Augmented Reality – ein kurzer Überblick

Was kann Augmented Reality?

Um diese Frage beantworten zu können, ist es sinnvoll, zuerst zu klären, was unter Augmented Reality (AR) zu verstehen ist. Häufig wird AR mit Virtual Reality (VR) gleichgesetzt, doch handelt es sich hierbei um zwei sich ähnliche, aber nicht gleiche Technologien. Bei der AR bleibt die Realität erhalten und wird durch virtuelle Elemente ergänzt. Im Gegensatz dazu wird bei der VR die reale Welt vollständig ausgeblendet und durch eine künstliche ersetzt.

Bereits Mitte der 1970 Jahre wurden die ersten Schritte in Richtung AR gegangen. Seit dieser Zeit hat sich die AR unaufhörlich weiterentwickelt und ist heutzutage in beinahe jeder Brache einsetzbar. Sie ist unter anderem in der Medizin, im Handwerk, in der Industrie oder dem Handel zu finden. Diese Durchdringung verdankt die AR ihrer Flexibilität, da hier sowohl mobile als auch Webanwendungen und Anwendungen für AR-Brillen entwickelt werden können.

Augmented Reality kann dabei helfen, komplexe Arbeitsabläufe, Routinen und Prozesse zu unterstützen oder zu vereinfachen. So können beispielsweise Mechaniker oder Ingenieure mit Hilfe von AR komplexe Maschinen in Einzelteile zerlegen, den benötigten Arbeitsschritt einzeln aufrufen, auf den realen Gegenstand projizieren und direkt anwenden. Weitere Anwendungsgebiete wären zum Beispiel Navigation, Inneneinrichtung, Architektur oder Produktvisualisierung, um nur einige zu nennen.

Aber wie funktioniert AR?

Kurz gesagt, es werden Hard- und Software gebraucht. Die Hardware muss über ein Mindestmaß an Sensortechnologien wie Kamera und GPS-Systeme verfügen, um die reale Umgebung zu erfassen. Diese Informationen werden mit Objektdaten angereichert, so wird die reale Welt gemeinsam mit der virtuellen Welt angezeigt. Über Schnittstellen wie Touchscreen, Mikrofon und Kopfhörer kann der User mit den realen oder virtuellen Objekten interagieren. Die Objekte werden in 3D dargestellt, wodurch sie der User von allen Seiten im Raum betrachten kann. Die Anzeige sowie die Interaktion finden in Echtzeit statt.

Wie wird die Verknüpfung der Realität mit den virtuellen Objekten erreicht?

Die Art der Verknüpfung von Realität und virtuellen Objekten hängt sehr stark von den technischen Möglichkeiten und dem Einsatzgebiet ab und wird mit Hilfe unterschiedlicher Tracking-Methoden erreicht. Diese Methoden dienen als Trigger, um die AR zu starten oder virtuelle Objekte in der realen Welt zu platzieren.

Tracking-Methoden können in folgende Gruppen unterteilt werden:

• Für das Tracking wird ein bestimmtes Bild oder Objekt benötigt
• Analyse der realen Umgebung
• Das Tracking erkennt menschliche Körper
• Andere Bilderkennungsmethoden
• Position von Sendern

Folgende Methoden spiegeln beispielhaft einen Teil dieser Gruppen wider:

1. Bei Image Targets dient ein bestimmtes Bild als Auslöser. Die Kamera registriert das Bild und startet damit die Augmented Reality App. Zusätzlich dient das Bild als Anker, zu dem die virtuellen Inhalte positioniert werden.

2. Markerless Tracking funktioniert ohne zusätzliche Objekte. Die AR kann einfach mit dem Smartphone oder einer AR-Brille gestartet werden.

3. World Map nimmt die aktuelle Umgebung einer Augmented-Reality-Anwendung auf. Es kann ein Punkt im Raum festgelegt werden, entweder über die Ebenen, Feature-Punkte oder die Geometrie des Tiefensensors. Relativ zu diesem Punkt wird der digitale Inhalt positioniert.

Umsetzung der AR am Beispiel von ARCore

Durch die Verwendung der Kamerafunktion eines mobilen Gerätes werden Szenen eines realen Objektes erstellt und mit virtuellen Inhalten ergänzt. Diese virtuellen Inhalte werden innerhalb der Applikation erstellt. Für die Umsetzung von AR-Applikationen stehen viele verschiedene Software Development Kits (SDKs) zur Verfügung. Welches SDK das richtige ist, hängt von der Art der Anwendung und den benötigten Funktionalitäten ab.

In ARCore sind hierfür drei Grundkonzepte definiert. Das Bewegungstracking (Motion Tracking), die Registrierung der Umgebung und die Abschätzung der Lichtverhältnisse.

Durch das Bewegungstracking wird es dem mobilen Gerät ermöglicht, seine Position relativ zur realen Umgebung und seine Bewegung im dreidimensionalen Raum zu erfassen. Hierfür wurde von Google das Concurrent Odometry and Mapping (COM) entwickelt, bei dem visuelles merkmalbasiertes Tracking mit der inerten Messeinheit des Geräts kombiniert wird. Hier werden mit Hilfe des Kamerabildes visuell eindeutige Merkmale identifiziert. Diese werden genutzt, um die Veränderung der Position und Orientierung der Kamera relativ zur Startposition zu berechnen. Zudem werden die Beschleunigung und Ausrichtung des Geräts mittels Trägheitsmessung und Messung der Rotationsgeschwindigkeit durch das eingebaute Trägheitsnavigationssystem (IMU) ermittelt. Dadurch erhält man eine zweite Auswertung der Position und Orientierung der Kamera in Bezug auf die reale Welt. Sofern das Gerät einen Tiefensensor besitzt, können zusätzlich zu den Merkmalen auch Tiefenwerte hinzugezogen werden, um die Umgebung besser registrieren zu können.

Mit Registrierung der Umgebung wird die Größe und Position von Oberflächen bezeichnet. Die einzelnen Punkte werden zu Punktwolken zusammengefasst, wodurch ein virtuelles Abbild der Umgebung entsteht. Je mehr Informationen (Feature Points) zur Verfügung stehen, desto genauer wird das virtuelle Abbild.

Durch das Einbinden beziehungsweise die Berücksichtigung der Lichtverhältnisse wird der Realismus der eingeblendeten Objekte erhöht. Es werden unter Beachtung des Blickwinkels die Lichtbrechung, Schatten oder die Richtung der Lichtquelle mit in die Darstellung eingebunden. Um die Position des virtuellen Objektes über einen längeren Zeitraum zu tracken, werden Anker verwendet. Durch Hinzufügen von Umgebungsinformationen wird die Position des Objekts stetig aktualisiert. Der Anker sorgt dafür, dass das virtuelle Objekt stabil im Raum bleibt, auch wenn sich die Kamera bewegt.

Fazit

Die Augmented Reality birgt ein enormes Potential, dessen Ausmaß heute noch nicht abzusehen ist. Durch die stetige Verbesserung bestehender Technologien und die rasante Entwicklung neuer Technologien wird die AR zu einem festen Bestandteil in vielen verschiedenen Branchen sowie im privaten Bereich werden.