Virtuelle Realität

Virtuelle Realität (VR), eine computertechnische Möglichkeit, mit der ein oder mehrere Anwender in die Lage versetzt werden, sich in einer computersimulierten Welt umzusehen, sich dort zu bewegen und auf diese virtuelle Umwelt zu reagieren. Der so genannte Cyberspace ist eng verwandt mit der virtuellen Realität. Verschiedene Schnittstellengeräte erlauben den Anwendern, zu sehen, zu berühren, Dinge zu greifen und sogar virtuelle Objekte zu verändern. Virtuelle Welten und alles darin Enthaltene (einschließlich der Computerbilder der Teilnehmer) werden mit Hilfe von mathematischen Modellen und Computerprogrammen dargestellt.

VR-Simulationen unterscheiden sich von anderen Computersimulationen darin, dass sie spezielle Schnittstellengeräte benötigen. Diese Geräte übertragen die Sichten, Geräusche und Eindrücke der computersimulierten Welten zum Anwender. Sie zeichnen außerdem die Äußerungen und Bewegungen der Teilnehmer auf und senden sie an die simulationserzeugenden Einheiten. Statt eine Tastatur oder Maus zu verwenden, ermöglichen diese Spezialgeräte einem VR-Teilnehmer, sich in einer Weise zu bewegen, zu handeln und mit dem Computer zu kommunizieren, die dem alltäglichen Leben stärker gleicht. Diese natürliche Art der Wechselwirkung und die Fähigkeit sich umzuschauen, vermittelt dem Teilnehmer das Gefühl, in die simulierte Welt einzutauchen.

Um die virtuelle Welt zu sehen, tragen die Anwender einen so genannten Datenhelm (auch Datenmaske) mit Computerbildschirmanzeigen vor jedem Auge (englisch: Head-Mounted Display; HMD). Durch zwei Bildschirmanzeigen wird eine dreidimensionale Darstellung möglich. In dem Datenhelm sind außerdem Sensoren eingebaut, mit deren Hilfe die Bewegungen des Kopfes und die Blickrichtung registriert werden. Anhand dieser Informationen kann eine leistungsstarke Computerworkstation die Bilder der virtuellen Welt neu berechnen, um die Richtung, in die der Anwender blickt, zu treffen und diese Bilder anzuzeigen. Der Computer berechnet diese Szenen viele Male in der Sekunde (mindestens zehnmal in der Sekunde), so dass der Anwender kein Bild empfängt, das springt und hinter der eigenen Bewegung zurückzubleiben scheint. Obwohl die Computer in ihrer Leistungsfähigkeit enorm gesteigert wurden, müssen Szenen einer virtuellen Welt bislang recht einfach gehalten werden, damit der Computer die visuellen Abbildungen schnell genug aktualisieren kann.

Anwender können Geräusche in einer virtuellen Welt durch Kopfhörer wahrnehmen, die im Datenhelm eingebaut sind. Die Informationen, die über die Sensoren im Datenhelm wahrgenommen werden, können auch zur Aktualisierung der Audiosignale verwendet werden. Wenn eine Geräuschquelle sich nicht direkt vor oder hinter dem Anwender befindet, werden die Töne das eine Ohr etwas früher oder später als das andere Ohr erreichen. Der Ton wird ebenfalls etwas lauter oder leiser und ein wenig unterschiedlich in der Tonhöhe sein. Das Gehirn vergleicht die Geräuschsignale, die an jedem Ohr ankommen und rekonstruiert aus diesen Unterschieden den Ort der Geräuschquellen im Raum. Der Computer nimmt die Positionsinformationen vom Datenhelm, um Geräusche durch die Kopfhörer zu übertragen, die von einer bestimmten Stelle im virtuellen Raum zu stammen scheinen. Genau wie bei der visuellen Bilderzeugung mussten jedoch schwer wiegende wissenschaftliche und technische Herausforderungen gelöst werden, um alle Geräusche, die in der realen Welt gehört werden können, passend zu simulieren.

Haptics (Tastsensoren) erfassen Berührungen in den Muskeln, Sehnen, Gelenken und der Haut einer Person. Die haptische Schnittstelle zu den virtuellen Welten ist die am wenigsten entwickelte und vielleicht die größte Herausforderung für die Computerforschung. Durch den Einsatz eines so genannten Datenhandschuhes kann ein Computer leicht die Hand eines Teilnehmers lokalisieren. Es gibt zahlreiche Techniken, um die Bewegungen der Finger gleichfalls zu ermitteln. Das ermöglicht dem Anwender, in eine virtuelle Welt hineinzureichen und Objekte zu behandeln, ohne sie zu spüren. Es ist besonders schwer, die Kräfte zu erzeugen, die gespürt werden, wenn eine Person gegen eine harte Oberfläche klopft, ein Objekt aufnimmt oder die Finger über Gewebe eines Stoffstückes gleiten lässt. Um diese Wahrnehmungen zu simulieren, müsste ein Satz computergesteuerter Motoren Rückkopplungskräfte erzeugen, mit denen sie tatsächlich gegen den Anwender drücken würden. Diese Motoren müssten schneller und genauer sein als die gegenwärtig verfügbaren. Ein anderes schwieriges Problem ist die Frage, wie der Anwender diese Motoren tragen soll und die Verkabelung, um sie zu steuern. Berührungswahrnehmungen müssten außerdem mit den Sichten und Geräuschen synchronisiert werden, die die Anwender in ihren Datenhelmen erfahren. Zahlreiche Firmen haben Desktop-Geräte (Tischgeräte) entwickelt, die kleine Kräfte über eine mechanische Vorrichtung ausüben und mit einem Stift (Stylus) gesteuert werden, den der Anwender in der Hand hält. Der Effekt ist vergleichbar mit dem Herumstochern in der virtuellen Welt mit Hilfe eines Bleistiftes. Die Anwender können spüren, wenn die Spitze des Stiftes ein virtuelles Objekt berührt, und sie können den Stift über die Oberfläche ziehen, um seine Beschaffenheit und seine Oberflächenstruktur zu erfassen.

Obwohl die virtuelle Realität erst kürzlich in den Blick der Öffentlichkeit kam, arbeiteten Forscher schon seit vielen Jahren an diesen Problemen. In den sechziger Jahren demonstrierten Raymond Goertz am Argonne National Laboratory und Ivan Sutherland am MIT (Massachusetts Institute for Technology) erste Versionen von Datenhelmen. Goertz und später Michael Noll von den Bell Laboratories entwickelten prototypische Rückkopplungsgeräte.

Geräte für die virtuelle Realität wurden in den letzten Jahren aufgrund von zahlreichen neuen technologischen Fortschritten enorm verbessert. Computer wurden leistungsfähiger und bekamen eine größere Speicherkapazität. Die Kosten sind geringer und die Ausmaße kleiner als in der Vergangenheit. Diese Vorteile, zusammen mit dem Erscheinen von Flüssigkristallanzeigen (LCDs: Liquid Crystal Displays), die in Datenhelmen eingesetzt werden können, eröffneten den Wissenschaftlern in vielen Labors die Entwicklung und Verwendung von VR-Simulationen. Virtuelle Realität wird derzeit dazu benutzt, experimentelle Daten zu erforschen und zu verändern.

Mit Hilfe der virtuellen Realität können z. B. Muskeldystrophie-Patienten lernen, einen Rollstuhl zu benutzen. Durch ein VR-System wäre ein noch wenig erfahrener Chirurg in der Lage, eine Operation zunächst an einem virtuellen Patienten anstelle eines realen Menschen zu planen und zu üben. Architekten können ihre Klienten auf einem virtuellen Rundgang durch ein neues Haus führen, bevor es gebaut wird. Besondere Anwendungsgebiete der virtuellen Realität sind Simulatoren für militärische Zwecke oder für die Luft- und Raumfahrt. Für den Straßenverkehr entwickelten amerikanische Forscher z. B. einen Simulator, mit dem sich das Reaktionsvermögen der Probanden testen lässt. Mit Hilfe dieses Systems bewegen sich die Fahrer auf einer virtuellen Straße, auf der unerwartet Autos einbiegen, Fußgänger kreuzen und Stoppschilder oder Bäume am Fahrbahnrand auftauchen.