design Reviews mittels virtueller Prototyp
• Prototypenbau: virt. Prototyp
• Test: Funktions- und Steuerungstests; NC Programmierung
• Prozessplanung: 3D Fabrik u. LayoutPlanung
• Produktion: Montagetraining
• Auslieferung: Vertriebsunterstützung+
• Benutzung: Training v. Bedienung u. Wartung

•   DicoWeb Druckmaschine
  • interaktives Training (Ein-Ausbau des Laserkopfes)
  • Abbildung komplexer Prozesse
• Wartungsanleitung für Airbus
  • traditionelle Doku mit 3D Modell
  • interaktive Wartungsanleitung
• Montageprozess Verbessert bei Deere & Co.
• Virtuelle Probefahrt / Probesitzen bei Lexus / Audi
• Baudokumentation bei RWE: Transparenz

•   Digitales Abbild v. Maschinen und Anlagen (Raumnutzung, Kollisionen mit Rohren, Ergonomie)
• Übersichtlichkeit
• Kooperation mit virtueller Produktentwicklung (Überprüfung d. Baubarkeit auf Anlagen)
• Nutzbar für Präsentationen und Schulungen

•   Prozessentwicklung:
  • Kopplung VR-Werkzeug an Ablaufsimulation
  • --> Bewertung der Planung
  • --> Bewertung künftiger Aufträge
• Kopplung mit ERP (reale Daten, 
• Kopplung mit Business Intelligence (Data Mining)
• Kopplung mit Wissensmanagement

• komplexe Produkte und Vorgänge effektiver und schneller zu gestalten und zu verstehen
• gefahrloses Testen, Erlernen und Üben komplexer realer Prozesse und Vorgänge in einer virtuellen Welt. 

• optische Tracker: kontaktfreies Messsystem + Sensoren zur Bestimmung der Position
  • Triangulation
  • direkte Sichtlinie
  • Updaterate hoch, Latenz niedrig
  • große Arbeitsumgebung

• mechanische Tracker: kinematische Struktur mit sensor-Gelenken
  • kein Zittern
  • einfache Nutzung
  • keine Ablenkung: Magnetfeld, Metall

• kontaktfreies Positionsmessgerät mit Magnetfeld
• stationärer Transmitter bestimmt die Position des beweglichen Receivers

• SIcherstellung auf Applikationsebene: gleichzeitiger Start der Berechung v. Frames
• Nachteil: Unterschiedliche Workloads --> Unterschiedliche Dauer +  Ausgabe der Frameberechnung

• Frame Buffer Swap wird erst erlaubt, wenn alle Pipelines den Frame fertig gestellt haben
• Vorteil: genauere Synchro
• Nachteil: Darstellung der Bufferinhalte kann noch divergieren -> Bufferswap Zeitpunkt hängt v. Display HW ab

• Monitore/Ausgabegeräte so synchronisiert, dass horizontaler + vertikaler Zeilenrücklauf zum gleichen Zeitpunkt stattfinden
• Realisiert durch Gen-Lock --> externes Signal zur Synchronisation
• Gen-Lock verhindert auch Phasenverschiebung (Filmen von Monitoren)

• akustisch, haptisch visuell statt nur visuell
• echtzeit statt zeitunkritisch
• echtzeitinteraktion statt vorberechnet
• viel interaktion: maus, tastatur, hand, gesten, sprache

• Immersion (Eintauchen in VR)
• Interaktion (Handeln können)
• Imagination (Vorstellung, dass abgebildete Objekte existieren)

• Überlagerung („Augmentierung“) einer Sicht auf die reale Welt mit virtuellen Objekten 
• Augm. Virtuality: reale Objekte in Virtuelle Umgebung
• Mixed Virt

• Lichtquellen
• Geometrien (Farbe, Textur, Verhalten, Physikal. Einschränkungen)
• Grafische Effekte
• Skyboxen
• Audiodateien 

• Beschreibungsform für komplexe geometrische Szenen 
• allgemeine Datenstruktur -> Baum mit hierarchisch zusammenfügten Knoten
• Knoten beschreiben atomare Einheiten des Dokuments

• ist Schlüsselkomponente eines VR Systems 
• fragt Eingabegeräte ab
• verbindet abhäng. Datenbanken
• führt Echtzeit Berechnungen durch
• gibt Daten an Ausgabegeräte

•   benötigt Art Multiplexing (Gehirn legt Bilder beider Augen zusammen --> getrennte Bilder zeigen)
  • aktives Stereo (preiswert Projezieren, schwere Brille)
    • abwechselnd links/rechts projizieren
    • synchron dazu linkes/rechtes Auge durchlassen
  • passives Stereo (leichtere Brille, teures Projezieren)
    • zwei Projektoren gleichzeitig auf gleiche Fläche
    • Polarisationsbrille lässt richtiges Bild pro Auge durch

• Head Mounted D (1 Generator für jedes Auge)
• Hand Supported D
• Autostereoskopisch (Parallaxen Barriere für getrennte Pixel-Reihen pro Auge)
• Large Volume Display

• aktiv Stereo:
  • 1 Projektor
  • schwere synchrone Shuttle Brille
  • keine spez. Projektionsfläche
• passiv Stereo:
  • 2 Projektoren
  • leicht zu synchronisieren
  • leichte Brille

• Parallaxen Barriere für getrennte Pixel-Reihen pro Auge)  
• Bildschirm aus bestimmter Perspektive anders sichtbar -> Auge so in unterschiedlicher Position, dass der Effekt eintritt

• Perspektive
• Verdeckung
• Bewegungsparallaxe (Vordergrund bewegt sich schneller als Hintergrund)
• Schatten
• Maßstab

• (x,y,z) Translation
• (yap, pitch, roll) Rotation 

• HW zur Messung der real- time Veränderung von Position und Orientierung eines 3D- Objektes
• Messung der Bewegung
  • von: Hand, Konturen, Kopf
  • Ziel: Sichtsteuerung, Bewegung in Szene, Manipulation von Objekten
• optische, mechanische, magnetische Tracker

• Gerät, das interaktiven Wechsel der Sicht auf die virtuelle Szene + Erkundung durch Selektion und Manipulation eines virtuellen Objektes ermöglicht
• auf Basis absoluter + relativer (durch Positionsänderung, Geschwindigkeit) koordinaten
• zB Trackballs
• 3D Kontaktgeber
• Maus+Tastatur

• liefert real-time Informationen über
  • Oberflächennachgiebigkeit eines virtuellen Objekts
  • das Objektgewicht
  • Trägheit
• kombinierte Ein- und Ausgabegeräte

• Schlüsselkomponente jedes VR Systems
• fragt Eingabegeräte ab
• greift auf aufgabenabhängige Datenbanken zu
• führt notwendige Berechnungen für Statusaktualisierung der virtuellen Welt in Echtzeit durch
• gibt Resultate an Ausgabegeräte

  Rendering: 

• Prozess der Konvertierung der geometrischen 3D-Modelle einer virtuellen Welt in eine 2D-Szene, die dem Nutzer präsentiert wird
• Kann Ansteuerung anderer sensorischer Kanäle (z.B. Haptic) einschließen 

Rendering Pipeline:

• in CPU-Architekturen seit langem genutzt

• Teilung des Renderingprozesses in mehrere Phasen

• Bearbeitung auf verschiedenen Hardwareressourcen, ggf. weitere Parallelisierung innerhalb der Phasen 

• Anwendungsphase
  • in SW Implementiert durch CPU ausgeführt
  • Lesen Geometriedatenbasis
  • Abfrage Nutzereingaben
  • ggf. Sichtänderung + Objektausrichtung
• Geometriephase
  • kann auch in HW implementiert sein
  • Modelltransformation (Translation, Rotation, Skalierung)
  • Berechnung Beleuchtung
  • Szenenprojektion
  • Clipping
  • Screen Mapping
• Rasterungsphase
  • in HW
  • Konvertiert Vertex-Informationen (Eckpunkt eines Grafikprimitivs) aus 2. in Pixel Infos für Ausgabe
  • Antialiasing (Kantenglättung)

• Anwendungsphase
  • Anzahl der Polygone
  • Programmiereffizienz (Rechengenauigkeit, Anzahl der Divisionen, ...)
• Geometriephase
  • Anzahl der Lichtquellen
  • Beleuchtungsmodell
  • Polygone-Shading Mode
  • Nutzung der für die Hardware optimalen Polygontypen (Dreieck vs. Viereck vs. ...)
• Rasterungsphase
  • Auflösung der Displays