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Physik | Technik
Marvin Hotz, 2000 | Jona, SG
Virtual-Reality-Systeme (VR-Systeme) werden immer beliebter, sind jedoch wegen auftretender Motion-Sickness-Probleme für viele Personen ungeeignet. Motion-Sickness tritt in der Virtual Reality (VR) bei realitätsfremden Bewegungen auf und äussert sich durch Übelkeit und Schwindel. VR-Treadmills (virtuelle Laufanlagen) können diese Nebenwirkung minimieren, indem sie die Laufbewegung mit der visuellen Wahrnehmung synchronisieren.
Fragestellung
Immer besser und günstiger werdende VR-Systeme sorgen für eine schnell wachsende VR-Community. Dies ist kein Wunder: VR-Systeme bieten die Möglichkeit, einen endlosen virtuellen Raum zu generieren, wo kein oder nur wenig Platz vorhanden ist. Durch diese immersiven Umgebungen wird weitgehend mit Joysticks oder ähnlichen Systemen navigiert. Diese nur visuellen Bewegungen verursachen bei vielen Personen Motion-Sickness. Dieses Auftreten von Motion-Sickness galt es in dieser Arbeit, mit einem selbst entwickelten VR-Treadmill-Konzept und einem Prototyp zu minimieren. Zur Überprüfung des Konzepts sind folgende Fragen zentral: (I) Ist ein angenehmes und intuitives Laufen mit dem Prototyp möglich? (II) Lindert das Konzept Motion-Sickness? (III) Wo liegt das Einsatzgebietes des Konzepts? (IV) Welche zusätzlichen Features sollten am Prototyp getestet werden?
Methodik
In einem ersten Teil der Arbeit wurden Informationen zu VR und Motion-Sickness gesammelt. Darauf basiert das entworfene VR-Treadmill-Konzept, bei dem im Sitzen eine Laufbewegung auf Schienen gemacht wird. Der Prototyp für den Test des Konzepts wurde zuerst mittels CAD gezeichnet und geplant. Danach erfolgte der Zusammenbau 3-D-gedruckter Teile, Profile und elektrischer Komponenten. Der Fokus lag auf Modularität und Funktionalität, sodass der Prototyp im Entwicklungsprozess schnell und einfach an neue Erkenntnisse und Ansprüche angepasst werden kann. Die gesammelten Bewegungsinformationen werden so verarbeitet, dass die Laufbewegungen auf der VR-Treadmill als Input in einer selbst erstellten virtuellen Demo-Umgebung dienen. Dafür berechnet ein Microcontroller aus der Laufbewegung einen virtuellen Standort, der fortlaufend in die virtuelle Umgebung projiziert wird. Um die Funktionsweise zu veranschaulichen, wurde eine Videodemonstration des Prototyps erstellt, die auf YouTube abgerufen werden kann: https://youtu.be/qZTvMpuDZHA (YouTube: Development of a VR Treadmill).
Ergebnisse
Alle Testpersonen konnten problemlos auf dem Prototyp laufen und sich in der virtuellen Umgebung intuitiv bewegen, wobei keine Symptome von Motion-Sickness festgestellt werden konnten. Bei VR-Tests ohne ein VR-Treadmill-Konzept wurde bei den gleichen Testpersonen leichte Übelkeit oder ein Unwohlsein festgestellt, was für die Wirksamkeit des Konzepts spricht.
Diskussion
Die konzeptionelle Entscheidung, eine VR-Treadmill zu entwickeln, die im Sitzen bedient wird und auf eine horizontale Linearachse limitiert ist, erwies sich in der mechanischen Umsetzung als ein vielversprechender Ansatz. So konnte das Design einfach und modular gehalten werden. Dank der schon verbauten Motorisierung können Features wie Force Feedback oder eine Laufunterstützung ohne grossen Aufwand implementiert werden. Solche aktiven Features sind sehr interessant, da die Interaktionsmöglichkeiten mit einer virtuellen Umgebung ausgebaut werden können. Diese breitere Wechselwirkung zwischen Immersion und Realität führt zu einer Verschmelzung der Welten und ermöglicht ein tieferes Eintauchen. Dies stellt das Ziel jedes VR-Systems dar.
Schlussfolgerungen
Bei Tests mit Versuchspersonen zeigten sich keine Anzeichen von Motion-Sickness, wobei die Wirksamkeit des Konzepts erste positive Ergebnisse erzielen konnte. Der Prototyp unterstützt alle geplanten Features und bietet Raum für weitere Entwicklungen und Tests. Somit wurde das Ziel der Arbeit erreicht. Ein Konzept, das Probleme mit der Motion-Sickness löst und eine bessere VR-Benutzererfahrung bietet, ist sicher auch für den Massenmarkt interessant. Auf diese Art wird VR einem breiteren Publikum zugänglich gemacht, was unserer Gesellschaft interessante Möglichkeiten bietet. Das erarbeitete Konzept ist neuartig und unterstützt Funktionen, die mit bekannten Methoden nicht möglich wären.
Würdigung durch den Experten
Dr. Markus Zank
Herr Hotz bearbeitete mit seiner Arbeit eine der grossen Herausforderungen, die Virtual Reality aktuell zurückhalten: Die Frage wie sich Nutzer auf natürliche Weise und ohne Übelkeitssymptome in virtuellen Umgebungen fortbewegen können. Er hat sich dabei den vielfältigen Herausforderungen gestellt, die solche VR Projekte üblicherweise mit sich bringen, von der Konstruktion der Hardware und eingebetteten Software bis zum Erstellen einer Testumgebung in einer Gameengine und Tests mit Nutzern. Insbesondere die Hardware wurde mit viel Fachkenntnis und guten Überlegungen ausgelegt und umgesetzt.
Prädikat:
hervorragend
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Privatumsetzung
##############: Not_Existent Not_Existent