05-Ausgabe

Question 1

Was sind Qualitätskriterien in der visuellen Ausgabe?

Answer 1

• Hohe Auflösung.
• Großer Sichtbereich.
• Hoher Kontrast.
• Hohe Leuchtdichte.
• Hohe Bildwiederholfrequenzen, schnelle Reaktionszeiten.
• Helligkeits- und Farbtreue.

Question 2

Was versteht man unter dem Fliegengitter-Effekt?

Wo kommt dieser Effekt vor?

Answer 2

Insbesondere bei Projektionen und in HMDs kann der Fliegengittereffekt (en. Screen Door
Effect) auftreten, bei dem man um die Pixel feine trennende Linien wahrnimmt.

Question 3

Wie kann man den Field of View definieren?

Answer 3

Der horizontale / vertikale FOV wird als vom Auge aus gemessener Winkel angegeben und spezifiziert, welcher Bereich des Gesichtsfeld von einer Darstellung / einem Display eingenommen wird.

Question 4

Was versteht man unter dem Field of Regard?

Answer 4

Der FOR ist der Gesamtbereich, der vom bewegten Nutzer gesehen werden kann.

Question 5

Was versteht man unter dem Kontrast? Was ist der In-Bild-Kontrast?
Geben Sie jeweils auch eine Formel an.

Answer 5

Kontrast:

Verhältnis von maximaler zu minimaler Helligkeit (Intensity) eines Pixel

K = Imax / Imin

Die minimale Helligkeit (Schwarzwert) ist in der Praxis nie 0.

In-Bild-Kontrast:

Hier wird der Effekt von Streulicht durch andere Pixel / die Umgebung berücksichtigt:

KI = (Imax − Istreu) / Istreu

Question 6

Was ist die Leuchtdichte?

Answer 6

Die Leuchtdichte gibt die Orts- und Richtungsabhängigkeit des von einer Lichtquelle (darunter fallen Monitore, aber auch reflektierende oder transmissive Leinwände) abgegebenen Lichtstroms an.
Sie ist die vom Benutzer wahrgenommene Helligkeit des Bildes und wird in Candela pro Quadratmeter angegeben (cd/m2).

Question 7

Zeige den Unterschied zwischen Bildwiederhol- vs. Bildgenerierungsfrequenz auf

Answer 7

Bildwiederholfrequenz:
Die Zahl der Einzelbilder, die ein Displaysystem pro Sekunde dargestellen kann.
Die Bildwiederholfrequenz wird in Hertz (Hz) angegeben und ist eine konstante Größe.

Die Bildwiederholfrequenz (en. meist refresh rate) ist nicht zu verwechseln mit der Bildgenerierungsfrequenz (en. oft frame rate, angegeben in frames per second (fps))1.

Die Bildgenerierungsfrequenz hängt von vielen Faktoren (u.a. Leistungsfähigkeit Grafikkarte, Komplexität der Szene) ab und kann zeitlich schwanken.

Question 8

Was versteht man bei Ausgabegeräten unter der Reaktionszeit?

Answer 8

Zeit, die ein Bildpunkt für einen Farbwechselzyklus benötigt.

Eine hohe Reaktionszeit äußert sich in reduziertem Kontrast (Black/White Smear) und bei bewegten Bildern (auch Kopfbewegung mit HMD) in Unschärfe (Motion Blur).

Question 9

Erkläre die räumliche Darstellung über Volumendisplays, Hologramme und Zweidimensionale Displays

Answer 9

Volumendisplays: DreidimensionaleAusgabeüberimRaumverteilteLichtpunkte(Voxel). Sehr geringe Verbreitung.

Hologramme:
Dreidimensionale Ausgabe über zweidimensionale Bilder, die den Wellencharakter des Lichts korrekt wiedergeben. Momentan nur für statische Bilder einsetzbar.

Zweidimensionale Displays
Zweidimensionale Ausgabe über auf einer Fläche verteilte Lichtpunkte (Picture Elements, Pixel). Standardtechnologie für Monitore, Projektoren, HMDs

Question 10

Erkläre Sichtvolumen und Frustum

Answer 10

Die virtuelle Kamera definiert einen Raumbereich, das Sichtvolumen, über extrinsische und intrinsische Parameter. Nur Objekte im Sichtvolumen werden dargestellt.
Das Sichtvolumen hat bei perspektivischer Darstellung die Form eines Pyramidenstumpfs (en. Frustum).

Question 11

Wie funktioniert die ToeIn-Methode?

Gibt es einen Nachteil?

Answer 11

Die ToeIn-Methode nutzt symmetrische Frusta für linkes und rechtes Auge, die auf den selben Raumpunkt ausgerichtet sind.

Nachteil:
Die Projektionsebenen haben nur in der Bildmitte den selben Abstand zum Betrachter, am Rand entstehen Tiefenfehler, die die Stereowahrnehmung beeinträchtigen.

Question 12

Wie schaffen wir es das Bild von linkem und rechtem Auge zu trennen?

Answer 12

HMDs: räumlich getrennte (Bereiche von) Displays für jedes Auge.

Stationäre System: Kanaltrennung, autostereoskopische Displays.

Question 13

Welche HMDs sind am Markt erhältlich?

Answer 13

Passive Smartphone-Halterungen:
Jedes Auge sieht nur das halbe Smartphone Display.

Aktive Smartphone-Halterungen:
Bei hochwertigen Halterungen wie der Samsung Gear VR ist zusätzliche Sensorik für das Tracking verbaut, sowie ein Bedienpanel.

Professionelle HMDs:
Enthalten hochwertige Linsensysteme und Displays mit hoher Auflösung, sowie hochfrequente Tracking-Sensorik. Die Übertragung der Videodaten und Stromversorgung erfolgt über Kabel

Question 14

Wie sehen die Daten der Oculus Rift CV aus?

Answer 14

Displayauflösung pro Auge
1080 H × 1200 V

Horizontaler FOV
110 Grad

Wiederholrate:
90 Hz

Gewicht
470 g

Question 15

Was versteht man unter dem Binokular- oder Stereobereich?

Answer 15

Stereo-HMDs stellen für linkes und rechtes Auge eine separate Sicht bereit. Der Bereich, in dem sich die Sicht von linkem und rechtem Auge überlappen, ist der Binokular- oder Stereobereich

Question 16

Nenne Vor- und Nachteile von HMDs

Answer 16

⊕ Hoher Immersionsgrad, da reales Umfeld ausgeblendet wird. Nur virtuelle Objekte sind zu sehen.

⊕ Wenig Streulicht → guter Kontrast, geringe Displayhelligkeit nötig, geringerer Energieverbrauch.

⊖ Der kleine Eye Relief wird durch aus Vergrößerungs- und Fresnellinsen bestehende Optiken erreicht.
Dies führt zu Darstellungsartefakten:
– Screen-Door-Effekt.
– Chromatische Aberrationen (Farbabweichungen, die auf der unterschiedlich starken Brechung von Wellenlängen beruhen).
– God Rays (Von starken Helligkeitskontrasten ausgehendes Leuchten).

Question 17

Was ist Ghosting/Crosstalk ?

Answer 17

Falls die Kanaltrennung in der Stereodarstellung nicht richtig funktioniert, kommt es zu störendem Ghosting/Crosstalk.

Das für das linke Auge gerenderte Bild kann (in hoffentlich abgeschwächter Form)auch vom rechten Auge gesehen werden und umgekehrt.

Question 18

Was ist ein Anaglyphverfahren? Nenne ein bekanntes Beispiel

Nenne ebenfalls Vor- und Nachteile des Verfahrens.

Answer 18

Bei diesem Verfahren werden die Bilder für linkes und rechtes Auge in zwei unterschiedlichen Farben gefärbt, die bei subtraktiver Mischung schwarz ergeben.

Rot-Cyan
Färbt man z.B. das Bild für das linke Auge Cyan und das für das rechte Auge rot, so benötigt man eine Rot-Cyan-Brille mit einem roten Filter vor dem linken und einem Cyan-farbenen vor dem rechten Auge.

Vor- und Nachteile:
⊕ Funktioniert mit allen Displays.
⊕ Sehr preisgünstig.
⊖ Mehr oder wenig stark eingeschränkte Farbdarstellung.

Question 19

Erkläre das Wellenlängen-Multiplexing und nenne Vor- und Nachteile

Answer 19

Wellenlängen-Multiplexing wird ausschließlich für Projektoren eingesetzt. Dabei nutzt man für linkes und rechtes Auge leicht unterschiedliche Rot-, Grün- und Blau-Frequenzen.
Sowohl auf Seiten der Projektoren (ein Projektor pro Auge) als auch in den Brillen werden Filter eingesetzt, die die nicht passenden Farbanteile abschirmen.

Vor- und Nachteile:
⊕ Nahezu natürliche Farbdarstellung möglich.
⊖ Zwei Projektoren pro Display nötig.
⊖ Filter / Brillen sind vergleichsweise teuer, da die Technik patentrechtlich geschützt ist

Question 20

Wie funktionieren Polarisationsfilter? Nenne vor und Nachteile

Answer 20

Hier werden Polarisationsfilter auf Seiten der Projektoren (wieder ein Projektor pro Auge) als auch in den Brillen eingesetzt.

Zum Einsatz kommt lineare oder zirkulare Polarisation.

Vor- und Nachteile:

⊕ Brillen sind günstig, daher weite Verbreitung (Standard in 3D-Kinos).
⊖ Zwei Projektoren pro Display nötig.
⊖ Bei linearer Polarisation darf der Benutzer den Kopf nicht zu sehr um die Blickrichtung rotieren.
⊖ Bei zirkularer Polarisation starkes Ghosting.
⊖ Bei jedem Filter werden 50% des Lichts geschluckt
⊖ Leinwände müssen polarisationserhaltend sein (z.B. silberbeschichtet bei Aufprojektion).

Question 21

Wie funktioniert aktiv stereo?

Nenne Vor- und Nachteile.

Answer 21

Bei Aktiv-Stereo-Verfahren stellen die Displays abwechselnd das Bild für linkes und rechtes Auge dar.

Der Betrachter verwendet eine damit synchronisierte Shutterbrille, die über Flüssigkristalle abwechselnd rechtes und linkes Glas lichtundurchlässig macht.

Vor- und Nachteile:

⊕ Ein Projektor/Monitor pro Display reicht.
⊕ Kein Ghosting.
⊖ Nur die halbe Bildwiederholrate des Projektors/Monitors wird vom Benutzer wahr- genommen. Hat z.B. ein Projektor eine Bildwiederholrate von 120 Hz, so nimmt der Benutzer 60 Hz wahr + Helligkeisverluste.
⊖ Aktiv-Stereo-Brillen sind teurer als Passiv-Stereo und komplizierter im Einsatz

Question 22

Wie funktionieren autostereoskopische Displays?

Nenne Vor- und Nachteile

Answer 22

Über den Pixeln des Displays werden Lochraster, Linsen oder Prismen so platziert, dass deren Licht nur das linke oder nur das rechte Auge erreicht

Vor- und Nachteile:

⊕ Keine Brille nötig.
⊖ Das Bild wirkt nur von einer bestimmten Perspektive aus räumlich.
⊖ Nur die halbe Auflösung des Bildschirms steht pro Auge zur Verfügung.

Question 23

Unterscheiden sie Rückprojektion auf Aufprojektion

Answer 23

Rückprojektion:
Benutzer und Projektoren befinden sich auf unterschiedlichen Seiten der
transmissiven (lichtdurchlässigen) Projektionsfläche → kein Schattenwurf.

Aufprojektion:
Benutzer und Projektoren befinden sich auf der selben Seite der reflektierenden Projektionsfläche → geringerer Platzbedarf.

Question 24

Warum ist eine geometrische Kalibrierung bei der Cave nötig?

Answer 24

Linien und Flächen, die sich über mehrere Displays erstrecken, müssen der optischen Erwar- tung entsprechen (keine Sprünge, Knicke, korrekte Größenverhältnisse, etc.).

Durch die geometrische Kalibrierung wird sichergestellt, dass virtuelle Objekte auf allen Dis- plays geometrisch konsistent dargestellt werden.

Question 25

Was versteht man unter Warping?

Answer 25

Unter Warping versteht man die die Herstellung der geometrischen Konsistenz über die Bilderzeugungssoftware. Dazu werden die darzustellenden Bilder wie Texturen behandelt, die auf ein Gitter aufgetragen werden, das die geometrischen Verzerrungen des Displays korrigiert.

Question 26

Welche negativen Effekte versucht man über eine Helligkeitskalibrierung zu vermeiden?

Answer 26

Variierende Lichtstärken der Projektoren: ProduktionsbedingteSchwankungen/Alterung der Lampen können zu ungleichen Helligkeiten führen

Vignettierung/Hot-Spotting: Das Bild ist im Zentrum lichtstärker als am Rand.

Wolken-/Blumenkohleffekt:
Ist der Diffusor auf der Leinwand ungleichmäßig aufgetra- gen, so kommt es zu leichten Helligkeitsschwankungen, die insbesondere bei größeren Flächen gleicher Farbe stören.

Question 27

Was versteht man unter Gain und Blending?

Answer 27

Gain
Der Verstärkungs- oder Abschwächungsfaktor in Richtung des auftreffenden / reflektierenden Lichtstrahls heißt Gain. Die Leuchtdichte nimmt eine elliptische Form an.

Blending
Im Blending-Bereich stoßen zwei Projektionsbereiche aneinander. Das Blending sorgt dafür, dass der Übergang nahtlos wirkt

Question 28

Erkläre Hard und Soft Edge Blending

Wie wurde die CAVE realisiert?

Answer 28

Hard Edge Blending:
Die beiden Projektionen überlappen sich nicht, schließen nahtlos aneinander an. Sehr empfindlich! Leichte Verschiebungen von Projektor oder Leinwand- halterungen führen zur Bildung dunkler Spalten oder heller Linien.

Soft Edge Blending:
Die beiden Projektionen überlappen sich um einen definierten Bereich, in dem die Helligkeit des einen Projektors linear ab-, die des anderen linear zunimmt.

Bei der 4-Seiten-CAVE der THI ist Soft Edge Blending realisiert. Jede Bildfläche hat eine quadratische Auflösung von 2560×2560 Pixeln.

Question 29

Was versteht man unter L-Bench / L-Shape

Was sind Vor- und Nachteile gegenüber der Powerwall?

Answer 29

Eine Bildfläche befindet sich senkrecht vor dem Benutzer (häufig eine Rückprojektion), eine liegend am Boden (häufig eine Aufprojektion). Die Seitenansicht ergibt ein „L”.

Vor- und Nachteile gegenüber einer Powerwall:

⊕ Durch das am Boden befindliche Display hat man für Objekte in normaler Arbeitshöhe einen wesentlich besseren räumlichen Eindruck.

⊖ Bodenfläche muss u.U. betreten werden, um virtuelle Objekte aus der Nähe zu betrachten → Tragfähigkeit, Abriebfestigkeit.

Question 30

Was versteht man unter einer CAVE?

Answer 30

Eine CAVE(CAVE Automatic Virtual Environment) ist ein würfel- oder quaderförmiger Bereich, bei dem mehrere Seiten von Projektoren angestrahlte Bildflächen sind. Je nach Anzahl der Bildflächen spricht man von einer 3-, 4-, 5- oder 6-Seiten-CAVE.

Question 31

Was sind Vor- und Nachteile von projektionsbasierten Systemen gegenüber HMDs?

Answer 31

⊕ Hohe Auflösung, insbesondere auch im peripheren Gesichtsbereich (letzteres ist bei HMDs nicht gegeben).

⊕ Die Darstellung der Bilder erfolgt nicht am Kopf → es reichen leichte, wenig störende Brillen.

⊕ Die Nutzer sehen sich selbst: Diese Verortung in der VR reduziert das Risiko von VR- Krankheit.

⊕ Mehrere Nutzer sind möglich, diese können sich gegenseitig sehen (Kommunikation, Kollaboration).

⊕ Möglichkeit von MR-Szenarien, z.B. realer Roboterarm in virtueller Umgebung.

⊕ Größerer FOV.

⊖ Die Systeme sind stationär.

⊖ Die Systeme sind sehr teuer.

⊖ Meistens kann die Sicht nur an einen Nutzer angepasst werden.
⊖ Kleinerer FOR.

Question 32

Wann sprechen wir im AR Bereich von einer Datenbrille?

Answer 32

Liegt der Fokus auf der Einblendung textueller Information, so spricht man auch von
Datenbrillen.

Question 33

Was versteht man unter Video See-Through, VST?

Answer 33

Die reale Umgebung wird mit einer Videokamera gefilmt. Der Videostream wird mit den virtuellen Inhalten überlagert und ausgegeben. Das Videobild wird perspektivisch korrekt als Hintergrundbild eingefügt.

⊕ Funktioniert auch in hellen Umgebungen.

⊖ Geschlossene Bauweise widerspricht AR-Prinzip, keine direkte Sicht auf reale Umwelt.

Question 34

Was versteht man unter Optisches See-Through, OST

Was sind Vor- und Nachteile von OST gegenüber VST?

Answer 34

Die Lichtreize der realen Umgebung werden durch (semi-)transparente Displays direkt
wahrgenommen. Virtuelle Inhalte werden optisch überlagert

⊕ Auflösung des Displays spielt keine Rolle bei Wahrnehmung der realen Umgebung.

⊖ Semitransparente Displays schlucken bis zu 75% des einfallenden Licht → Realität
scheint verdunkelt.

⊖ Da Licht nur addiert, nicht subtrahiert werden kann: Kontrastprobleme in heller Umgebung.
– Helle virtuelle Objekte wirken kontrastarm.
– Dunkle virtuelle Objekte / virtuelle Schatten erscheinen transparent.

Question 35

Wie sehen die Daten der Microsoft Hololens aus?

Answer 35

Displayauflösung pro Auge: 720p

Horizontaler FOV: 30 Grad

Wiederholrate: 30Hz

Question 36

Wie funktionieren Wellenleiter in AR Brillen?

Wie sehen Vor- und Nachteile aus?

Answer 36

Licht wird im Inneren eines transmissiven Mediums so umgelenkt, dass es ins Auge reflektiert wird.
Einspeisung des Bildes erfolgt von der Seite oder von oben.

Das Auslenken des Bildes zum Auge erfolgt über:
– Holografische Optische Elemente (HOE)
– Mikroskopische Brechungsgitter
– Strahlteiler aus Polarisationsfiltern
– Halbdurchlässige Spiegel

⊕ Aussehen ähnlich dem herkömmlicher Brillen.
⊖ Farbige Bilder müssen über Multiplexing erzeugt werden.

Question 37

Wie funktioniert eine Retinale Datenbrille?

Was sind Vor- und Nachteile?

Answer 37

Direkte Projektion des Bildes auf die Netzhaut. Lichtquelle ist meist ein Laser.

⊕ Keine aufwändige Optik nötig.
⊕ Kompakte Bauweise.
⊕ Großer FOV möglich.

Question 38

Wie funktioniert Hand-Held AR

Answer 38

• Die rückseitige Kamera (Smartphone) dient zur Aufnahme der Umgebung und zum optischen Tracking.
• Nutzung der Beschleunigungs- und Gyrosensoren zur Bestimmung der Lage, von GPS für grobes Positionstracking.

Question 39

Wie funktionieren Stationäre/raumfixierte Displays?

Answer 39

• Nutzung von Desktop-Bildschirmen/Laptops mit Webcams.
• Virtuelle Spiegel: Bild des Nutzers wird auf vertikalem Display spiegelverkehrt angezeigt
• Displays mit Tiefeneffekt

Question 40

Was versteht man unter Projektionsbasierte/Spatial AR. Was sind Vor- und Nachteile?

Answer 40

Projektion der virtuellen Inhalte auf reale Umgebung.

• Projektion auf existente, idealerweise neutral gefärbte und diffus reflektierende Oberflächen der Umgebung.
• Modifikation von Farbe und Struktur.
• Augmentierung um Zusatzinformation

⊕ In vielen Fällen ist die Ausgabe des gerenderten Bilds unabhängig vom der Nutzerposition → nicht auf einen Nutzer beschränkt.
⊖ Virtuelle Inhalte sind nicht frei positionierbar.
⊖ Kontrast ist abhängig von Umgebungshelligkeit.

Question 41

Warum ist die Verdeckung so eine große Herausforderung?

Was kann man hier entgegen Wirken?

Answer 41

Die korrekte Platzierung und Orientierung reicht nicht aus, wenn Verdeckung ins Spiel kommt!
Da Verdeckung der wichtigste Tiefenhinweis ist, wirkt AR ohne korrekte Verdeckung implausibel.

• Um Verdeckungen korrekt zu behandeln, benötigt man ein dreidimensionales Modell der Umgebung (z.B. über Tiefenkameras).
• Der Z-Buffer-Algorithmus muss so abgewandelt werden, dass in dem Fall, dass ein reales Objekt ein virtuelles verdeckt, der Tiefenwert des realen Objekts im Z-Buffer eingetragen werden muss.

Question 42

Was ist die Photometrische Registrierung?

Answer 42

Die photometrische Registrierung ist die Anpassung der virtuellen Objekte an die Beleuchtungssituation der realen Umgebung

Question 43

Was unterscheidet bei Haptic Devices Taktil vs. Propriozeptiv?

Answer 43

Taktile Haptik:
Stimulation des Berührungssinns. Bei vibrotaktiler Stimulation entsteht die Empfindung durch mechanische Reize, bei elektrotaktiler Stimulation durch elektrische Ströme.

Propriozeptive Haptik:
Erzeugt Empfindung von Muskelanspannung und der Bewegung von Gliedmaßen.