3D interaktives Baukastensystem unter Verwendung von Augmented Reality Techniken

Studienarbeit von Björn Schwerdtfeger

Einführung:

Erfahrungen mit Virtual Reality Benutzerschnittstellen haben heutzutage die meisten schon einmal gemacht. Der Benutzer wird dabei weitgehend von seiner natürlichen Umgebung isoliert, um in eine künstliche Welt einzutauchen. Je wirklicher ihm diese erscheint, desto besser. Im Gegensatz dazu versucht Augmented Reality den Benutzer nicht aus seiner Umgebung zu entführen, sondern ihn dort zu belassen. Sein Umfeld wird lediglich durch virtuelle Elemente ergänzt. Ihm soll der Eindruck vermittelt werden, als befänden sich die virtuellen Objekte tatsächlich in seiner realen Umgebung. Technisch kann dieses durch eine Videomischung geschehen. Dabei wird ein Video des realen Blickfelds mit virtuellen Elementen überlagert.

Das ARToolKit ermöglicht die Erstellung solcher Augmented Reality Benutzerschnittstellen. Eine Kombination mit der Szenegraph Bibliothek OpenSG fand im Rahmen dieser Studienarbeit statt. Mit dem so entstandenen leistungsfähigen Augmented Reality Framework wurde ein 3D interaktives Augmented Reality Baukastensystem entwickelt. Ausgestattet mit einer Augmented Reality Ausrüstung kann ein Benutzer mit virtuellen Bauklötzen in der realen Welt "spielen".

Augmented Reality

Die Augmented Reality (= Erweiterte Realität) versucht die Sicht des Benutzers auf die reale Welt um virtuelle Element zu erweitern. Eine weit verbreitete Technik dieses zu realisieren ist es, den Benutzer seine Umgebung durch eine Videobrille wahrnehmen zu lassen. Er sieht dann eine Kombination aus dem Videobild seiner Umgebung mit einer 3 dimensionalen Computergraphik. Für die Erstellung dieses Augmented Reality Videos sind folgende Schritte notwendig:

Aufnahme eines Videobildes der realen Umgebung
Ermittlung der relativen Transformation zwischen der realen Kamera und einem realen Ort (hier Tischplatte) im Raum (=>ARToolKit)
Anwendung der realen Transformation auf das virtuelle Objekt (hier Teekanne)
Berechnung des virtuellen Objekts mit der Perspektive der realen Kamera
Überlagerung des Umgebungsvideos mit dem virtuellen Objekt zu einem Augmented Reality Video

ARToolKit

Das ARToolKit ermöglicht die Erkennung von visuellen Markern aus einem Videobild. Mit dem Wissen über Größe, Form und Symbolik des Markers kann das ARToolKit die relative Transformation zwischen Kamera und Marker ermitteln. Mit diesen Informationen kann dann die Augmented Reality Anwendung erstellt werden.

OpenSG

OpenSG ist ein portables Szenengraphsystem zur Erstellung von Echtzeit-Graphikprogrammen.

Open Source (LGPL), verschiedenen Plattformen, basiert auf OpenGL
High Level Graphik API, aktive Weiterentwicklung gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung

Kombination

Um eine leistungsfähigen Augmented Reality Framework zu gestallten, wurde das ARToolKit mit dem OpenSG Szenengraphsystem kombiniert:

Initialisierung der Kamera: Die wesentlichen Parameter (Brennweite,..) der Videokamera werden an die Projektionsmatrix der virtuellen Kamera (OpenSG) übergeben.
Transformation des virtuellen Objektes: Die Transformationsmatrix (vom ARToolKit geliefert), die die Distanz und Orientierung zwischen Kamera und Marker beschreibt, muss auf das virtuelle Objekt angewandt werden.
Anzeigen des Videos: Das ursprüngliche Videobild der Umgebung wird als Hintergrund der erzeugten Szene benutzt