Projekt 16b: Virtual-Reality-Brille

Autoren: Herzog, Thiessen
Betreuer: Daniel Klein

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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

1. Einarbeitung in die Thematik
2. Darstellung der Theorie
3. Konstruktion und Erstellung der Einzelteile
4. Montage und Justage
5. Berücksichtigung kurzsichtiger Nutzer
6. Inbetriebnahme
7. Test und wissenschaftliche Dokumentation
8. 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

Projektdurchführung

Zur Durchführung des Projektes wird die Vorlage der VR-Brille "OpenDive" im 3D-Drucker der Hochschule Hamm-Lippstadt gedruckt. Siehe Homepage von OpenDive

3D-Drucker der Hochschule Hamm-Lippstadt

Die Hochschule Hamm-Lippstadt verwendet einen 3D-Drucker der Marke "Wanhao" in der Modellausführung 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.

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 diesem Projekt handelt es sich hierbei um die Apps "Roller Coaster VR", welche eine virtuelle Achterbahn simuliert, und 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.

360° Aufnahme des Campus Lipppstadt

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.

Schematische Darstellung FDM

Vorteile sind unter anderem die Möglichkeit eines werkzeuglosen Schichtaufbaus sowie eine höhere Baugeschwindigkeit.

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. 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.

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.

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 Innvoation werden 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.

Literatur

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