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Das "Tracking" bezeichnet die Bestimmung der Position und Orientierung des Benutzers im Raum. Erst durch die präzise Erfassung der Kopfposition, in manchen Fällen auch der Position und Orientierung von anderen Eingabegeräten, kann ein VR-system bei den Aktionen und Bewegungen des Benutzers rechtzeitig mittels den Ausgabegeräten reagieren. Je schneller dieser Reaktion sein wird desto  höher wird der Grad der Immersion und der Benutzer bettet sich völlig in der virtuellen Umgebung.  Eine Ausnahme bilden hier Grossbildprojektoren-Systeme, die für viele Zuschauer ausgelegt sind (Powerwall, Curved Screen,), da es bei diesen wichtiger ist, allen Beteiligten eine einheitliche Sicht auf die Szene zu bieten. [LERE03]

Es gibt eine Reihe von Technologien für Tracking Systeme. Bis auf Ausnahmen ist es mit allen Tracking Systemen möglich, für das getrackte Objekt sowohl die Position, als auch die Orientierung, d.h. drei kartesische Koordinaten zur Positionsangabe sowie drei Elementar- drehungswinkel zur Richtungsangabe zu erhalten. Dies ermöglicht also pro getracktem Objekt Eingabe in sechs Freiheitsgraden. [LERE03]

Elektromagnetische Sensoren

Dies ist die am weitesten verbreitete Technologie. Diese basieren auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Ein fest montierter Sender generiert ein elektromagnetisches Feld, welches in den Empfängern (den Trackern) zur Induktion eines messbaren Stroms führt (s. Bild 1). Sowohl Sender als auch Empfänger haben hierzu eine Anordnung von je drei Spulen orthogonal zueinander, die der Reihe nach aktiviert bzw. gemessen werden. Durch eine Reihe von Messungen und Berechnungen lassen sich hieraus Position und Richtung jedes Empfängers relativ zum Sender berechnen. Vorteile sind geringe Kosten, ein relativ großes Erfassungsfeld und keine Probleme durch Verdeckung der Empfangslinie, jedoch lassen Meßverzögerung und Genauigkeit zu wünschen übrig, insbesondere durch Ungleichmäßigkeiten im elektromagnetischen Feld, was durch metallische Gegenstände in der Umgebung bewirkt werden kann. Gängige Fabrikate sind Polhemus Fastrak, und Ascension Flock of Birds und MotionStar. Ein Fastrak-System z.B. läuft mit bis zu vier Trackern, und kann auch auf acht oder mehr erweitert werden. Die Tracker lassen sich leicht an Gegenständen wie z.B. einer Shutter-Brille befestigen. [LERE03]

Bild 1: Elektromagnetischer Tracker
Quelle: www.wa2.de.bosch.com/vm/vm1/dipl_prakt/knau

Mechanische Sensoren

Ivan Sutherland konstruierte in den 60er Jahren das erste mechanische Trackingsystem, das er für seine Urversion des HMD benutzte. Die Grundmethode ist auch in den heutigen Systemen noch dieselbe  es handelt sich stets um ein Gestänge aus mehreren Gliedern und Gelenken, das an einer festen Unterlage montiert ist, und an dessen anderem Ende sich der Tracker befindet (s. Bild 2). Über optische Meßgeräte werden die Winkel der einzelnen Gelenke gemessen, woraus durch einfache Berechnungen die Trackerposition folgt. Vorteile mechanischer Sensoren sind die hohe Genauigkeit und die minimale Verzögerung. Mechanische Sensoren sind z.B. in den Produkten BOOM und Phantom in verwendung. [LERE03]

Bild 2: Mechanischer Tracker
Quelle: www.wa2.de.bosch.com/vm/vm1/dipl_prakt/knau

Optische Sensoren

Der Oberbegriff  optisches Tracking beinhaltet  eine ganze Reihe völlig unterschiedlicher Messverfahren:

  • Aktive Trackingverfahren

Am  Objekt  sind  Infrarot-Dioden  angebracht,  die  von  einem Empfänger,  der  meist  an  der  Decke  angebracht  ist,  erfasst werden. Eine  am  verfolgten  Objekt  fixierte  Videokamera  registriert mehrere  hundert,  gleichmäßig  an  der  Decke  angebrachte Leuchtdioden,  die  zur  besseren  Erkennbarkeit  in  regelmäßigen Abständen aufblitzen [KNBO03]

  • Passive Trackingverfahren

Reflektierende Markierungen auf dem Objekt werden  von Kameras erfasst und über Bilderkennungsalgorithmen in Position und  Ausrichtung  des  verfolgten  Objekts  umgesetzt.  Systeme dieser Art laufen unter dem Oberbegriff  „Optical Radar“ Markierungen auf Blättern in Form von Figuren oder Buchstaben, umschlossen  von  einem schwarzen, quadratischen Rahmen, werden von Kameras  erfasst. Über  Bilderkennungs-algorithmen  werden  auf  diese  Marker  in  Abhängigkeit  von  Entfernung,  Orientierung  und  Inhalt  bestimmte  virtuelle  Elementeeingeblendet. [KNBO03]

Bilderkennungssysteme  verfolgen  anhand  charakteristischer optischer Merkmale Position und Ausrichtung eines mit Kameras  aufgenommenen  Objekts.  Dieses  Verfahren  ist  komplett unabhängig  von Markern  und  kann  deswegen  universell  eingesetzt  werden.  Die  Software,  die  dieses  Verfahren  umsetzt, ist  aber  noch  zu  langsam  und  zu  ungenau,  um  als  Trackingsystem eingesetzt zu werden. [KNBO03]

Während  aktive  Trackingverfahren  wegen  des  hohen  technischen Aufwands nur  in  besonderen  Fällen  in  Betracht  kommen,  bei  denen  zum Beispiel  ein  großer  Aktionsradius  gefragt  ist,  könnten  sich  passive  optische  Trackingverfahren  zu  einer  sehr  flexiblen  und  auch  preisgünstigen Methode für eine berührungs- und kabellose Positionsverfolgung von Objekten  entwickeln.  Ist  die  Hardware  in  Form  von  Kameras  und Rechnern erst einmal angeschafft, kann die Bilderkennungssoftware auf verschiedene Einsatzbereiche  fast  beliebig angepasst werden. Noch macht sich der hohe Rechenaufwand der Bildanalyse durch eine große Verzögerungszeit bemerkbar;  es  ist  jedoch davon auszugehen, dass dieses Problem durch weitere Optimierung in Soft- und Hardware schon bald in den Griff zu bekommen ist. [KNBO03]

Akustische Sensoren

Diese Systeme benutzen Mikrophone, die von den Trackern emittierte Ultraschallwellen empfangen. Analog zu den optischen Systemen sind mindestens zwei Empfänger notwendig, und Dreiecksanordnungen von Trackern zum Messen von Orientierungen. Diese Lösung ist kostengünstig, ist aber durch Umgebungsgeräusche und durch Verdeckung der Empfangslinien störanfällig. Verwendung findet diese Technik z.B. in dem Produkt Logitech Headtracker. [LERE03]

Bild 3: Akustische Sensoren
Quelle: www.wa2.de.bosch.com/vm/vm1/dipl_prakt/knau

weitere Wege zu 3D Positionsbestimmung

Weitere Wege zur 3D Positionsbestimmung können z.b. mittels Kameras beschritten werden, die auf HMDs angebracht sind und Fixpunkte der Umgebung anvisieren. Ausserdem können mittels Mustererkennung (Siemens AG) mehrere 2D Bilder vom Benutzer ausgewertet und daran die Position von Hand und Kopf bestimmt werden. [TUBE02]

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