Virtual-Reality-Headset

Ein Virtual-Reality-Headset ( VR-Headset ) ist ein am Kopf getragenes Gerät , das mithilfe von 3D-Displays im Nahbereich und Positionsverfolgung eine virtuelle Realität für den Nutzer erzeugt . VR-Headsets werden häufig für VR-Videospiele verwendet , finden aber auch in anderen Anwendungen wie Simulatoren und Trainingssystemen Verwendung. Typischerweise verfügen VR-Headsets über ein stereoskopisches Display (das für jedes Auge ein separates Bild liefert), Stereoton und Sensoren wie Beschleunigungsmesser und Gyroskope , die die Kopfhaltung des Nutzers erfassen , um die Ausrichtung der virtuellen Kamera an die Augenpositionen des Nutzers in der realen Welt anzupassen. ^{[ 1 ]} Mixed-Reality -Headsets (MR-Headsets) sind VR-Headsets, die es dem Nutzer ermöglichen, die Außenwelt zu sehen und mit ihr zu interagieren. Beispiele für MR-Headsets sind das Apple Vision Pro und das Meta Quest 3. ^{[ 2 ]}

VR-Headsets verwenden typischerweise mindestens eine MEMS -IMU für die Bewegungserfassung mit drei Freiheitsgraden (3DOF) und optional weitere Tracking-Technologien für die Bewegungserfassung mit sechs Freiheitsgraden (6DOF). 6DOF-Geräte nutzen in der Regel einen Sensorfusionsalgorithmus, um die Daten der IMU und anderer Tracking-Quellen zu kombinieren. Dies können entweder ein oder mehrere externe Sensoren oder „ Inside-Out“-Tracking mit nach außen gerichteten Kameras im Headset sein. Die verwendeten Sensorfusionsalgorithmen sind häufig Varianten des Kalman-Filters . VR-Headsets können Bewegungscontroller unterstützen , die ebenfalls Eingaben von Beschleunigungsmessern und Gyroskopen mit dem Bewegungserfassungssystem des Headsets kombinieren.

Die meisten VR-Headsets benötigen einen PC . Einige „Standalone“-Headsets basieren auf einem mobilen Betriebssystem und smartphoneähnlicher Hardware. Dadurch können VR-Apps direkt auf dem Gerät ausgeführt werden, während VR-Anwendungen auch per USB- oder WLAN -Verbindung von einem PC gestreamt werden können. Es gibt auch VR-Headsets und -Brillen für Smartphones, bei denen der Bildschirm des Geräts durch Linsen, die wie ein Stereoskop funktionieren, betrachtet wird , anstatt ein dediziertes internes Display zu verwenden.

VPL Research war ein Unternehmen, das in den 1980er Jahren frühe VR-Headsets herstellte. ^{[ 3 ]}

Sega VR wurde 1991 angekündigt und Anfang 1993 auf der Winter CES vorgestellt . Es erschien nie für Konsolen ^{[ 4 ]} , wurde aber 1994 für die Arcade-Attraktion Sega VR-1, einen Bewegungssimulator, verwendet. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Ein weiteres frühes VR-Headset, das Forte VFX1 , wurde ebenfalls 1994 auf der CES angekündigt. Das VFX-1 verfügte über stereoskopische Displays, 3-Achsen-Headtracking und Stereo-Kopfhörer. ^{[ 7 ]}

Sony brachte 1997 das Glasstron auf den Markt, das über einen optionalen Positionssensor verfügt. Dadurch konnte der Träger seine Umgebung betrachten, wobei sich die Perspektive mit den Kopfbewegungen des Nutzers mitbewegte und so ein tiefes Eintauchen in die Spielwelt ermöglichte. Diese VR-Headsets boten den Spielern von MechWarrior 2 eine neue visuelle Perspektive auf das Schlachtfeld aus dem Cockpit ihres Raumschiffs. Aufgrund ihrer begrenzten Technologie blieben diese frühen Headsets jedoch kommerziell erfolglos ^{[ 8 ] [ 9 ]} und wurden von John Carmack als „wie durch Toilettenpapierrollen schauen “ beschrieben ^{[ 10 ] .}

Im Jahr 2012 startete eine Crowdfunding- Kampagne für die Oculus Rift , ein Virtual-Reality-Headset von Palmer Luckey . Das Projekt wurde von mehreren prominenten Videospielentwicklern unterstützt , darunter John Carmack ^{[ 8 ]} , der später CTO von Oculus VR wurde . ^{[ 11 ]} Im März 2014 wurde die Muttergesellschaft des Projekts, Oculus VR, von Facebook für 2 Milliarden US-Dollar übernommen. ^{[ 12 ]} Die finale Version der Oculus Rift für Endverbraucher wurde ab dem 28. März 2016 ausgeliefert. ^{[ 13 ]}

Im März 2014 präsentierte Sony einen Prototyp eines Headsets für die PlayStation 4 ^{[ 14 ]} , das später den Namen PlayStation VR erhielt . ^{[ 15 ]} Ebenfalls 2014 stellte Valve einige Headset-Prototypen vor ^{[ 16 ]} , woraus eine Partnerschaft mit HTC zur Entwicklung der Vive entstand . Diese konzentriert sich auf raumfüllende VR-Umgebungen, in denen sich Nutzer intuitiv bewegen und mit denen sie interagieren können. Das Headset nutzt Valves Softwareplattform „ SteamVR “. ^{[ 17 ]} Die Vive erschien im April 2016 ^{[ 18 ]} , PlayStation VR im Oktober 2016. ^{[ 19 ]}

Google veröffentlichte eine Reihe von Spezifikationen und zugehörigen Bausätzen für Virtual-Reality-Brillen namens Google Cardboard . Diese Brillen lassen sich aus kostengünstigen Materialien (und einem Smartphone mit Gyroskop) wie Pappe herstellen (daher der Name). Samsung Electronics entwickelte in Zusammenarbeit mit Oculus VR die Samsung Gear VR (die nur mit einigen Samsung Galaxy- Geräten kompatibel ist). LG Electronics entwickelte ein Headset mit dedizierten Displays für sein Smartphone LG G5, bekannt als LG 360 VR. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} Im März 2017 brachte Microsoft mit Windows Mixed Reality eine Plattform für VR- und Mixed - Reality -Headsets auf den Markt, die unter Windows 10 läuft. VR-Headsets wurden von verschiedenen Partnern, darunter die PC-Hersteller Acer , Dell , HP Inc. und Lenovo , angeboten . ^{[ 24 ]}

In 2018, Oculus released the Oculus Go, a standalone headset capable of running VR apps on embedded mobile computing hardware, thus not needing a PC or an inserted smartphone to operate.^[25] In June 2019, Valve released their own in-house SteamVR headset, the Valve Index.^[26] In an October 2019 report, Sony, Facebook (Oculus), and HTC were identified by Trend Force as the three largest manufacturers of VR hardware.^[27] 2019 saw Facebook release the first-generation Oculus Quest, a successor to the Oculus Go concept which supports motion controllers and positional tracking with 6DOF.^[28][29] Subsequent releases of the Quest line included the Quest 2 (released September 2020) and Quest 3 (October 2023).

There are different optics and visual qualities that affect how an individual perceives the image quality and how they experience the virtual world. The image clarity depends on the display resolution, optic quality, refresh rate, and field of view.^[30]

Because virtual reality headsets stretch a single display across a wide field of view (up to 110° for some devices according to manufacturers), the magnification factor makes flaws in display technology much more apparent. One issue is the so-called screen-door effect, where the gaps between rows and columns of pixels become visible, akin to looking through a screen door.^[31] This was especially noticeable in earlier prototypes and development kits,^[9] which had lower resolutions than the retail versions.

Retina E-paper is a new technique that has been demonstrated. Based on electrochemically tunable WO₃ nanodisks, this display achieves pixel dimensions around 560 nm and a resolution exceeding 25,000 pixels per inch, approaching the limit of human visual acuity. Unlike conventional emissive micro-LED or OLED displays, Retina E-paper is low power and uses ambient light, making it a promising candidate for future VR / AR headsets.^[32][33]

Die Linsen des Headsets sind dafür verantwortlich, das Nahfeld auf ein weites Sichtfeld abzubilden ^{[ 34 ] [ 35 ]} und gleichzeitig einen komfortableren Fokuspunkt in der Ferne zu ermöglichen . Eine Herausforderung dabei ist die Gewährleistung einer gleichbleibenden Fokussierung: Da sich die Augen innerhalb des Headsets frei bewegen können, ist es wichtig, ein ständiges Nachfokussieren zu vermeiden, um die Augen zu schonen .

Fresnel-Linsen werden aufgrund ihrer kompakten und leichten Bauweise häufig in VR-Headsets eingesetzt. ^{[ 36 ] [ 37 ]} Im Gegensatz zu anderen Linsen bestehen sie nicht aus mehreren Materialschichten, sondern sind in Segmente unterteilt, wodurch ein größeres Sichtfeld ermöglicht wird. Ein Problem besteht darin, dass die Linsenränder sichtbar werden, wenn das Headset nicht optimal auf dem Kopf sitzt. ^{[ 30 ] [ 37 ]}

Die Linsen verursachen Verzerrungen und chromatische Aberrationen , die üblicherweise softwareseitig korrigiert werden . ^{[ 34 ] [ 37 ]} Die Linsen können zudem dynamisch an die Brillenstärke des Nutzers angepasst werden, sodass dieser das Headset auch ohne Brille verwenden kann. ^{[ 38 ]}

VR-Headsets stellen deutlich höhere Anforderungen an die Latenz – die Zeitspanne zwischen Eingabeänderung und visueller Reaktion – als herkömmliche Videospiele. ^{[ 39 ]} Reagiert das System zu träge auf Kopfbewegungen, kann dies bei dem Nutzer VR-Übelkeit , einer Form der Reisekrankheit, auslösen. ^{[ 40 ]} Laut einem Valve-Ingenieur liegt die ideale Latenz bei 7–15 Millisekunden . ^{[ 41 ]}

Die Grafikeinheit (GPU) muss zudem leistungsstark genug sein, um die erforderliche Anzahl an Bildern zu rendern. Oculus nannte die begrenzte Rechenleistung von Xbox One und PlayStation 4 als Grund dafür, dass sie mit ihren ersten Geräten den PC-Spielemarkt anvisierten. ^{[ 42 ]}

Foveated Rendering ist eine neue Technik zur Reduzierung des Rendering-Aufwands. Sie nutzt Eye-Tracking- Hardware, um den Blickpunkt des Nutzers zu bestimmen und die Rendering-Auflösung in Bereichen weiter entfernt vom Blickfeld zu reduzieren. Dies ist für den Nutzer kaum wahrnehmbar, da das menschliche periphere Sehen deutlich weniger empfindlich ist als die Fovea . ^{[ 43 ]}

Virtual-Reality-Brillen werden derzeit zur Ausbildung von Medizinstudierenden im Bereich der Chirurgie eingesetzt . Sie ermöglichen es ihnen, wichtige Eingriffe in einer virtuellen, kontrollierten Umgebung durchzuführen. Die Studierenden operieren an virtuellen Patienten und erwerben so die notwendigen Fähigkeiten, um später auch an realen Patienten zu operieren. Zudem können sie die Operationen aus der Perspektive des leitenden Chirurgen nacherleben . ^{[ 44 ]}

Traditionell mussten Studierende an Operationen teilnehmen und verpassten dabei oft wichtige Schritte. Dank VR-Brillen können sie nun Operationen aus der Perspektive des leitenden Chirurgen beobachten, ohne etwas Wichtiges zu verpassen. Sie können die Operationen außerdem pausieren, zurückspulen und vorspulen. In einer risikofreien Umgebung können sie ihre Techniken mit einer echten VR-Brille perfektionieren. ^{[ 44 ]}

Neben Schulungszwecken werden Augmented-Reality-Headsets bereits auch für bildgestützte Operationen eingesetzt .

Mit VR-Headsets ausgestattete Smartphones wurden verwendet, um qualitativ hochwertige Videos und Bilder der Netzhaut aufzunehmen und so periphere Netzhautläsionen zu dokumentieren. ^{[ 45 ]}

Virtual-Reality-Headsets werden von den US-Streitkräften eingesetzt . Sie stellen ein besonders nützliches Instrument für die Ausbildung von Militärpersonal dar, ohne dieses Gefahren auszusetzen. ^{[ 46 ]}

Das Virtual-Reality-Headset ermöglicht es Militärangehörigen, mit virtuellen Personen zu interagieren und so ein realistisches Erlebnis zu schaffen. Sie können miteinander sprechen und verschiedene Aktionen ausführen, wodurch die virtuelle Welt so realitätsnah wie möglich wirkt. Die Nutzung des Headsets birgt sowohl Vor- als auch Nachteile. Ein Nachteil ist, dass das Headset für kühle Innenräume konzipiert ist und vor Hitze geschützt werden sollte. Wenn Militärangehörige also nur das Headset tragen, ohne zusätzliche Ausrüstung, entspricht dies nicht ihrem Grundtraining. Zu den Vorteilen zählen die Möglichkeit, Situationen beliebig oft zu wiederholen, und die geringeren Kosten, da keine weitere Ausrüstung benötigt wird. ^{[ 47 ]}

Virtual-Reality-Brillen werden mittlerweile zur Schulung von Mitarbeitern in Gesundheits- und Sicherheitsverfahren eingesetzt. Dadurch können die Schulungsteilnehmer Gefahrensituationen in einer sicheren, virtuellen Umgebung erleben. Sie können das Reagieren auf Brände, Maschinenausfälle oder Chemikalienaustritten üben, ohne sich realen Risiken auszusetzen. ^{[ 48 ]}

Traditionell basierte Sicherheitstraining auf statischen Materialien oder Präsenzübungen. Mit VR können die Teilnehmenden mit Szenarien interagieren, Übungen wiederholen und ihre Reaktionen verbessern. Dadurch wird das Training ansprechender und effektiver. Unternehmen profitieren zudem von geringeren Kosten und einer verbesserten Nachverfolgung der Einhaltung von Vorschriften.

Fortgeschrittenere Formen der virtuellen Realität, oft als Full-Dive Virtual Reality (FDVR) bezeichnet, wurden in spekulativer Fiktion und theoretischen Diskussionen über Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) vorgeschlagen. ^{[ 49 ] [ 50 ]} In diesen hypothetischen Systemen würden Nutzer direkt über das Nervensystem oder das Gehirn mit virtuellen Umgebungen interagieren, wodurch simulierte Erfahrungen potenziell nicht mehr von der physischen Realität zu unterscheiden wären. ^{[ 51 ]} Das Interesse an FDVR stieg während des KI- Booms der 2020er-Jahre deutlich an , da Fortschritte in der generativen künstlichen Intelligenz es zunehmend plausibel machten, virtuelle Welten mit dynamisch generierten Umgebungen, lebensechten digitalen Menschen und adaptiven Erzählungen zu bevölkern, die in Echtzeit auf Nutzer reagieren können. ^{[ 52 ]} Das Aufkommen von Unternehmen wie Neuralink intensivierte die öffentliche Diskussion über die langfristige Möglichkeit der direkten neuronalen Interaktion mit digitalen Systemen zusätzlich, obwohl die bestehenden BCI-Technologien nach wie vor hochgradig experimentell und in ihren Fähigkeiten begrenzt sind. ^{[ 53 ]}

Zu den vorgeschlagenen Anwendungsgebieten von FDVR gehören Bildung, berufliche Weiterbildung, Medizin, soziale Interaktion aus der Ferne, digitaler Tourismus und immersive Unterhaltung. Einige Theoretiker schlagen darüber hinaus den Einsatz in der Schmerztherapie, der Psychotherapie oder sogar zur Erhaltung und Emulation des menschlichen Bewusstseins vor. ^{[ 51 ]} Gleichzeitig warnen Forscher und Ethiker vor potenziellen Gefahren dieser Technologie, darunter psychische Abhängigkeit, Identitätsverlust, Manipulation durch KI-generierte Realitäten, invasive Erfassung neuronaler Daten und Cybersicherheitsrisiken im Zusammenhang mit neuronalen Schnittstellen. ^{[ 54 ] [ 55 ]} Einige Zukunftsforscher spekulieren zudem, dass ausreichend fortgeschrittene virtuelle Realitäten eine mögliche Erklärung für das Fermi-Paradoxon liefern könnten . Sie argumentieren, dass fortgeschrittene Zivilisationen sich möglicherweise eines Tages für das Leben in künstlichen digitalen Umgebungen entscheiden, anstatt eine großflächige physische Expansion oder interstellare Kommunikation anzustreben. ^{[ 56 ]}

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