Augmented Reality, Virtual Reality, Mixed Reality – die feinen Unterschiede

Wissenschaft, Industrie und Medien verwenden eine Vielzahl an Begriffen für Entwicklungen und Technologien, die unsere Realität erweitern. Nicht bei allen Begriffen herrscht Einigkeit und Konsistenz über ihre Verwendung und immer wieder werden neue Bezeichnungen hinzugefügt. Wenn man sich eingehender mit dem Thema beschäftigt trifft man nicht nur auf Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR), sondern auch auf Mixed Reality (MR), Augmented Virtuality, Extended Reality oder auf Cross Reality. Im Diskurs um die Thematik führt dies nicht selten zu Verwechslung und Verwirrung.

Über viele Realitäten

Unter Virtual Reality können sich inzwischen viele etwas vorstellen. Ebenso unter Augmented Reality. Doch wo der genaue Unterschied zwischen VR und AR liegt, ist nur wenigen klar. Dank mobiler AR Apps und Head-mounted Displays (HMD), die sich immer größerer Beliebtheit erfreuen, bekommt man vielleicht eine ungefähre Idee davon, worin sich VR und AR unterscheiden. Liest man dann aber plötzlich von Mixed Reality, kommt man spätestens an diesem Punkt nicht mehr um eine Internetrecherche herum. Stolpert man dabei auch noch über die Begriffe Augmented Virtuality und Extented Reality ist die Verwirrung komplett. Auf der IEEE VR Fachkonferenz in Reutlingen wurde besonders deutlich, dass vor allem Wissenschaft und Wirtschaft die gleichen Begriffe für ganz Unterschiedliches verwenden, was bei der Fülle an Fachausdrücken noch als zusätzlicher Störfaktor hinzukommt. Deshalb soll an dieser Stelle geklärt werden, wie sich die Fachbegriffe im Detail differenzieren und der Frage nachgegangen werden, ob so viele Begriffe überhaupt nötig sind.

Augmented Reality (AR)

Frei übersetzt bedeutet Augmented Reality erweiterte oder angereicherte Realität, was das Kernthema schon deutlich hervorhebt: unsere Realität wird angereichert. Wir nehmen unser reales Umfeld weiterhin wahr, aber virtuelle Objekte werden darübergelegt oder visuell integriert [1]. Ausschlaggebend ist hierbei auch, dass die interne Verarbeitung der Daten und die Darstellung der virtuellen Inhalte so schnell ablaufen, dass es sich für den Benutzer anfühlt als gäbe es keinerlei zeitliche Verzögerung. So entsteht eine Echtzeit-Interaktion mit der AR-Software. Die Darstellungsmöglichkeiten von AR sind sehr vielseitig. Der Nutzer muss lediglich in der Lage sein seine Umgebung weiterhin sehen zu können, entweder durch einen transparenten Bildschirm (optical-seethrough) oder einen undurchsichtigen Bildschirm, der das Kamerabild der Blickrichtung anzeigt (video-seethrough) [1].

Die optical-seethrough Variante wird häufig mit Datenbrillen umgesetzt, wobei eine kleine Bildfläche direkt vor dem Auge platziert wird. Bekannte Geräte sind hier die HoloLens von Microsoft oder die Epson MOVERIO BT-300. Beide diese Datenbrillen sind Vertreter der binokularen Geräte und haben vor jedem Auge ein Display. Für AR-Anwendungen kommen aber auch monokulare Versionen zum Einsatz, die nur für ein Auge AR-Inhalte bieten. Monokulare Brillen, beispielsweise Google Glasses, werden auch als Peripheral Head-Mounted Displays bezeichnet, da sich die Anzeige eher in der Peripherie des Sichtfeldes befindet.

Größere Aufbauten kommen zum Beispiel in Fahrzeugen oder an Schutzscheiben von Roboterzellen vor. Seit Mitte der 2000er gibt es bereits integrierte Head-up-Displays (HUD) für die Windschutzscheibe von Kraftfahrzeugen. Bisher zeigen die Head-up-Displays dem Fahrer vor allem Geschwindigkeit und Navigation an. Neuere wissenschaftliche Arbeiten testen HUDs aber bereits im Auto für Sicherheitsfunktionen wie die Kollisionswarnung mit Fußgängern [2].

Am weitesten verbreitet sind bisher Video-seethrough-Geräte, denn dazu zählen auch mobile Endgeräte wie Smartphone und Tablet. Wenn auf ihnen das Kamerabild angezeigt wird, können gleichzeitig 3D-Inhalte darübergelegt werden. Als im Juli 2016 das AR-Spiel Pokémon GO veröffentlicht wurde, das bereits wenige Tage nach Erstveröffentlichung insgesamt 3,8% der deutschen Android-Nutzer auf ihren Smartphones installiert hatten [3], sind die Google-Suchanfragen zu Augmented Reality stark angestiegen und erreichten einen Höhepunkt [4]. Ein ähnlicher Trend war zu beobachten als Apple im September 2017 das mobile Betriebssystem iOS 11 mit einer neuen „ARKit“ API veröffentlichte, welche es Entwicklern ermöglichte für bestimmte Geräte AR Funktionen zu implementieren. Google veröffentlichte schon einen Monat vor Apple eine ähnliche API namens „ARCore“ [5]. Damit kam der Wettstreit um die Vorherrschaft im mobilen AR Markt zwischen Google und Apple richtig in Fahrt. Betrachtet man Prognosen [6] über den zukünftigen Umsatz mit Augmented Reality Produkten, wird schnell ersichtlich, dass das Interesse in Zukunft immer weiter ansteigen wird. Dennoch kann das Interesse an AR nicht mit der Beliebtheit von Virtual Reality mithalten, denn VR-Brillen werden immer erschwinglicher und sind besonders in der Unterhaltungsbranche beliebt.

Virtual Reality (VR)

Virtuelle Realitäten werden auch gerne als „Virtual Environment“ oder „virtuelle Umgebung“ bezeichnet. In der Virtual Reality ist die Umgebung, die man wahrnimmt ausschließlich virtuell erzeugt. Der Benutzer wird von seiner echten Umgebung abgeschottet und sieht nur noch computergenerierte Inhalte. Häufig werden virtuelle Umgebungen mit Head-Mounted-Displays betrachtet. HMDs sind geschlossene Brillen, die dem Träger ein stereoskopisches Bild zeigen. Mithilfe von eingebauten und externen Sensoren werden die Kopfbewegungen des Trägers in die VR übertragen und er kann sich dadurch ganz natürlich in dieser virtuellen Welt umschauen.

Das Gefühl in diese Welt einzutauchen und ein Teil von ihr zu sein wird Immersiongenannt. Immersion spielt eine große Rolle bei der Glaubwürdigkeit und der Präsenz in einer virtuellen Umgebung. Bei der ersten Entwicklerversion der Oculus Rift war die Immersion schon so hoch, dass Höhen oder Abgründe schnell für Unbehagen sorgen konnten. Üblicherweise sind VR-Brillen an einen rechenstarken Computer angeschlossen, der die virtuellen Bilder erzeugt und auf dem Display des HMD anzeigt. Es gibt jedoch auch mobile Aufbauten, die Smartphones durch spezielle Halterungen zu einem HMD umfunktionieren (z.B. GearVR [7] von Samsung). Die Leistung eines Smartphones ist jedoch begrenzt und auch die Akkulaufzeit schränkt das VR-Erlebnis ein. Ein echtes kabelungebundenes HMD ist vor Kurzem von Facebook veröffentlicht worden. Die Oculus Go besteht nur aus VR-Brille, einem Controller und verspricht kabelungebundenen VR-Spaß von bis zu 2,5 Stunden. Dieses HMD ist das mit Abstand günstigste Gerät bisher, aber bringt durch das reduzierte Setup immer noch Einschränkungen mit sich. So kann man sich mit der Brille zwar wie gewohnt umsehen, Bewegungen wie Beugen oder zur Seite lehnen erkennt sie aber leider nicht.

Wer jedoch die Features der großen HMDs nutzen möchte und lediglich das störende Kabel loswerden will, kann sich auf die nächste Vive von HTC freuen. Bei HTCs zweiter VR-Brille, die Vive Pro [8], bleibt die Abhängigkeit zu einem leistungsstarken Rechner bestehen und auch die externen Sensoren zur Positionsbestimmung können eingesetzt werden. Die VR-Brille muss lediglich über ein Funksignal mit dem Computer verbunden sein, welches mit einem speziell für die Vive Pro erhältlichen Wireless-Adapter umgesetzt wird.

Es lässt sich also grob zusammenfassen, dass in der AR der Anteil an virtuellen Inhalten geringer ist und somit immer noch Teile der realen Umgebung sichtbar sind. In der VR werden hingegen ausschließlich künstliche Umgebungen dargestellt. Doch was verbirgt sich nun hinter dem Begriff Mixed Reality?

Mixed Reality (MR)

Professor Paul Milgram von der Universität Toronto betrachtet die virtuelle und reale Umgebung (Real Environment = RE) als zwei feste Größen [9].

Nichts ist realer als die Realität und nichts künstlicher als die Virtualität.

Doch zwischen diesen beiden Extrema befinden sich Abstufungen in denen Realität und Virtualität vermischt werden können, wie zum Beispiel bei der bereits erwähnten Augmented Reality. AR ist somit eine Stufe auf seinem Reality-Virtuality-Kontinuum, das von Professor Milgram und seinen Kollegen geprägt wurde. Diese Stufen der Vermischung zwischen Realität und Virtualität bezeichnen sie deshalb als Mixed Reality. Alle Stufen auf diesem Kontinuum unterscheiden sich somit mit ihrem Anteil an Realität und Virtualität. AR-Anwendungen siedeln sich eher am Bereich der Realität an, die mit wenigen virtuellen Inhalten erweitert wird. Anwendungen die überwiegend virtuelle Inhalte zeigen und nur Ausschnitte der Realität beinhalten, wird als Augmented Virtuality bezeichnet.

Das ist allerdings nur die wissenschaftliche Definition von Mixed Reality. In der Industrie wird der Begriff sehr wörtlich genommen und beschreibt meistens eine räumliche Vermischung der Realitäten. Befindet sich beispielsweise ein virtuelles Objekt räumlich gesehen hinter einem echten Gegenstand, dann wird es auch von diesem optisch verdeckt. Um eine optische Verdeckung zu erzielen wird das virtuelle Objekt praktisch an der betreffenden Stelle ausgeschnitten. Dies setzt voraus, dass das Endgerät, auf dem die Anwendung läuft, auch Kenntnis über den Raum besitzt. Das Gerät muss also ein räumliches Tracking beherrschen und seine Umgebung scannen können. Ein Gerät, das diese Funktion besitzt ist die Microsoft HoloLens mit ihrem Spatial Mapping und Inside-Out Tracking. Prinzipiell kann diese Art der Umsetzung als Mixed Reality bezeichnet werden, allerdings betrachtet die Wirtschaft sie aktuell als eigenständige Form auf dem Reality-Virtuality-Kontinuum und vergleicht sie direkt mit VR und AR. Wenn es nach wissenschaftlichen Definitionen gehen würde, müsste diese konkrete MR-Ausprägung eine eigene Dimension auf dem R-V-Kontinuum darstellen und beispielsweise als Spatial Augmented Reality oder räumliche AR bezeichnet werden.

Augmented Virtuality

Innerhalb des R-V-Kontinuums gibt es viele weitere Ausprägungsmöglichkeiten. Die Augmented Virtuality ist ebenfalls eine Form der Mixed Reality und kommt unter anderem für immersive VR-Spiele auf HMDs zum Einsatz, die Elemente aus der realen Umgebung in die virtuelle einbinden. Das können die eigenen Hände sein mit denen der Benutzer in der VR interagieren kann, oder aber ein Videostream eines Gesprächspartners. Eine Gruppe an Wissenschaftlern arbeitet aktuell an einem Projekt namens SpaceWars [10]. Für SpaceWars wird der komplette Körper des Spielers in Echtzeit aufgenommen und als Avatar in die virtuelle Welt des Spiels eingesetzt. Der Körper des Spielers kann also von anderen gesehen werden und dient dabei auch als Eingabegerät. Der Spieler steuert sein Fahrzeug mit Körperhaltung und Gesten und interagiert auf natürliche Weise mit seiner Umgebung.

Extended Reality, Cross Reality, X Reality oder XR?

Ein Sammelbegriff, der Mixed Reality nach dem Verständnis von Professor Milgram um die reine VR erweitert, ist der Begriff der Extended Reality.
In wissenschaftlichen Arbeiten wird Extended Reality jedoch kaum erwähnt. Die Bezeichnung wird hauptsächlich in fachbezogenen Blogs und von Firmen verwendet um alle möglichen Realitäts-Formen abzudecken. Extended Reality wird häufig mit XR abgekürzt, wobei das „X“ für „eXtended“ steht. Außerdem kann das X auch als Variable für Augmented, Virtual, Mixed oder etwas ganz Neues stehen. Gleichzeitig ist XR allerdings auch die Abkürzung für Cross Reality bzw. X Reality, die wiederum anders und etwas konkreter definiert ist. Cross Reality lässt ebenfalls ein breites Spektrum zu und umfasst mehr als nur AR oder Augmented Virtuality. Es gibt zum heutigen Zeitpunkt keinen bemerkenswerten Unterschied zwischen den Bezeichnungen Cross Reality und Extended Reality. Cross Reality schließt lediglich die Verwendung verschiedenster Hardware und Software mit ein und hat das Ziel plattform- und realitätsübergreifend zu sein.

Um mehr Einheitlichkeit innerhalb der Fachwelt zu erreichen hat die Khronos™ Group ein Projekt ins Leben gerufen, das es Entwicklern in Zukunft einfacher machen soll die verschiedenen Technologien und Endgeräte unter einen Hut zu bekommen. Die Organisation, die bereits einige bekannte Standards hervorbegracht hat, wie OpenGL und WebGL, entwickelt in ihrer Arbeitsgruppe OpenXR™ einen plattformübergeifenden (cross-platform) Standard für VR und AR Applikationen. Entwickler sind dadurch nicht mehr gezwungen für jedes Endgerät ein eigenes Projekt zu bearbeiten und sind frei in ihrer Wahl der Geräte und Entwicklungsumgebungen [11]. Die Projektgruppe Khronos Group legt dabei großen Wert darauf, dass ihre Bezeichnung „XR“ nicht mit Extended Reality, Cross oder X Reality verwechselt wird. Khronos‘ „X“ ist nämlich eine Kombination, die aus dem V von Virtual und dem A von Augmented zusammengesetzt wurde [12]. OpenXR™ hat also das Potential Technologien und Hardware zu kombinieren und die Grenzen der verschiedenen Realitäten verschwimmen zu lassen.

Noch herrscht Uneinigkeit

Bei genauerer Auseinandersetzung mit dem Thema VR oder AR wird also deutlich, dass man sich nicht auf vermeintlich festgelegte Begriffe und Abkürzungen verlassen sollte. MR ist nicht gleich MR und XR nicht gleich XR oder XR. Sie enthalten im Kern zwar alle dieselbe Grundaussage, unterscheiden sich aber im Detail und können Missverständnisse hervorrufen. Einheitliche Fachbegriffe haben den entscheidenden Vorteil, dass jeder sofort weiß über was gesprochen wird und wonach man bei Recherchen suchen muss. Spricht man von VR, so erübrigt sich eine lange Erklärung häufig und man kann anhand dieses Begriffes leichter Abwandlungen dieser beschrieben. Eine gewisse Einigkeit über Fachbegriffe ist daher durchaus hilfreich.

Da Software und Technologie stetig weiterentwickelt werden, kommen aber auch immer wieder neue Formen der Virtualität hinzu, die schließlich erklärt und benannt werden müssen. Den Entwicklern sollten hierbei keine Grenzen gesetzt werden, so lange die angesprochenen Zielgruppen verstehen worum es geht. Gerade die Begriffe Virtual Realityund Augmented Reality sind zu trendigen Buzzwörtern geworden um Aufmerksamkeit zu generieren. Immer öfter werden deshalb auch Entwicklungen damit beschrieben, die kaum virtuelle oder erweiternde Elemente bieten. Wer jedoch möchte, dass die Technologie wirklich verstanden wird, sollte das entsprechende Fachvokabular nicht für Werbezwecke missbrauchen, sondern die tatsächliche Bedeutung vermitteln.

 

Quellenverzeichnis

[1] R. Azuma: A Survey of Augmented Reality, In Presence: Teleoperators and Virtual Environments 6, 4 (August 1997), 355-385. URL: http://www.ronaldazuma.com/papers/ARpresence.pdf (Stand: 15.05.2018)

[2] H. Kim, J. L. Gabbard, A. M. Anon and T. Misu: Driver Behavior and Performance with Augmented Reality Pedestrian Collision Warning: An Outdoor User Study, in IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 24, no. 4, pp. 1515-1524, April 2018. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8302393/ (Stand: 15.05.2018)

[3] SimilarWeb: Pokémon GO Update and Data on Worldwide Installs, (Juli 2016), in Statista, URL: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/609245/umfrage/installation-von-pokemon-go-unter-android-nutzern-in-ausgewaehlten-laendern/ (Stand: 15.05.2018)

[4] Google Trends: Thema – Erweiterte Realität, URL: https://trends.google.com/trends/explore?date=all&q=%2Fm%2F0lqtr (Stand: 15.05.2018)

[5] GitHub, Inc.; Google AR Releases (Stand: 15.05.2018): https://github.com/google-ar/arcore-android-sdk/releases

[6] M. Brandt: Rosige Zukunft für erweiterte Realität, Statista (April 2017), URL: https://de.statista.com/infografik/9006/marktentwicklung-von-augmented-und-virtual-reality/ (Stand: 15.05.2018)

[7] Samsung; GearVR: http://www.samsung.com/global/galaxy/gear-vr/ (Stand: 15.05.2018)

[8] HTC; Vive Pro: https://www.vive.com/de/product/vive-pro/ (Stand: 15.05.2018)

[9] P. Milgram; H. Takemura; A. Utsumi; F. Kishino: Augmented Reality: A class of displays on the reality-virtuality continuum; SPIE Vol. 2351, Telemanipulator and Telepresence Technologies (1994), 282-292. URL: http://etclab.mie.utoronto.ca/publication/1994/Milgram_Takemura_SPIE1994.pdf (Stand: 15.05.2018)

[10] A. Karakottas; A. Papachristou; A. Doumanoglou; N. Zioulis; D. Zarpalas; P. Daras: Augmented VR – SpaceWars, URL: https://youtu.be/7O_TrhtmP5Q (Stand: 15.05.2018)

[11] The Khronos™ Group Inc.: OpenXR; URL: https://www.khronos.org/openxr (Stand: 15.05.2018)

[12] M. Blumberg: How the term XR was coined […], Silicon Valley Global News, URL: https://medium.com/silicon-valley-global-news/how-the-term-xr-was-coined-its-so-funny-hint-it-does-not-mean-extended-reality-4e7fff539676 (Stand: 15.05.2018)

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