VR Headsets 2020
AR/VR Grundlagen

VR Headsets 2020

14. September 2020

Nach unserem letzten Beitrag über AR Headsets, geht es diesmal um Virtual Reality Headsets. Mit VR Headsets taucht man komplett in eine virtuelle Welt ein und sieht nichts mehr von der realen Umgebung. Die Kopfbewegungen werden verfolgt und ausgewertet, sodass man sich frei in der virtuellen Welt bewegen kann (sofern keine realen Hindernisse im Weg sind). Mittels Hand-Controller oder Handgesten-Erkennung kann man verschiedenste Aktionen setzen, z.B. ein Objekt in die Hand nehmen und verschieben.

VR-Brillen sind als Consumer-Produkte konzipiert. Das primäre Ziel ist, 3D Games in einer immersiven Umgebung zu spielen. Allerdings gibt es auch einige „ernsthafte“ Anwendungsfälle für VR Headsets: Trainings und Simulationen funktionieren ähnlich wie Spiele, nur dass eine echte Aufgabe nachgestellt wird. Im Gegensatz zu einer echten Übung entstehen keine Probleme durch Fehler und das Training lässt sich spielerisch aufwerten und einfacher koordinieren. Eine weitere Anwendung sind Design- und Planungssoftware für jegliche 3D Daten. In der Industrie können Mitarbeiter CAD-Daten von allen Seiten sehen und editieren. Für Konsumenten sind Hausplanung und Inneneinrichtung wichtige Themen.

Zunächst sehen wir uns ein paar technische Details an, die für VR Headsets wichtig sind. Anschließend werden die aktuellen VR Headsets der wichtigsten Hersteller vorgestellt.

Technische Spezifikationen

Degrees of Freedom

Die Positionierung im Raum wird über sechs Parameter definiert: drei für die Orientierung und drei für die Position. 3DoF (3 Degress of Freedom) bedeutet, dass nur die Orientierung des Headsets bestimmt wird. Die Kopfbewegungen werden erfasst, sodass das Gerät immer weiß, in welche Richtung man momentan blickt. Man kann sich aber nicht an eine andere Position bewegen. 3DoF ist ausreichend für 360°-Videos oder Anwendungen im Sitzen.

Bei 6DoF wird zusätzlich zur Orientierung auch die Position des Headsets gemessen. Bewegungen werden aufgenommen und in die virtuelle Umgebung übertragen. 6DoF ist für alle Anwendungen notwendig, bei denen man frei herumgehen kann (Roomscale VR). Bei allen aktuellen Geräten ist 6DoF der Standard. Üblicherweise ist die Bewegung auf einen kleinen Bereich eingeschränkt, einerseits durch Kabellängen und andererseits durch die Tracking-Technologie. Größere Wanderungen wären sowieso nicht zu empfehlen, da man mit einer VR Brille die realen Hindernisse nicht sehen kann.

Tracking

Outside-In Tracking bedeutet, dass ein Objekt oder eine Brille von außen aufgenommen wird und seine Position verfolgt wird. Zwei oder mehr Kameras werden außerhalb des Bereichs, in dem man sich bewegen kann, angebracht. Die Brille wird in den Kamerabildern detektiert und anhand der Position in den Bildern kann ihre 3D Position im Raum berechnet werden.

Bei Inside-Out Tracking werden die Kameras hingegen direkt an der Brille angebracht. Die Kameras nehmen daher die Umgebung rundherum auf. Die Bewegungen der Brille werden berechnet, je nachdem wie sich die Umgebung in den Kamerabildern verändert. Vereinfacht gesagt, wenn sich die Umgebung im Bild nach rechts verschiebt, hat sich die Person mit der Brille nach links bewegt. Zusätzlich werden üblicherweise Daten von anderen Sensoren, wie z.B. Bewegungssensor und Gyroskop, verwendet.

Für Inside-Out-Tracking können spezielle Marker verwendet werden, die von den Kameras sehr stabil detektiert werden. Beim Lighthouse-Tracking der HTC Vive werden z.B. Basisstationen mit Infrarot-Licht rund um den Spielbereich platziert. Inside-Out-Tracking kann auch über natürliche Merkmale erfolgen. Das heißt, ein markanter Punkt im Kamerabild wird detektiert und über mehrere Kamerabilder hinweg verfolgt. Diese Technologie wird als Markerless Inside-Out-Tracking bezeichnet und erfordert keine zusätzliche Hardware.

Tethered, wireless oder standalone?

Tethered heißt übersetzt angebunden und bedeutet, dass das Headset mit Kabeln an einen Computer angeschlossen ist. Alle Berechnungen und das Rendering passieren auf dem Computer. Das Gerät beinhaltet das Display und die Sensoren zur Positionserkennung. Der Vorteil ist, dass mehr Rechenleistung zur Verfügung steht und das Headset weniger Gewicht hat. Der Nachteil ist klarerweise, dass die Bewegungsfreiheit durch die Kabel eingeschränkt ist und der Aufbau etwas kompliziert ist. Ein wichtiger Punkt ist auch, dass für VR Anwendungen kein normaler Office-Laptop ausreicht, sondern ein Gaming-PC mit guter Grafikkarte notwendig ist.

Für die HTC Vive gibt es Wireless-Adapter, wodurch keine Kabel mehr benötigt werden. Es ist aber weiterhin ein zusätzlicher Computer notwendig. Dadurch ist mehr Bewegungsfreiheit möglich. Vor allem wenn mehrere Benutzer in einem Raum zusammenarbeiten, ist die kabellose Variante ein großer Vorteil. Eine Übertragung über WLAN ist grundsätzlich nicht so schnell und stabil wie über Kabel, aber Latenz und Bildqualität werden laut Tests dadurch nicht beeinträchtigt.

Standalone oder All-In-One Geräte benötigen keine zusätzliche Hardware. Alle Berechnungen werden direkt am VR Headset ausgeführt. Durch die geringere Rechenleistung gibt es üblicherweise ein paar Einbußen bei der Rendering-Qualität. Allerdings ist das nur bei sehr anspruchsvollen Anwendungen relevant. Der Vorteil ist, dass das Gerät überall schnell einsatzbereit ist und kein zusätzlicher Gaming-PC notwendig ist.

Aktuelle VR Headsets

HTC Vive

Von HTC gibt es verschiedenste Virtual Reality Headsets. Neben der aktuellen Cosmos-Serie werden auch noch Modelle der Serien Vive, Pro und Pro Eye angeboten. Alle Geräte müssen über Kabel oder den Wireless-Adapter an einen PC angeschlossen werden.

Ein großer Vorteil ist, dass das meiste Zubehör wie Hand-Controller, Tracking-Stationen und Wireless-Adapter für alle Modelle verwendet werden kann. Dieser modulare Ansatz wurde bei der neuen Vive Cosmos Serie noch weitergeführt. Hier ist die gesamte Faceplate, also das gesamte Front-Teil mit Kameras und Sensoren, austauschbar. So gibt es einerseits eine Variante, bei der das Inside-Out-Tracking alleine über die Kameras und Sensoren funktioniert. Andererseits gibt es auch die Elite-Version, bei der verbessertes Tracking mithilfe der bekannten Basisstationen angeboten wird. Mit dem Klappmechanismus kann man die Brille schnell hochklappen und einen Blick in die echte Realität werfen.

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HTC Vive Cosmos

Die Pro Eye Series integriert einen Eye-Tracker in die Brille. Das Eye-Tracking nimmt auf, in welche Richtung der Benutzer gerade blickt. Diese Information wird für zwei Anwendungen benutzt: Die Augenbewegungen werden auf einen virtuellen Avatar übertragen, mit dem man mit anderen Personen interagiert. Foveated Rendering benutzt die Richtung der Augen um das Rendering zu verbessern. Ähnlich wie beim menschlichen Sehen, muss nur der fokussierte Bereich hochauflösend dargestellt werden.

Oculus

Die Veröffentlichung der Oculus Quest 2 von Facebook hat hohe Wellen geschlagen. Bereits das erste Modell, Oculus Quest, konnte als Standalone-Gerät überzeugen. Der Nachfolger verbessert die technischen Spezifikationen mit einer größeren Auflösung und einer höheren Bildfrequenz. Die höhere Frequenz von 90 hz ist bei der Veröffentlichung auf Systemprogramme beschränkt, sollte aber in Zukunft allen Programmen freigeschalten werden. Das Inside-Out-Tracking funktioniert über vier Kameras und benötigt keine Basisstationen. Das Tracking-System wird auch für die Erkennung der Hand-Controller verwendet und bietet jeweils sechs Freiheitsgrade für Kopf und Hände. Interessant ist der Hand-Tracking-Modus, bei dem man Interaktionen ohne Controller ausführen kann.

Neben dem Standalone-Ansatz spricht vor allem der Preis für die Oculus Quest 2. Das Modell mit 64 GB kostet € 349 und ist damit für eine weitaus breitere Zielgruppe relevant als andere Geräte rund um die 1000-Euro-Marke. Sehr unschön ist die zwingende Anmeldung mit einem Facebook-Account, welche vor allem bei geteilter Nutzung Probleme verursachen kann. Mit Veröffentlichung der Oculus Quest 2 wurden sowohl das direkte Vorgängermodell Oculus Quest als auch das Computer-gebundene Modell Oculus Rift S eingestellt.

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Oculus Quest 2

Valve

Ursprünglich hatten Valve und HTC eine Kooperation und veröffentlichten gemeinsam die HTC Vive. Obwohl die Hersteller nun getrennte Wege gehen, gibt es bei den Geräten doch noch einige Gemeinsamkeiten. Zum Beispiel kann man mit der Valve Index die Basisstationen von HTC verwenden. Valve bewirbt das eigene Gerät hauptsächlich mit dem größeren Sichtfeld, welches um 20° größer als bei der HTC Vive ist.

Windows Mixed Reality Headsets

Windows Mixed Reality ist eine Plattform für Augmented und Virtual Reality. Ursprünglich war die Plattform nur für die Entwicklung auf der Hololens vorgesehen. Später wurde sie für Drittanbieter freigegeben und es erschienen einige VR Headsets von verschiedenen Herstellern, u.a. Dell, Lenovo, Acer und HP. Die Computer-gebundenen Modelle mit Inside-Out-Tracking sind mittlerweile in die Jahre gekommen und teilweise nicht mehr verfügbar.

Von HP wurde nun ein neues Modell HP Reverb G2 angekündigt, bei dem eng mit Microsoft und Valve zusammengearbeitet wurde. Besonders sticht die hohe Auflösung hervor, die für eine scharfe Darstellung der Inhalte sorgt.

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HP Reverb G2
Oculus Quest 2standalone1832×192072/90 hzinside-out100°€ 349,-/449,-
Oculus Rift Stethered1280×144080 hzinside-out110°€ 449,-
HTC Vive Cosmostethered‘1440×170090 hzinside-out*110°€ 799,-
HTC Vive Cosmos Elitetethered‘1440×170090 hzBasisstationen110°€ 975,-
HTC Pro Full Kittethered‘1440×160090 hzBasisstationen110°€ 1.169,-
HTC Pro Eyetethered‘1440×160090 hzBasisstationen110°€ 1.399,-
Valve Index VR Kittethered1440×1600120/144 hzBasisstationen130°€ 1.079,-
HP Reverb G2tethered2160×216090 hzinside-out114°€ 699,-
‚ Alle HTC-Geräte können mit einem Wireless Adapter um € 389,- ausgestattet werden.
* Optional mit Basisstationen erweiterbar

VR Headsets mit Smartphones

Mit Google Cardboard und später Google Daydream konnte man das Smartphone in eine VR Brille umwandeln. In der einfachsten Variante wurde das Smartphone in eine Karton-Halterung mit zwei Linsen geschoben. Samsung Gear VR und Google Daydream hatten hochwertigere Halterungen sowie zusätzliche Sensoren. Bei allen Geräten wurde nur 3DoF-Tracking angeboten.

Aufgrund der sinkenden Nachfrage wurden sowohl Google Daydream als auch Gear VR 2019 eingestellt. Nach anfänglichen Marketing-Gadgets haben sich für mobile VR Headsets offensichtlich keine sinnvollen Anwendungen ergeben.

Fazit

Im Bereich Virtual Reality gibt es eine große Anzahl von verschiedenen Geräten. Momentan sind die meisten Geräte noch auf den Anschluss an einen Gaming-PC angewiesen. Für professionelle Anwendungen abseits von Computerspielen wären mehr Standalone-Geräte wünschenswert. Gerade für Präsentationen bei Kunden oder auf Veranstaltungen ist ein schneller und wichtiger Aufbau wichtig. Dagegen ist es für Anwendungen abseits von Spielen nicht immer notwendig, dass Sichtfeld, Auflösung und Bildfrequenz die absoluten Top-Werte haben. Benutzer, die keine oder wenig Erfahrung mit Virtual Reality haben, werden den Unterschied wahrscheinlich nicht merken.

P.S.: Über die Verwendung von Virtual Reality Brillen habe ich u.a. in diesen Artikeln geschrieben:

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