Augmented Reality

Was versteht man unter Augmented Reality (AR)?

Augmented Reality (AR) ist eine computergestützte Technologie, mit der die reale Umgebung um virtuelle Inhalte ergänzt wird. Man spricht daher auch von „erweiterter Realität“. Über spezielle AR-Brillen, Smartphones und Tablets werden dreidimensionale Modelle oder auch 2D-Elemente (Text, Bild, Audio/Video) als zusätzliche Informationen über der realen Welt eingeblendet. Auch eine Interaktion kann in AR mit den digitalen Inhalten erfolgen.

Picture without Perspective with XR Glasses

Die wissenschaftliche Einordnung von AR

Eine Klassifikation immersiver Technologien haben Paul Milgram und Fumio Kishino bereits 1994 in ihrer Arbeit „A taxonomy of mixed reality visual displays“ in Form des Virtualitäts-Kontinuums vorgenommen. Das Kontinuum stellt eine Skala von der realen Umwelt (Realität, links) zur virtuellen Umwelt (Virtualität, rechts) dar. Je weiter rechts man sich entlang der Skala bewegt, desto größer ist der Anteil der virtuellen Umgebung gegenüber der Realität.

Entlang des Virtualitäts-Kontinuums verorten Milgram und Kishino die Begriffe Augmented Reality (AR), Augmented Virtuality (AV), Virtual Reality (VR) und Mixed Reality (MR). Bei AR handelt es sich demnach um eine Kombination aus realer und virtueller Welt, bei der die reale Welt überwiegt. Im Gegensatz zu VR schafft AR keine neue Welt, sondern ergänzt die bestehende reale Umgebung mit digitalen Inhalten. Ein relativ neuer Begriff, der sich sowohl in der Forschung als auch in der Industrie verstärkt etabliert, ist Extended Reality (XR). XR lässt sich als Überbegriff für alle virtuellen Technologien wie Augmented und Virtual Reality verwenden.

Wie funktioniert Augmented Reality?

Augmented Reality legt digitale Informationen über eine mit der Kamera aufgenommene natürliche Umgebung. Jedes AR-System besteht dabei aus drei Komponenten: Hardware, Software-Toolkit und Software-Applikation.

1) Hardware

Die Hardware bezieht sich auf die Ausgabegeräte, durch welche die virtuellen Bilder projiziert werden. Smartphone, Tablet oder eine AR Glass sind hier die gängigsten Anzeigegeräte. Ein guter Prozessor (CPU) und Grafikverarbeitungseinheit (GPU) sind wichtig, um die digitalen AR-Inhalte performant darzustellen. Um komplexe Daten zu visualisieren, können über XR Streaming Rechen- und Grafikleistung auch auf leistungsstärkere lokale Server oder die Cloud ausgelagert werden. Welche Möglichkeiten dadurch entstehen können Sie hier sehen. Darüber hinaus benötigt die Hardware auch eine Anzahl an Sensoren, um seine Umgebung wahrzunehmen.

HoloLens 1
  • Tiefensensor: um Tiefe und Entfernungen zu messen
  • Gyroskop: Zur Erkennung des Winkels und der Position des Ausgabegeräts
  • Näherungssensor: Um zu messen, wie nah und weit etwas ist
  • Beschleunigungssensor: Zur Erkennung von Geschwindigkeits-, Bewegungs- und Rotationsänderungen
  • Lichtsensor: Zur Messung von Lichtintensität und Helligkeit

2) Toolkits

Die zweite Komponente in einem AR-System ist ein Open Source-Entwicklungskit. Beispiele dafür sind Microsofts Mixed Reality Toolkit für HoloLens sowie Googles ARCore für Android und Apples ARKit für iOS Devices. Alle drei Plattformen dienen dazu, 3D AR Fähigkeiten von Geräten zu nutzen. Sie beinhalten Methoden, um Hologramme zu platzieren und mit ihnen zu interagieren.

  • Umgebungsverständnis: Dies ermöglicht es dem AR-Gerät, markante Punkte und flache Oberflächen zu erkennen, um die Umgebung abzubilden. Auf diese Weise kann das System dann virtuelle Objekte genau auf diesen Oberflächen platzieren.
  • Bewegungsverfolgung: Damit kann das AR-Gerät seine Position relativ zu seiner Umgebung bestimmen. Virtuelle Objekte können dann an den dafür vorgesehenen Stellen im Bild platziert werden.
  • Lichtabschätzung: Dies gibt dem Gerät die Fähigkeit, die aktuellen Lichtverhältnisse der Umgebung wahrzunehmen. Virtuelle Objekte können dann in denselben Lichtverhältnissen platziert werden, um den Realismus zu erhöhen.

Toolkit Examples:

3) Applikationen

Die letzte Komponente eines AR-Systems ist die Anwendung bzw. AR App selbst. Sie besitzt die AR-Funktionen wie 3D-Objekte zu visualisieren und stellt das User Interface dafür. Erst mit dieser ist es etwa möglich an Hologrammen zu arbeiten oder auch mit mehreren Usern zu kollaborieren. Ein Beispiel dafür ist die Augmented Reality Engineering Software AR 3S.

AR 3S – The Augmented Reality Engineering Space

Mit der AR Engineering App AR 3S können Ingenieure und Industriedesigner CAD-Daten in einer Augmented-Reality-Umgebung visualisieren und gemeinsam bearbeiten. Industrielle Workflows wie Prototyping, Fabrikplanung, Qualitätskontrolle und technische Trainings werden so auf eine neue Effizienzstufe gehoben.

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Wie wird Augmented Reality eingesetzt?

Kollaboration

Bei Kollaborations-Anwendungen stehen das gemeinsame Erleben und Entwickeln im Vordergrund. AR ermöglicht hier ein unkompliziertes, schnelles und vor allem reibungsloses Erleben von 3D-Modelle in einem kollaborativen Raum. Das bedeutet, dass sämtliche Teilnehmer sich standortunabhängig – auch über größere geographische Entfernungen hinweg – zu einer virtuellen Besprechung einfinden und dabei gemeinsam mit 3D-Objekten interagieren können.

Assistance

Anwendungen im Bereich Assistance stellen Menschen zusätzliche Informationen bereit, um Aufgaben fehlerfrei erledigen zu können.  Ob die Assistance dabei aus der Maschine oder über einen remote zugeschalteten Kollegen kommt, spielt dabei erst einmal keine Rolle. Im Falle des Remote-Experten trägt beispielsweise ein Mitarbeiter eine Smartglass und ein Experte an einem anderen Ort kann sehen, was er sieht. Der Experte kann dann Anweisungen in Echtzeit an den Arbeiter vor Ort geben. In einem anderen Szenario trägt ein Mitarbeiter ein AR Smartphone und die Technologie überlagert Daten, Anweisungen oder Notizen für ihn über den realen Objekten selbst.

Learning

Im heutigen Berufsleben müssen Menschen ständig etwas Neues lernen. Augmented Reality kann Wissen, beispielsweise anhand von Schritt-für-Schritt-Informationen, intuitiv vermitteln. Und auch die Konsequenzen nicht korrekten Handelns können simuliert werden. Beim Training mit virtuellen Objekten ist der Lerntransfer groß und das Gelernte prägt sich besser ein. Mit Augmented Reality lassen sich Trainingsinhalte und Lernfreude spielerisch miteinander verbinden. Die AR Sandbox ist ein Beispiel, wie Studierende die Grundlagen der geomorphologischen Formung vermittelt bekommen.

Produktentwicklung

In Augmented Reality kann der „digitale Zwilling“ eines Produktes in allen seinen Facetten oder in Teilstücken virtuell dargestellt werden. In der Produktentwicklungsphase können Entwürfe und Prototypen so schnell evaluiert und auch mit realen Objekten überlagert werden. Im Maschinen- und Prototypenbau sowie in der Fabrikplanung helfen Design Reviews mit Augmented Reality, Entwicklungen wirtschaftlich zu realisieren.

Tracking/Navigation

Tracking ist die Bestimmung zeitlich variabler Parameter, meist der Position von Benutzern und realen Objekten. Jede Produktionsstätte besitzt zum Beispiel eine große Menge an Objekten wie Maschinen, Menschen und Werkzeuge. Augmented Reality ermöglicht es, gesammelte Positionsdaten in Echtzeit vor Ort zu visualisieren. Der Anwender bekommt auf seiner AR-Brille Navigationshinweise, Maschinendaten, Werkzeugpositionen etc. dargestellt. Maschinen und Ausrüstung können so effektiver eingesetzt sowie Mitarbeiter sicher und schnell durch Industrieumgebungen geleitet werden. Voraussetzung dafür ist die korrekte Registrierung zwischen realen und virtuellen Objekten. AR QR Codes oder ausgeklügelte Ortungsstandards wie omlox können hier als Marker verwendet bzw. mit AR-Applikationen verbunden werden.

Welche Einsatzgebiete gibt es für Augmented Reality?

Die Vielfalt an Einsatzbereichen von AR ist groß. Die zentrale Fragestellung sollte hier lauten, welche Probleme konkret mit Augmented Reality gelöst werden sollen. Ein kurzer Überblick soll zeigen, für welche Branchen die Technologie jeweils besonders interessant ist.

Warum ist Augmented Reality die Zukunft?

Im Jahr 2021 hat sich Augmented Reality bereits bei zahlreichen Unternehmen als zukunftsfähige Technologie und wichtiger Baustein ihrer Digitalisierungsstrategien etabliert. In vielen Fällen steht die Technologie aktuell an einem Punkt, an dem der Sprung von der Projektebene auf die Ebene des produktiven Einsatzes erfolgt ist oder unmittelbar erfolgen muss. Das Aufbrechen geographischer Distanzen und die Vernetzung von Menschen im Rahmen der weltweiten Digitalisierung sorgen sowohl bei Unternehmen als auch Privatpersonen für eine Veränderung der Zusammenarbeit und des Zusammenlebens.

Die Augmented Reality Industrie hat sich in den letzten Jahren als ein wesentlicher Treiber der Digitalisierung etabliert. Informationen müssen dort angezeigt werden, wo sie benötigt werden. Die Entwicklung geht dabei weg vom stationären Computer hin zum mobilen Endgerät, den Smartphones und Smart Glasses. Die Tech-Giganten wie Apple, Microsoft, Google und Facebook haben längst erkannt, dass die Zukunft des Datenkonsums in den erweiterten Realitäten liegen und so erscheinen mehr und mehr Datenbrillen für den Konsumenten. 

Das Verschmelzen von realer und digitaler Welt verändert die Art und Weise, wie wir Informationen, Daten und Inhalte konsumieren nachhaltig. Dreidimensionale Daten spielen eine zunehmend wichtigere Rolle. Weiterentwicklungen im Bereich von 5G, Cloud und Edge Computing bilden die infrastrukturelle Grundlage für das Voranschreiten von Augmented Reality über den Unternehmensbereich hinaus. Rechenleistung aus der Cloud und das Streamen großer Datenmengen ermöglichen zudem die Optimierung des Formfaktors von Datenbrillen. Bei all diesen Entwicklungen bleibt festzustellen, dass Augmented Reality ein nicht wegzudenkender Teil unserer neuen Gegenwart ist.

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Welche AR Geräte gibt es?

Der Markt für AR-Hardware wird aktuell noch von wenigen Hauptakteuren dominiert. Der

VR-Hardware-Markt mit vielen Virtual Reality Unternehmen ist grundsätzlich größer als der AR-Hardware-Markt. Augmented Reality hat aber höheres Potenzial im B2B-Unternehmensbereich. Der Trend geht dabei zu mobiler Hardware. Kabelgebundene XR-Headsets werden kabellos und Handhelds wie Smartphone und Tablet rücken in den Vordergrund.

Wichtige Kriterien für den weiteren Rollout für AR Hardware sind Industrieakzeptanz (MDM-Integration, Zertifizierung), eine Verbesserte Benutzererfahrung (Interaktion, Komfort) sowie finanzielle Tragfähigkeit. Stand März 2021 lohnt sich ein Blick auf die AR-Geräte HoloLens 2, HoloLens 2 Industrial Edition, Trimble XR 10, Magic Leap One, Nreal Light, ThinkReality A3, Vuzix M4000 und Realwear MT-1.

Wie programmiere ich AR Apps?

Welche Tools und Fähigkeiten für die Entwicklung von Augmented Reality Apps benötigt werden, ist von einer Reihe von Faktoren abhängig. So beeinflusst die Wahl der Hardware beispielsweise die Entwicklungsumgebung. Eine Gemeinsamkeit von AR Apps ist, dass sie in Game Engines erstellt werden. Die führenden Anbieter sind Unity und Unreal Engine. Einige XR Geräte unterstützen mehrere Game Engines, manche sind nur mit einer einzigen Game Engine kompatibel, weshalb auch Überlegungen in Bezug auf die Wahl der Game Engine getroffen werden müssen.

Je nach Tool müssen Entwickler unterschiedliche Programmiersprachen wie C# oder C++ beherrschen. Zudem werden Entwicklungsumgebungen wie Visual Studio verwendet. Einige Datenbrillen bieten zudem Tools und SDKs, welche die Entwicklung von Apps erleichtern, z.B. das Mixed Reality Toolkit (MRTK) von Microsoft. Software Development Kits (SDKs), Application Programming Interfaces (APIs) und Cloud Services bieten oft zusätzliche Features und können in Augmented-Reality-Applikationen eingebunden werden. Im Bereich der Entwicklung von AR Reality Apps auf Smartphones und Tablets sind die beiden großen Plattformen ARKit von Apple und ARCore von Google zu nennen. Zudem gibt es eine Reihe weiterer Plattformen wie Wikitude. Zudem gibt es webbasierte Augmented Reality Applikationen (Web AR), die über einen Browser genutzt werden können. 

Das Vorantreiben von Standards wie OpenVR oder OpenXR soll die Fragmentierung des XR Markts eindämmen und die Entwicklung vor allem über verschiedene Plattformen hinweg erleichtern. Wer ohne Programmierkenntnisse Augmented Reality Applikationen erstellen möchte, kann auf eine der zahlreichen Content-Creation-Plattformen zurückgreifen.

Was ist die AR Cloud?

Die AR Cloud ist eine persistente digitale 3D-Repräsentation der realen Welt. Als allgegenwärtige Datenplattform dient sie zum Speichern und Austauschen von Informationen und soll so gemeinsame AR-Erlebnisse durch mehrere Benutzer und Geräte ermöglichen. Die virtuellen 3D-Objekte bleiben in ihrer originalen Position platziert und stellen einen Bezug zur physischen Umgebung her. Das Verfahren, bei dem eine virtuelle Welt in die tatsächlich sichtbare Welt eingebaut wird, ist spätestens seit Pokemon Go bestens bekannt.

Technisch betrachtet, ist die AR Cloud ein maschinenlesbares Modell der Welt im Maßstab 1:1, das kontinuierlich in Echtzeit aktualisiert wird. Sie ist eine Sammlung von Milliarden maschinenlesbarer Datensätze, Point Clouds und Deskriptoren, die mit den Koordinaten der realen Welt abgeglichen sind. Ähnlich einem digitalen Zwilling der Welt sollen Informationen so abgebildet und dokumentiert werden, dass sie von AR- oder auch VR-Anwendungen für ein besseres und umfangreicheres Erlebnis verwendet werden können. Um diese Erlebnisse performant zu ermöglichen, spielt entsprechend auch das Streaming von 3D-Daten eine große Rolle. Beispiele für die Anwendung der AR Cloud könnten ortsbezogene AR-Werbeinhalte oder Informationen zu Sehenswürdigkeiten sein. Eine Initiative, die an der Realisierung dieses Konzepts arbeitet, ist die Open AR Cloud. Darüber hinaus gibt es auch geschlossene Systeme einzelner Hersteller wie PTC, 8th Wall, Niantic, Microsoft, Google, Apple und Facebook.