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Historie von Augmented Reality Anwendungen Proseminar Augmented Reality in der Anwendung Institut f¨ ur Computervisualistik, Universit¨ at Koblenz Prof. Dr. Stefan M¨ uller Dipl.-Inform Martin Schumann Dipl.-Inform Dominik Gr¨ untjens Philipp Geitz-Manstein [email protected] 6. Juni 2011 1

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Historie von Augmented Reality Anwendungen

Proseminar Augmented Reality in der Anwendung

Institut fur Computervisualistik, Universitat KoblenzProf. Dr. Stefan Muller

Dipl.-Inform Martin SchumannDipl.-Inform Dominik Gruntjens

Philipp Geitz-Manstein

[email protected]

6. Juni 2011

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1 Einleitung

Augmented Reality, die erweiterte Reality, ist nicht erst vor wenigen Jahrenentstanden, sondern basiert auf einer langen Reihe von vielen Erfindungen. Sieermoglichen uns, diese Technik heute einzusetzen, und das nicht nur fur spezielleAnwendungen im militarischen oder wissenschaftlichen Bereich, sondern auchim Alltag. Handys, Internet, Spielkonsolen und Autos sind nur einige Beispiele,bei denen Augmented Reality zum Einsatz kommt, zur Unterhaltung oder furdie Sicherheit. Die Meilensteine der Geschichte der Entwicklung von AugmentedReality werden im Folgenden vorgestellt. Die angefuhrten Beispiele entstammennicht nur direkt aus der erweiterten Realitat, sondern auch aus den Bereichender Virtual Reality und andreren Bereichen.

2 Historie der Augmented Reality Anwendun-gen

2.1 Kybernetik

Die erste Interaktion zwischen Maschinen und Lebewesen beschrieb der ameri-kanische Mathematiker Norbert Wiener (1894 - 1964) in dem Buch

”Cybernetics

or Control and Communication in the Animal and the Machine“ im Jahr 1948.Er war der Schopfer der Kybernetik, der

”[. . . ] Wissenschaft der automatischen

Regelung und Steuerung von Vorgngen aller Art in Menschen und Maschinen“(vgl. [WWWe]).

2.2 Sensorama

Morton Heilig (1926-1997) beschreibt in seinem Aufsatz”The Cinema of the

Future“ aus dem Jahr 1955 wie das Kino mehrere Sinne des Zuschauers anregt:

”Machen Sie die Augen auf, horen Sie, riechen und schmecken Sie, fuhlen Sie

die Welt in all ihren herrlichen Farben, ihrer raumlichen Tiefe, den Tonen,Geruchen und Oberflachen - das ist das Kino der Zukunft!“[Hei92]. Im Jahr1957 baute er dann Sensorama, eine Simulation einer Motorradfahrt durch NewYork, bei der man die Abgase der Autos und zum Beispiel Pizzageruch in

”Little

Italy“ roch, den Fahrtwind in den Haaren spurte, das Vibrieren des Motorradsim Sitz und dem Lenker spurte, das Bild in 3-D sah und den Ton in Stereohorte(vgl. [WWWd] und [Ste92]). Patentiert wurde Sensorama im Jahr 1962.Es setzte sich aber nicht durch. Heilig sagte in einem Interview, dass Sensoramazu revolutionar fur diese Zeit ware (vgl. [WWWn]).

2.3 Damoklesschwert

Die erste Augmented-Reality Anwendung wurde 1966 von Ivan Sutherland ander Harvard Universitat erbaut. Es war ein Head-Mounted Display (HMD),das wegen seines hohen Gewichts an einer Vorrichtung an der Decke befestigt

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Abbildung 1: Sensorama (Quelle:[WWWg])

Abbildung 2: Damoklesschwert (Quelle:[WWWg])

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Abbildung 3: Videoplace mit CRITTER (Quelle: http://mrl.nyu.edu/

~perlin/uiimages/ - Stand: 13.04.2011)

war. Durch einen mechanischen und einem Ultraschall-Tracker wurde die Po-sition und Lage des Kopfes erkannt. In dem Gerat befanden sich halbspiege-lende Glaser (see-through Display), so dass der Benutzer seine Umgebung undein Stereobild aus einfachen Wireframes ,z. B. eines Raumes oder eines Mo-lekuls, das durch CRT Displays erzeugt wurde, zu sehen bekam (vgl. [Sut68]).

”Der Prototyp mit dem metaphorischen Namen ’Damoklesschwert’ wurde aber

aufgrund der hohen Hardwareanforderungen zur damaligen Zeit nicht in Serieproduziert.“[Tri09]

2.4 Videoplace, EyeToy, Playstation Eye und Kinect

Das im Jahr 1975 entwickelte Videoplace von Myron Krueger ermoglichte alserstes System, dass Benutzer mit virtuellen Objekten interagieren konnten (vgl.[WWWg]). Der Benutzer konnte seinen Umriss auf einem Display sehen und inEchtzeit mit verschiedenen Anwendungen interagieren. Es war z. B. moglich,mit einer kleinen Kreatur namens CRITTER zu interagieren. Diese Kreaturversuchte auszuweichen, wenn ein Benutzer sich schnell auf sie zubewegte undkletterte an dem Umriss der Person hoch bis es den Kopf erreicht hatte, trium-phierte, ließ sich dann am Arm hinuntergleiten, bis es einen Finger erreichte,und konnte dann vom Benutzer abgeschuttelt werden. Die Rechenleistung wardamals zu teuer, so dass nur ein Prototyp gebaut wurde. Krueger selbst schreibtin seinem Artikel, dass er auf die Zeit wartet, in der mehr Leute Computer unddiese dann, anderes als die Nutzer von Computern damals, die Interaktion vonMensch und Maschine in dieser Form nutzen (vgl. [KGH85]).

Im Sommer 2003 erschien die EyeToy Kamera fur die Playstation 2 in Europa.Mit ihr ist es moglich, ahnlich wie bei Videoplace, mit virtuellen Objekten zuinteragieren( vgl. [WWWf]). Das Spiel EyeToy: Play enthalt eine Sammlungvon Minispielen, bei denen man z. B. einen Ball mit dem Kopf hochhalten mussoder Ninjas, die vom Bildschirmrand zum Spieler laufen und diesen angreifen,wegschlagen muss.

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Abbildung 4: LANTIRN an einem F-16 Dusenjet (Quelle: [Zor10])

Der Nachfolger fur die EyeToy Kamera, Playsation Eye, erschien am 27.10.2007in Europa und ist fur die Playstation 3(vgl. [WWWp]). The Eye of Judgment z.B. ist ein Spiel fur dieses System. Es ist ein Kartenspiel, das mit echten Karten,auf denen sich, neben einem Bild und einem Erklaungstext, ein 2-D Barcodebefindet, gespielt wird. Die Kamera erkennt den 2-D Barcode der Karten aufdem realen Spielbrett und animiert auf dem Bildschrim eine Kreatur auf demvirtuellen Spielbrett (vgl. [WWWs]). Ein weiteres System ist Playsation Move,Sonys Antwort auf die Wii Remote Controller. Playstation Move ist ein Control-ler, der eine farbig leuchtende Kugel besitzt und einige Knopfe. Die Kugel, diedurch verschieden farbige LEDs im Inneren zum Leuchten gebracht wird, kannvon der Playstation Eye Kamera getrackt werden und so Gesten des Benutzerserkennen(vgl. [WWWq]).

Die von Microsoft fur die Xbox360 entwickelte Kinect erschien am 10.11.2010 inEuropa (vgl. [WWWj])und ist laut Guinness Buch der Rekorde der am schnell-sten verkaufte Elektronikartikel der Welt (vgl. [WWWi]). Das System bestehtu. a. aus einer einfachen Kamera, einem Infrarot-Projektor und einer Kameradie das Infrarotbild empfangt, um so die Tiefeninformation zu gewinnen (vgl.[WWWk]). Das mitgelieferte Spiel Kinect Adventures ist eine Sammlung vonMinispielen, bei dem der Benutzer einen virtuellen Avatar mit seinem Korpersteuert, um so z. B. Wasserballe in der Schwerelosigkeit sammelt(vgl. [WWWh]).

2.5 LANTIRN, Highway in the Sky und Predictor

Im Jahr 1980 begann die Firma Martin and Marietta Corp. (heute: LockheedMartin Inc.) mit der Entwicklung von LANTIRN (Low Altitude Navigationand Targeting Infrared for Night) fur die US Air Force. Sechs Jahre spaterging LANTIRN in Serienproduktion. Es ist ein System, das aus zwei Behaltern,dem Navigations- und Zielbehalter, besteht. Es wird unter Dusenjets, wie demF-15E Strike Eagle und F-16C/D Fighting Falcon angebracht. Der Navigati-ontsbehalter enthalt ein Radar und einen Infrarotsensor und ermoglicht demPiloten, bei schlechtem Wetter oder Nacht, prazise und schnelle Tieffluge durch-

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Abbildung 5: Highway in the Sky mit Predictor in einem Flugsimulator (Quelle:[Mad04])

zufuhren. Der Zielbehalter enthalt einen hochauflosenden Infrarotsensor undeinen Laser, der fur lasergesteuerter Munition und Raketen genutzt wird. Die-ser Behlater dient zum Zielerkennen, -erfassen und Angriff (vgl. [WWWm]).

”Die Daten werden uber diese Gerate an den Bordcomputer geliefert und auf

dem HUD (Anm. d. Verfassers: Head Up Display, Informationen werden auf ei-nem fest im Sichtfeld des Benutzers montierten Display oder halb spiegelndemGlas angezeigt.) Auf dem HUD werden Navigations- und Zielhilfen, aber auchNachtsichtbilder der Umgebung angezeigt“ [Zor10].

Heute ist in vielen zivilen Airlinern, wie der Boeing 737 (vgl. [WWWr]) , undBusiness-Jets ein HUD im Cockpit. Einige von diesen haben auch Systeme wieHighway in the Sky und Predictor. Bei Highway in the Sky

”[. . . ]handelt es

sich um die Darstellung eines Tunnels im Sichtfeld des Piloten, welcher den ge-planten idealen Flugpfad (insbesondere beim Landeanflug) projiziert und mitdem Landschaftsbild uberblendet. Dadurch erhalt der Pilot eine anschaulicheDarstellung des Flugwegs sowie seiner relativen Position dazu, insbesondere beiunubersichtlichem Terrain oder schlechten Sichtverhaltnissen“ [Mad04]. Predic-tor ist

”[. . . ]ein Symbol, welches die Position des Flugzeugs in 5 Sekunden

vorhersagt. Diese Vorhersage wird aus den gegenwartigen Flugdaten (Lage, Be-schleunigung) sowie den Steuereingaben des Piloten getroffen“ [Mad04].

2.6 IHADSS

Eine weitere Erfindung aus dem militarischen Bereich ist das Integrated Helmetand Display Sighting System (IHADSS), welches im Jahr 1984 fur den ApacheAH-64 Kampfhubschrauber entwickelt wurde. Nun dient ein Helm nicht mehrnur fur den Schutz vor Verletzungen und Larm, sondern auch zur Anzeige furInformationen durch ein Monokular HMD. Mit Hilfe von Infrarotsensoren, dieim Helm befestigt sind, werden die Position des Kopfes ermittelt und ein Kame-rasystem, das an der Front des Hubschraubers angebracht ist, werden dement-

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Abbildung 6: Pilot mit IHADSS und ein Apache AH-64 (Quelle: [Zor10])

Abbildung 7: KARMA aus der Sicht des Benutzers (Quelle: [FMS93])

sprechend ausgerichtet, so dass dem Piloten durch das IHADSS Nachsichtbilder,Zielerfassung und -erkennung, das Ziel der Waffen und weitere Informationen,wie Hohe und Geschwindigkeit, angezeigt, je nachdem, wo er hinschaut (vgl.[Ras88]).

HMDs werden heute auch im F-35 (Joint Strike Fighter), einem Kampflugzeugder USA, eingesetzt, wobei auf ein HUD ganz verzichtet wird (vgl. [Mad04]).

2.7 Der Begriff Augmented Reality, Tom Caudells Arbeitbei Boeing, KARMA und ARIVKA

Tom Caudell verfasste bei Boeing im Jahr 1990 ein Konzept mit dem Na-men Augmented Reality, in dem beschrieben wird, wie mit einem HMD undKopf-Tracking den Leuten in den Flugzeugfabriken von Boeing assistiert werdenkonnte. Im Jahr 1993 entwickelte Tom Caudell und sein Kollege David Mizellmit der Firma Honeywell Military Avioncs Division an einem System, das diesog. Formboards (ein Gestell, in dem ein Kabelbaum erstellt wird. Es enthalt

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unter anderem Informationen uber das Kabel, die Lange des Kabels und die zuverwendenen Stecker.) ersetzten sollte. Da ein Flugzeug sehr viele verschiedeneKabelbaume hat, mussen sehr viele verschiedene Formboards gelagert werdenund bei einem neuen Flugzeugmodell mussen die Formboards ersetzt werden.Tom Caudell und David Mizell nutzten ein leeres Formboard und AugmentedReality um einen Prototypen zu bauen. Der Arbeiter sah nun durch ein Displaywie die Kabel zu verlegen waren. Experimente zeigten, dass die Geschwindigkeitdadurch des Erstellens von Kabelbaumen um 25-50% gesteigert werden konnte.Jedoch wurde dieser Prototyp von der Industrie nicht angenommen, denn eswurde keine Gewinnsteigerung in diesem System erkannt (vgl. [Miz94]).

1993 wurde KARMA (Knowledge based Augmented Reality for Maintenace As-sistance) von Steven Feiner, Blair MacIntyre und Doree Seligmann entwickelt.Das System bestand aus einem see-through HMD, welches rote Linien und Po-lygonenzuge anzeigen konnte und einem 3-D Tracking System von Logitech, dasmit Ultraschall arbeitete. Als Testapplikation wurde eine Endbenutzeranleitungfur einen Laserdrucker entwickelt. Ein Ultraschallsender war am HMD des Be-nutzers angebracht und Empfanger befanden sich am Drucker an verschiedenenBauteilen, wie zum Beispiel dem Papierfach. Das System zeigte dem Benutzer,wie er unter anderem neues Papier nachfullen konnte, indem ihm mit durch-gezogenen Linien angezeigt wurde, wo sich das Papierfach aktuell befindet undmit gestrichelten Linien, wo es hin sollte. Bei Hebeln wurde durch einen Pfeilangezeigt, in welche Richtung sie zu drucken waren (vgl. [FMS93]).

Im Jahr 2003 wurde das Projekt ARIVKA abgeschlossen.”Ziel des Projektes

war es, Moglichkeiten der Anwendung von Augmented Reality im Bereich derProduktion und Entwicklung zu untersuchen. In der industriellen Anwendungwurden dabei folgende Applikationen untersucht:

• die Montageoptimierung von Einzel- und Kleinserien

• die Montageoptimierung von Einzel- und Kleinserien

• die Fabrik- und Hallenplanung

• die Untersttzung in der Automobilmontage mit dem Schwerpunkt der lo-gistischen Untersttzung und Kommissionierung und

• der Einsatz bei komplexen Montagen im Flugzeugbau bei Airbus und derEurofighter-Fertigung

“ [Sch07] .

2.8 NaviCam und 2-D Farbcodes

NaviCam (Navigation Camera) wurde 1995 von Jun Rekimoto und Katashi Na-gao entwickelt. Es kann als HMD oder HUD System verwendet werden. Beibeiden Varianten nimmt eine Kamera in Display-/Blickrichtung eine Aufnahme

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Abbildung 8: NaviCam (Quelle: [RN95])

auf und zeigt diese auf dem Display. Dadurch konnen 4-Bit Farbcodes, die eineGroße von 3cm in der Breite und 5 cm in der Hohe haben, in einem Abstand von30-50cm erkannt werden. Dazu wird das Bild in Scanlinies unterteilt und nachroten und blauen Bandern gesucht. Wenn sicher ist, dass ein Band gefundenwurde, wird der Abstand zwischen den Farben gecheckt und diese dann ausge-wertet. So wurde unter anderem die Active Door entwickelt. An einer Tur wirdein Farbcode angebracht. Sobald dieser erkannt wird, zeigt es dem Benutzer, obdieser Raum frei ist oder nicht. Zudem kann ein Video abgespielt werden, dasan der Stelle des Farbcodes ist und zum Beispiel den Benutzer begrußt (vgl.[RN95]).

1996 entwickelte Jun Rekimoto ein System, das 2-D Barcodes auslesen kann undals Markierungshilfe nutzt. Dabei wurde erst das Kamerabild in ein Binarbildumgewandelt, in dem dann die schwarzen Objekte analysiert wurden. Wenn einBarcode gefunden war, wurden seine Koordinaten und der Code ausgelesen (vgl.[Rek98]). 2-D Barcodes haben den Vorteil, dass sie gunstig sind und auch nachteilweiser Zerstorung immer noch verarbeitet werden konnen (vgl. [WWWc]).Diese 2-D Barcodes sind an vielen Stellen, nicht nur fur Augemented Reality,anzutreffen, da es fur iPhone und Android Apps gibt, die diese auslesen konnen,z. B. die kostenlose App Barcode Scanner fur Android (vgl. [WWWb]).

2.9 MARS und 21 CLW

Im Jahr 1997 entwickelten Steven Feiner, Blair MacIntyre, Tobias Hollerer undAnthony Webster das erste mobile Augmented Reality System (Mobile Augmen-ted Reality Systems - MARS), das im Außenbereich eingesetzt werden konnte.Der Benutzer trug ein 3-D see-through Display, an dem ein Magnetometer undein Inkliometer zur Blickrichtungserfassung angebracht sind. In der Hand hieltder Benutzer einen Handheld mit Stylus, auf dem er Eingaben machen konnte.An einem Rucksack befand sich eine GPS Antenne. Im Rucksack war der Com-puter, der die Eingaben aus dem Handheld empfing, die aktuelle Position aus

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Abbildung 9: MARS (Quelle: http://www.manifest-tech.com/society/

augmented_reality.htm - Stand:23.4.2011)

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Abbildung 10: 21 CLW (Quelle: [Zor10])

dem GPS und Blickrichtungsdaten berechnete und die Informationen auf demDisplay ausgab. Auf dem Display wurden die Namen der Gebaude des Campusder Universitat Columbia angezeigt. Dabei war die genaue Position zur Darstel-lung der Namen nicht gegeben, da sie auch nicht an einem bestimmten Punktangezeigt werden sollten. Es war auch nicht genau moglich, da es immer leich-te Ungenauigkeiten bei der Positions- und Blickrichtungsbestimmung gab (vgl.[FMHW97]).

Ein ahnliches System wurde fur US-Soldaten entwickelt. 1991 begann die Ent-wicklung des 21 CLW (21. Century Land Warrior) genannten Systems. Im Jahr1999 wurde es dann erstmals eingesetzt. Beim 21 CLW wurde der Soldat auchnoch mit seiner Waffe

”verbunden“. Uber eine Kamera und mit einem Laser

an der Waffe konnte er auch indirekt zielen (vgl. [WWWl]). Das Projekt wurde2007 nicht weiter finanziert (vgl. [WuS]). Eine abgespeckte Version des 21 CLWwurde im Irak von der Besatzung von Strykern, einem Radpanzer, eingesetzt(vgl. [WuS]).

2.10 ARToolKit

ARToolKit ist ein Open Source Augmented Reality Libary, die im Jahr 1999 vonHirokazu Kato und Mark Billinghurst bei HITLap entwickelt wurde und heutein der Version 2.27.1 verschiedene Betriebssysteme und Programmiersprachenunterstutzt (vgl. [WWWa]).

2.11 ARQuake und Nintendo 3DS

ARQuake ist das erste mobile Outdoor Augemented Reality Spiel. Es wurde imJahr 2000 von Bruce Thomas, Ben Close, John Donoghue, John Squires, Phillip

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Abbildung 11: ARQuake (Quelle: http://chopsueyblog.wordpress.com/

2008/10/23/arquake-realidad-aumentada/ - Stand: 25.04.2011)

Abbildung 12: AR beim Nintendo 3DS (Quelle: http://nhpreviews.

wordpress.com/2011/03/27/nintendo-3ds-review/attachment/251/ -Stand: 26.04.2011)

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De Bondi und Wayne Piekarski an der University of South Australia entwickelt.ARQuake ist das Spiel Quake von idSoftware ubertragen in Augmented Reality.Es lasst sich sowohl im Außenbereich als auch in Gebauden spielen. Fur denAußenbereich, entfernt von Gebauden, nutzt es GPS und einen Kompass fur dieungenaue Positionsbestimmung. Marker fur die genauere Positionsbestimmungund fur Spielobjekte, wie Munition und Waffen, wurden nahe Gebauden und inGebauden eingesetzt, da hier kein oder nur schlechter GPS-Empfang war (vgl.[Tho02]).

Heute gibt es fur verschiedene Plattformen, wie z.B. Handy und Konsole, einigeAugmented Reality Spiele. Eine besondere mobile Konsole ist der im Februarerschienene Nintendo 3DS. Er unterstutzt nicht nur ein 3D Bild ohne Brille,sondern man kann mit Hilfe der Frontkamera auch Augmented Reality Anwen-dungen spielen. Es gibt z. B. ein Zielschießen und eine Angelsimulation. Fur dasTracking werden die mitgelieferten Karten benotigt oder man lasst sich direktdas Trackingsymbol auf den Arm tatowieren ( vgl. [WWWt] und [WWWo]).

3 Fazit

Zukunftig wird Augmented Reality noch viel mehr im Alltag und in der Indu-strie eingesetzt werden. In der Industrie konnten Augmented Reality Systemedie Arbeit und Planung bei weitem vereinfachen, wie das System von TomCaudell zeigte. So wurden viel Zeit und Geld eingespart werden, was nicht zu-letzt in Zeiten der Globalisierung wichtige Faktoren sind. Der Nintendo 3DSund Kinect sind gute Beispiele in der Unterhaltungsindustrie. Die Systeme wer-den immer kleiner, schneller und besser, so dass Augmented Reality Spiele,wie z. B. ARQuake, immer besser zu realisieren sind und es auch vollig neueSpielmoglichkeiten gibt, die die klassichen Bedienelemente, wie Tastatur, Mausund Controller uberflussig machen. Die Anteile an den bestehenden Marktenwerden sich in Zukunft vergroßern. Daruber hinaus werden sicherlich von die-ser Technologie weitere Berufe erobert werden und in naher und ferner Zukunftwerden wir ohne Augemented Reality nicht mehr auskommen.

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