Quelltext der Seite Projekt 16b: Virtual-Reality-Brille

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'''Autoren:''' Herzog, Thiessen<br/>
'''Betreuer:''' Daniel Klein<br/>

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== Aufgabe ==
Dieser Artikel beschäftigt sich mit dem Bau und der Inbetriebnahme einer VR-Brille nach dem Vorbild von Durovis "Open Dive". Das "Open Dive" ist eine Kombination aus einer Halterung für Smartphones mit eingebauter Linsen-Halterung und entsprechender Software. Es ermöglicht, kabellos mit einem der unterstützten Smartphones in eine virtuelle Realität einzutauchen.

== Erwartungen an die Projektlösung ==
#Einarbeitung in die Thematik 
#Darstellung der Theorie 
#Konstruktion und Erstellung der Einzelteile
#Montage und Justage 
#Berücksichtigung kurzsichtiger Nutzer 
#Inbetriebnahme 
#Test und wissenschaftliche Dokumentation 
#Live Vorführung der Funktion anhand des Demos „Achterbahnfahrt“

Kür: Erstellung einer 3D-Simulation mit Matlab/Simulink und Echtzeitdarstellung mit der Virtual-Reality-Brille

== Einleitung ==
Dieses Projekt, welches im Rahmen der Veranstaltung "Angewandte Elektrotechnik" im WS 2018/19 stattfindet, wurde von den Master-Studierenden des Studiengangs "Business and System Engineering" Jenny Thiessen und Lena Herzog bearbeitet.

Die folgende Ausarbeitung soll aufzeigen, wie man mit einem Smartphone eine Virtual-Reality-Brille selbst anfertigen kann. Die Funktionsweise orientiert sich dabei an die der Oculus Rift, ein sogenanntes Head-Mounted Display, das von dem Unternehmen Oculus VR entwickelt wurde. Das (Smartphone-) Display zeigt demnach nebeneinander das Bild für das rechte und linke Auge, welches jeweils durch eine Kunststofflinse betrachtet und von dieser vergrößert wird. Eine Fehlsichtigkeit kann mithilfe einer passenden Brillenlinse korrigiert werden. Im Gegensatz zur Oculus Rift wird für das OpenDive kein separates Steuerkästchen und kein PC benötigt. Die OpenDive-Brille wird mit Hilfe eines 3D-Druckers hergestellt und nur noch mit einem Gummiband, zwei Plastiklinsen und etwas Schaumstoff ergänzt.

== Projekt ==


=== Projektplan ===

Unter folgendem Link ist der Projektplan zum Projekt der Erstellung einer "OpenDive" VR-Brille abzurufen.

[[Datei:Projektplan16.pdf]]

[[Bild: Projektplan16.JPG|thumb|Projektplan]]


=== Projektdurchführung ===
Zur Durchführung des Projektes wird die Vorlage der VR-Brille "OpenDive" im 3D-Drucker der Hochschule Hamm-Lippstadt gedruckt. Siehe [http://www.durovis.com/de/opendive.html Homepage von OpenDive]

[[Datei:HSHL3D.jpg|mini|3D-Drucker der Hochschule Hamm-Lippstadt]]

Die Hochschule Hamm-Lippstadt verwendet einen 3D-Drucker der Marke "Wanhao" in der Modellausführung [https://www.amazon.de/Wanhao-10933-i3Plus-Duplicator-3D-Drucker/dp/B01LX8KNV3 i3 Plus]. Dieser Drucker arbeitet mit dem Drucksystem des FFF (Fused Filament Fabrication), bei dem geschmolzener Kunststoff auf eine Trägerplatte aufgetragen wird. Der Drucker hat ein relativ großen Arbeitsraum mit den Abmessungen 200x200x180 mm und ist somit für die Produktion einer Vielzahl von verschiedenen Bauteilen geeignet. Die Dateien werden im STL Format an den Drucker gesendet und verarbeitet.
Als Druckmaterial wird PLA (Polylactide) genommen, welcher ein aus regenerativen Quellen gewonnener Kunststoff ist. Dieses Material wird schon ab Temperaturen von 60-70° weich und ist deshalb perfekt für die 3D-Drucktechnik geeignet.<ref>https://www.filamentworld.de/3d-druck-wissen/was-ist-pla/ abgerufen am 12.01.2019</ref> 


Anschließend werden die Teile ausgelöst und zusammengesetzt. Um die virtuelle Realität erleben zu können, werden zwei Linsen eingesetzt, durch welche das eingebrachte Smartphone betrachtet wird.

Um die virtuelle Realität zu erleben, müssen spezielle Apps auf dem Smartphone, welches in die Brille eingelegt wird, installiert werden. Bei der im Projekt verwendeten Software handelt es sich zum einen um die App "Roller Coaster VR", welche eine virtuelle Achterbahn simuliert, und zum anderen um die App "Cardboard Camera", mit der eigene 360° Aufnahmen produziert werden können. Beide Apps sind im Apple App Store zu finden und sind kostenlos.

Verwendet wurde bei diesem Projekt ein Apple Iphone der Baureihe 6s. Die Abmessungen des Smartphone sind wie folg: Höhe: 138,1mm, Breite: 67,0mm, Tiefe: 6,9mm. Der Bildschirm weist eine Diagonale von 4,7 Zoll auf, welches circa 11,94 cm entspricht.<ref>https://deinphone.de/iphone-6-masse abgerufen am 12.01.2019</ref> Das Iphone 6s passt perfekt in die Vorrichtung der VR-Brille.


[[Datei:HSHL360.JPG|mini|360° Aufnahme des Campus Lipppstadt]]
[[Datei:RollerCoaster.png|mini|Aufnahme aus der App "Roller Coaster VR"]]

=== Additive Manufacturing - Technologien ===

Das "Additive Manufacturing" umfasst den 3D-Druck aus einer Vielzahl von Materialien, wie Kunststoff, Metall und auch Keramik, welche günstig Bauteile drucken. Alle 3D-Druck Technologien basieren auf dem Prinzip, ein Bauteil Schicht für Schicht aufzubauen. Als populärstes Verfahren kann man die FDM Technologie (Fused Deposition Modeling) aufführen,bei der ein drahtförmiger Kunststoff durch eine beheizbare Düse gepresst und somit formbar gemacht wird. Oft wird diese Technik auch als FFF benannt. Mit ihm wird dann das Bauteil schichtweise aufgebaut, wie im untenstehenden Bild zu sehen ist.<ref>R. Lachmayer et al. (Hrsg.): 3D Druck beleuchtet, Springer Verlag, 2016, S. 19 ff</ref>

[[Datei:fdm-fused-deposition-modeling-3druck-com.jpg|mini|Schematische Darstellung FDM]]

Vorteile sind unter anderem die Möglichkeit eines werkzeuglosen Schichtaufbaus sowie eine höhere Baugeschwindigkeit.<ref>R. Lachmayer et al. (Hrsg.): 3D Druck beleuchtet, Springer Verlag, 2016, S. 5 ff</ref>

=== Begriffserklärung Virtual Reality ===

Als Virtual Reality wird eine computergenerierte Wirklichkeit mit Bild (3D) bezeichnet, welche beispielsweise über ein Head-Mounted-Display (sogenannte VR-Brille) übertragen wird.<ref>https://wirtschaftslexikon.gabler.de/definition/virtuelle-realitaet-54243/version-277293, zuletzt abgerufen am 08.01.2019.</ref> Ziel dieser visuellen Wahrnehmung ist der Effekt der Immersion, welche das Gefühl des Benutzers beschreibt, sich in einer virtuellen Umgebung zu befinden. Voraussetzung ist dabei der Grad der Übereinstimmung zwischen virtueller und realer Umgebung.<ref>M.Brill: Virtuelle Realität, Springer Verlag, 2009, S. 6</ref>

=== Funktionsweise einer Virtual-Reality-Brille ===

Für den dreidimensionalen Eindruck, der beim Betrachten einer geeigneten App mit dem Smartphone mittels der VR-Brille entsteht, sind zwei Faktoren essentiell. Zum einen das stereoskopische Sehen der menschlichen Augen und zum anderen wird in der Virtual Reality ein weites Sichtfeld ohne erkennbare Grenzen erstellt.
Das stereoskopische Sehen ist die Grundlage aller dreidimensionalen Effekte, die das menschliche Auge wahrnimmt. 
Das rechte Auge nimmt den Gegenstand mehr von der rechten Seite wahr, das linke den Gegenstand mehr von der linken Seite. Aus dieser Differenz berechnet das Gehirn dann die räumliche Beschaffenheit des Gegenstandes. Bei der VR-Brille, in der das Smartphone eingelegt wird, entstehen auf dem Smartphone-Display zwei Bilder nebeneinander, die sich nicht voneinander unterscheiden. Die stereoskopische Differenz wird durch spezielle Apps simuliert, so dass für das Gehirn ein dreidimensionaler Eindruck entsteht.
Ein wichtiger Bestandteil der smartphonegestützten VR-Brille ist die in der Brille integrierte Linse, 
denn ohne diese würde der Nutzer das Bild auf dem Smartphone nicht scharf erkennen können, da sich dieses zu nah am Auge befindet. Es ist theoretisch auch möglich, eine Fehlsichtigkeit mittels solcher Linsen in der VR-Brille auszugleichen, in dem man Linsen mit einer anderen Brechung einbaut.<ref>https://www.brillen-sehhilfen.de/vr-brillen/funktionsweise-vr-brille.php, zuletzt abgerufen am 08.01.2019.</ref>

== Ergebnis ==

Das Ergebnis des Projektes ist eine voll funktionsfähige VR-Brille, mit welcher man per Smartphone in die virtuelle Realität entschwinden kann.

== Zusammenfassung ==

Die Entwicklung von Innovationen wird in der heutigen digitalisierten Welt immer wichtiger. Besonders anhand der steigenden Nachfrage der Virtual-Reality-Brille Oculus Rift und dem vorhandenen Internetangebot an Bauanleitungen von VR-Brillen wird ersichtlich, dass ein großes Interesse für die Entwicklung dieser Technik herrscht. Ziel des vorliegenden Projekts war es deswegen, dieses Potenzial aufzuzeigen.

Ein wichtiger Faktor für eine erfolgreiche Virtual-Reality-Brille ist ein passender 3D-Drucker und die korrekten CAD-Konstruktionsdaten.

Ebenso wichtig ist die angebotene Software für Virtual Reality, um die Brille problemlos in Betrieb zu nehmen. Für diesen Zweck werden aktuell mehrere spezielle Apps im App Store angeboten, was den Gebrauch für Nutzer erleichtert. Vorteilhaft ist auch der geringe Materialaufwand. Benötigt werden nur die zwei Linsen, das Brillengestell und etwas Schaumstoff.

Insgesamt lässt sich sagen, dass die VR-Brille nach dem Vorbild von Durovis "Open Dive" eine simple und schnelle Alternative zu Oculus Rift ist, das Erleben der virtuellen Welt auch für den einfachen Nutzer möglich zu machen.

=== Lessons Learned ===

Beim erneuten Druck der "OpenDive" VR-Brille muss darauf geachtet werden, dass die gesamte Brille in ihrer Breite zunimmt. Für Brillenträger ist es nicht möglich, diese Brille auszuprobieren, da diese von der Breite her nicht in die VR-Brille passen.
Außerdem ist beim Zusammenbau der Brille auf äußerte Sorgfalt zu achten, da das Gestell der Brille sonst brechen kann. Hier wäre auch anzudenken, an besonders prekären Stellen das Material zu verstärken. Wie auf dem Bild "Schwachstelle des Brillengestells" zu erkennen ist, ist es an der Stelle, an der die Clips zur Smartphone-Halterung mit dem Brillengestell verbunden werden, zu einem Riss im Material gekommen.

[[Bild: Schwachstelle.jpg|thumb|Schwachstelle des Brillengestells]]

== Projektunterlagen ==

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Bild:3DModell.JPG|3D Modell der VR Brille
Bild:DraufsichtVRBrille.JPG|Draufsicht des Druck-Modells der VR Brille
</gallery>


<gallery>
Bild:BemaßungBrilleBild.JPG|Bemaßungen der VR Brille
Bild:BemaßungClipBild.JPG|Bemaßungen der Clips, die das Smartphone fixieren
Bild:BemaßungLinsenBild.JPG|Bemaßungen Linsen-Halterungen
</gallery>




Alle Projektunterlagen sind in SVN im Ordner "Projekt 16b" abgelegt, und können mit entsprechenden Zugriffsrechten eingesehen werden.

[https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/16b_VR-Brille/ SVN Ordner zum Projekt]

== YouTube Video ==

[https://www.youtube.com/watch?v=Bn2ISN8mreE&feature=youtu.be, Produktion der VR-Brille "OpenDive"]

== Weblinks ==

[http://www.durovis.com/de/index.html Website von Durovis]

== Literatur ==

<references/>

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