Projekt 16: Virtual-Reality-Brille „Open Dive“

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. Es handelt sich um ein Projekt von Florian Nolte und Florian Discher für das Elektrotechnik Fachpraktikum im WS 2013/2014.

Aufgabenstellung

Zur erfolgreichen Bearbeitung des Projektes sollten folgende Teilaufgaben bewältigt werden:

1. Einarbeitung in die Thematik
2. Darstellung der Theorie
3. Beschaffung 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“

Projektplanung

Die Projektplanung erfolgt mit dem Programm MS-Project. Sie sollte zu Beginn des Projektes abgeschlossen werden, um diesem eine klare Struktur zu geben und die Aufgaben sinnvoll zu verteilen.

Projektplanung VR-Brille

1. Einführungsveranstaltung: Auswahl des Projektes
2. Erstellung einer BOM: Erstellung einer Liste der benötigten Materialien
3. Sammeln von Allg. Informationen und Planung: Erarbeitung der Theorie
4. Besprechung zum Thema 3D-Druck: Treffen mit wissenschaftlichem Mitarbeiter zur Ermittlung der Möglichkeiten des 3D-Druckers der Hochschule
5. Konstruktion des Brillengestells: Bau der Einzelteile aus EPP und Sperrholz aufgrund von nicht ausreichenden Materialeigenschaften des 3D-Drucks
6. Testphase: Ausgiebiger Test des Brillengestells mit einer Vielzahl von Apps
7. Optimierung: Verbesserung des Tragekomforts und der Stabilität
8. Vorbereitung der Präsentation: Erstellung der Bildschirm-Präsentation und Vorbereitung des praktischen Teils
9. Präsentation der VR-Brille: Vorführung des Projektergebnisses
10. Dokumentation: Festhalten der einzelnen Arbeitsschritte in schriftlicher Form

Theorie

Projektion des Bildes durch die Linsen

Ausrichtung der Linsen im Verhältnis zu den Augen und des Bildes

Funktionsweise des Gyrosensors

Um eine virtuelle Realität zu erzeugen, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Zunächst muss die Wiedergabe des 3D-Programms so gestaltet werden, dass anstelle einer Vollbild-Darstellung zwei nebeneinander liegende identische Bilder erzeugt werden. Bei fortgeschrittenen Anwendungen ist es außerdem möglich, die jeweiligen Bilder so zu verzerren, dass es bei Verwendung von Vergrößerungslinsen zu einer Erweiterung des Blickwinkels und so zu einer noch tieferen Immersion führt.

Dazu benötigt man eine Kopfhalterung für das Display, die es ermöglicht, zwei Linsen zwischen dem Display und den Augen zu befestigen. Diese befinden sich dann auf einer Achse mit den Augen und dem Zentrum je eines der beiden Bilder. Sie vergrößern die Bilder gezielt so, dass jedes Auge nur den Bildabschnitt sieht, den es für den erwünschten Effekt sehen soll. Das Gehirn überlagert nun diese beiden Bilder und erstellt so eine Illusion der Realität. Die Linsen sollten an justierbaren Haltern montiert sein, sodass jede Person das Bild individuell fokussieren kann.

Nun müssen die Bewegungen des Kopfes auf die virtuelle Realität mit möglichst niedriger Latenz (Verzögerung) übertragen werden. Dies wird durch das Vorhandensein von einem Kompass, einem Gyro- und einem Beschleunigungssensor im Smartphone ermöglicht.

Materialien und Werkzeuge

Folgende Materialien werden zur Herstellung der VR-Brille benötigt:

1. 10mm EPP (Hartschaummaterial ca. 30x30cm Platte, Beachte: nur eines von vielen möglichen Grundmaterialien)
2. 5mm Sperrholz (ca. 10x10cm)
3. Tesamoll Schaumstoff
4. Durovis Lens Kit mit Gummigewebeband
5. Skalpell
6. Laubsäge
7. Uhu Por Hartschaumkleber
8. Revell Farben Silber und Anthrazit (Farben natürlich je nach Wunsch wählen)
9. kompatibles Smartphone Hinweis: Das Smartphone benötigt einen Gyrosensor, einen Beschleunigungssensor und muss ein genügend großes Display besitzen.

Das Projekt-Team aus dem Elektrotechnik Fachpraktikum im WS 2013/2014 hat keine BOM erstellt, da die meisten Materialien vorhanden waren (eines der Teammitglieder ist Hobby-Modellbauer) oder in Eigeninitiative beschafft wurden.

Zusammenbau

Montiertes VR-Brillengestell

Zunächst erstellt man einen Bauplan, wobei die Abmessungen des benutzten Smartphones beachtet werden müssen. Nun werden die Maße auf den Baustoff übertragen und die Konturen ausgeschnitten. Dabei wird das Brillengestell mit Smartphoneklemmen aus EPP und die Linsenhalter aus Sperrholz gebaut. Als Nächstes werden die Gestellteile mit Hartschaumkleber zusammengeklebt. Danach können die Bauteile nach Belieben lackiert werden.

Der nächste Schritt ist die Sicherung der Linsen in den Linsenhaltern und die Polsterung des Brillengestells mit Tesamoll Schaumstoff zum Schutz des Smartphones und für erhöhten Tragekomfort. Als Letztes werden alle Einzelteile zusammengefügt und können für jeden Benutzer individuell eingestellt werden. Die hier vorgestellte Bauart ist nur eine von vielen Möglichkeiten, wie z.B. 3D-Druck, Holz oder Pappe, um die VR-Brille zu erstellen.

Die folgende Datei enthält einen individuell erstellten Bauplan angepasst an ein Samsung S3mini (durch flexible Smartphoneklemmen aus EPP kann auch ein normales S3 verwendet werden).

Medium:Bauplan_VR-Brille.pdf

Inbetriebnahme

Ein Beispiel für die Anzeige einer App.

Zur Inbetriebnahme benötigt man ein kompatibles Smartphone, welches die zur Benutzung nötigen Sensoren und genügend Prozessorleistung besitzt.

Eine sich ständig erweiternde Zahl von Apps wird angeboten.

Nach Auswahl einer geeigneten App müssen folgende Schritte durchlaufen werden:

1. Starten der App
2. Smartphone mit Klemmen am Brillengestell befestigen
3. Einstellen des Gummigewebebandes für optimalen Tragekomfort
4. Justieren der Linsen zum Fokussieren des Bildes und der Vermeidung von Kopfschmerzen/Übelkeit

Beachte: Ausgewählte Apps sprechen den Kompasssensor im Smartphone an und verwenden eine bestimmte Himmelsrichtung als feste Ausgangsposition.

Mögliche Projekterweiterungen

Bei Interesse und für die Weiterführung des Projektes könnte der nächste Schritt sein, bereits vorhandene Spiele für die VR-Brille lauffähig zu machen. Dazu muss die 3D-Umgebung durch Erzeugung zweier Bilder geschaffen werden. Außerdem müssen die Sensoren im Smartphone auf das jeweilige Spiel abgestimmt werden.

Jedoch ist es mit dem "Open-Dive" nicht möglich, mit der 3D-Umgebung zu interagieren. Man kann sich lediglich durch Kopfbewegungen umschauen. Doch unter Zuhilfenahme eines kabellosen Xbox360-Controllers werden weitere Aktionen in der virtuellen Realität möglich. Mit dem Controller kann man durch komplexe Umgebungen navigieren, mit ihnen interagieren und sogar Computerspiele (z.B. Quake II) in 3D erleben. Um Controller und Smartphone zu verbinden, benötigt man zwei Apps: Native Sensors und Quake 2 side by side Android.

Weiterhin kann das Brillengestell mit anderen Materialien komplett neu gebaut werden. Eine interessante Alternative ist der 3D-Druck der Hauptkomponenten. Dazu benötigt man einen 3D-Drucker, welcher ein genügend widerstandsfestes und flexibles Grundmaterial verwendet. Am Geeignetsten ist nach Informationen des Projektteams ein Kunststoffmaterial, das zusätzlich noch während des Druckvorgangs eingefärbt werden kann. Weitere Informationen zum 3D-Druck gibt es unter rapidobject.

Zusammenfassung

Das Projekt "Open Dive" ist eine gute und günstige Alternative, um eine VR-Brille nach dem Vorbild von Oculus Rift nachzubauen. Das Brillengestell kann aus vielen verschiedenen Materialien angefertigt werden. Man benötigt eigentlich nur ein kompatibles Smartphone und kann die restlichen Teile an dieses anpassen.

Es ist bereits eine Menge an Software verfügbar und die Datenbank wird ständig erweitert.

Alle für das Projekt relevanten Dokumente sind im SVN (Zugriffsrecht benötigt) und in folgendem zip-Archiv zu finden.

Medium:Projekt16 VR-Brille.zip

Erworbene Fähigkeiten

Folgende Fähigkeiten können durch das Bearbeiten dieses Projektes erlernt werden:

1. Einblick in das Thema virtuelle Realität
2. Kennenlernen von verschiedenen 3D-Druck-Verfahren und ihren Anwendungsmöglichkeiten
3. Flexibilität im Umgang mit alternativen Lösungswegen (z.B. Materialauswahl)
4. Planung und Organisation von längerfristigen Projekten
5. Grundkenntnisse über das Programm MS-Project
6. Grundkenntnisse zum Erstellen einer Wiki

Verbesserungsvorschläge zum Artikel

Prof. Dr. Ulrich Schneider am 31. Jan. 2014:

• Dateien falsch verlinkt.
• Bauplan zukünftig CAD mit Bemaßung. Dies entspricht definitiv nicht dem Hochschulstandard.
• Theoretische Herleitung fehlt.
• Einleitung und Aufgabenstellung ungenügend.
• Im Wiki fehlen:
  • Projektplanung und Tracking mit MS Projekt (Projektlogbuch)
  • Bill of Material (BOM)
  • Arbeiten Sie Ihre wesentlichen Erkenntnis bei Ihrem Projekt heraus. Was haben Sie gelernt?

Prof. Dr. Mirek Göbel am 31. Jan. 2014:

• Bitte in der Einleitung kurz schreiben, was eine "Open-Dive"-Brille ist.
• In jedem Abschnitt einen einleitenden Satz (z. B. bei Materialien & Werkzeuge)
• bei "kompatibles Smartphone" bitte die Kriterien nennen (und der Material-Aufzählung auch verlinken)
• EPP verlinken, darüber gibt's bestimmt irgendwo mehr Infos
• Wie genau soll der untere Schritt bei den Projekterweiterungen gehen? Bitte den Xbox-Controller kurz erläutern (was ist das?)
• Link auf den SVN-Ordner hintelegen (mit dem Hinweis: nur mit entsprechenden Zugriffsrechten)
• Bauplan am besten als 3-D-CAD-Modell (SolidWorks) und technische Zeichnung mit Bemaßung!

Florian Nolte und Florian Discher: Verbesserungen vorgenommen und Dateien aktualisiert.