Kurz gefasst: VR/AR Sensorik in 3 Minuten

Wenn wir in bunte, computergenerierte Welten eintauchen, setzen Hard- und Software-Hersteller alles daran, dass diese authentisch und echt wirken. Über verschiedene technische Elemente werden unsere Sinne angesprochen und so ein immersives Erlebnis geschaffen. Sie sehen, Sie spüren, Sie hören Ihre neue Umgebung. Aber um Ihre Erfahrung zu komplettieren, stellt sich eine weitere Frage: Wie viel von Ihrem realen Ich steckt in der virtuellen Welt? Gemeint ist die Interaktion mit der künstlichen Umgebung. Bewegt sich mit einer Kopfbewegung auch Ihre Blickrichtung in der virtuellen Realität? Wenn Sie nach einem saftigen 3D-Apfel greifen, können Sie ihn pflücken? Um Ihre echte Motorik zu erfassen und das Interagieren mit virtuellen Elementen und Welten zu ermöglichen, braucht es Sensorik.

Was ist Sensorik?

Unter dem Begriff Sensorik werden Systeme zusammengefasst, welche die Veränderung umweltbezogener, technischer oder biologischer Daten messen.

In Zusammenhang mit Virtual und Augmented Reality haben Sensoren die Funktion, den Nutzer zu lokalisieren, seine Bewegungen zu registrieren und an das System weiterzugeben. Die Sensoren erfassen die Kopf- und Augenbewegungen des Spielers. Einige Geräte verfügen über Motion Control und können auch die Arm- und Beinbewegungen des Users übertragen. In den meisten VR-Brillen sind Sensoren verbaut, die die Veränderungen der Lage und Position des Nutzers registrieren und die gezeigten Bilder auf den Displays entsprechend anpassen. Zwischen dem sensorischen Signal und der Adaption des Bildes sollten nicht mehr als elf Millisekunden liegen. Dieses Verhältnis wird als Motion-to-Photon-Latency bezeichnet und ist ausschlaggebend für die Immersion.

Im nächsten Schritt wird Sensorik genutzt, um virtuelle Objekte zu manipulieren. Das System erkennt, dass Sie in Richtung des Apfelbaums schauen, Ihre Füße sich in Richtung dessen bewegen, Sie Ihren Arm ausstrecken und nach dem Apfel greifen. Ihr Griff wird registriert und das Bild verändert sich. Sie haben den Apfel in Ihrer virtuellen Hand.

Arten von Sensoren

Es gibt verschiedenste Arten von Sensoren, die auf unterschiedlichen Messverfahren basieren. Nicht alle der hier aufgeführten Sensoren werden heute in VR/AR-Anwendungen verwendet.

Laufzeitverfahren

Ein Impuls in Form von Schall, Radiowellen oder Licht wird ausgesendet. Die Sensoren messen, wie lange der Impuls von der Quelle zum Reflektor braucht. Dieses Messverfahren ist nicht sehr präzise und daher nicht für die Erfassung von menschlichen Bewegungen geeignet.

Laufzeitverfahren sind unter anderem das Global Positioning System (GPS). Dieses misst mithilfe von Radiowellen die Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Signals vom Satelliten zum GPS-Gerät. Jedes Gerät mit Navigationssystem, sei es ein Smartphone oder das Gerät im Auto, nutzt heutzutage GPS.

Zu diesem Verfahren gehören außerdem Ultraschallsensoren, die hochfrequente Schallimpulse aussenden, diese am Objekt reflektieren und die benötige Zeit aufzeichnen. Ultraschallsensoren finden vor allem in der Füllstandüberprüfung in der Getränke- und Süßigkeitenindustrie Anwendung.

Räumliches Scanning / optische Verfahren

Mithilfe von Lasern oder Kameras werden Objekte zeilen- oder rasterartig erfasst. Man unterscheidet zwischen Inside-Out und Ouside-In-Verfahren.

Bei Inside-Out-Verfahren sind die Sensoren direkt in der Hardware, zum Beispiel in der VR-Brille, verbaut. In der Oculus Rift S sind beispielsweise fünf Kameras verbaut, die in verschiedene Richtungen angeordnet sind und so einen möglichst großen Bewegungsradius des Nutzers aufzeichnen.

Beim Outside-In- Verfahren werden die Sensoren außerhalb des Gerätes angebracht. Kameras oder andere Sensortechnik werden im Raum platziert, geben ihre Daten an das VR-Gerät weiter und bestimmen Ihre Position.

Das optische Verfahren wird beim 3D-Scanning angewendet. Echte Objekte werden mit Kameras und Lasern gescannt und so ein realistisches 3D-Modell erstellt.

Inertialsysteme

Zu den Inertialsystemen gehören Gyroskopsensoren (Drehratensensoren). Sie messen Drehbewegungen oder Windgeschwindigkeit und können Achsenrotationen nachvollziehen. Die wohl älteste bekannte Anwendung eines solchen Sensors ist der Kompass. Zu dieser Klasse zählen zudem Beschleunigungssensoren, die mithilfe von Schwingungen beziehungsweise Vibrationen bestimmen, ob eine Geschwindigkeitsveränderung stattfindet. Beide Sensortechniken sind üblicherweise in VR-Hardware zu finden.

Mechanische Systeme

Die Sensoren liegen direkt am zu messenden Objekt an. Bei Virtual Reality-Anwendungen werden beispielsweise durch Handschuhe oder Handgelenksmanschetten Fingerbewegungen registriert. Durch Westen, Gürtel und Ganzkörperanzüge kann ein großer Teil des Bewegungsumfang des Körpers erfasst werden. Dieses Verfahren wird in der Medizin zur Therapie herangezogen, beispielsweise um Bewegungsabläufe nachzuvollziehen und Diagnosen zu stellen. Die Hochschule Ruhr West arbeitet im Projekt VAFES an einer Früherkennung für Parkinson. Der Patient führt mit einem Sensorhandschuh spielerische Tests durch, um bestehende Dysfunktionen zu erkennen und das Stadium der Krankheit zu bestimmen.

Direkte Feldmessung

Die elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen Sensor und Objekt werden gemessen. Dieses Verfahren ist nur für kleine Messbereiche geeignet. Die Sensoren sind sehr robust und werden daher häufig für die Überwachung von Industriemaschinen eingesetzt, vor allem in der Automobil- sowie Chemie-Branche, im Anlagenbau und in der Druck-, Papier- und Verpackungsindustrie.

Phasenlage

Die Phasenverschiebung des ausgesandten und des reflektierten Lichtstrahls wird gemessen und so die zurückgelegte Strecke ermittelt. Das Verfahren eignet sich nur für kleine Messbereiche und ist sehr speziell. Daher wird diese Methode im Gegensatz zu den anderen weniger eingesetzt und findet sich vorrangig in der Antriebs-, der Energieversorgungs- und der Eisenbahnsignaltechnik wieder.

Ausblick

Aus einem Bericht geht hervor, dass deutsche Unternehmen im Bereich der Messtechnik und Sensorik im Jahr 2017 ein Umsatzwachstum von 90 Prozent verzeichnen konnten. In den folgenden Jahren erwartet der Verband für Sensorik und Messtechnik eine deutliche Steigerung des Wachstums. Es zeigen sich in der Sensortechnik einige Entwicklungen, die auch für die Zukunft der VR und AR Hardware von großer Bedeutung sein werden. Für das autonome Fahren, das Internet of Things und Industrie 4.0 werden die Fortschritte in der Sensorik entscheidend sein. Ein Trend, der sich abzeichnet, ist die Miniaturisierung: Die Sensoren werden immer kleiner, günstiger, energieeffizienter und leistungsfähiger. Mit den Sensoren werden auch VR/AR-Brillen und -Headsets immer kompakter. Außerdem werden vermehrt kombinierte Sensoriksysteme verbaut, in denen unterschiedliche Sensorarten intelligent miteinander vernetzt sind und so eine besonders präzise Messleistung ermöglichen.

Die treibenden Märkte in der Sensorik sind jedoch bisher weder Virtual noch Augmented Reality. Der Fokus liegt vor allem in der Anwendung in der Medizin, der Industrie und dem Transportwesen. Mit dem großen wirtschaftlichen Wachstum, den viele Beratungsfirmen im VR- und AR-Markt erwarten, wird sich dieser Fokus aber verschieben. Doch für jeden Wirtschaftszweig, der zukünftig auf Automatisierung setzt, sind die Fortschritte in der Sensortechnik essentiell. Nur mit präziser Messung können Prozesse optimiert werden.

Daten sind das neue Öl.

Meglena Kuneva, ehemalige EU-Kommissarin für Verbraucherschutz

Was Sie über Sensorik wissen müssen:

• Zeichnen reale Bewegungen des Nutzers auf, die in virtuelle Welten übertragen werden
• Entwicklungen in der Sensortechnik für alle Industriezweige bedeutend
• Trend zur Fusionierung, Vernetzung und Miniaturisierung der Sensoren

Autorin: Sarah Kolberg

Sarah Kolberg ist Redakteurin bei fintechcube und hat sich in ihrer bisherigen Laufbahn vor allem mit der digitalen Transformation im Public Sector beschäftigt.