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