Entwicklung eines Virtual Reality System aus einem Head-Mounted-Display und der Microsoft Kinect E-Book
Matt Burns
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- Herausgeber: GRIN Verlag
- Sprache: Deutsch
Forschungsarbeit aus dem Jahr 2012 im Fachbereich Informatik - Angewandte Informatik, Note: 1.0, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Sprache: Deutsch, Abstract: Die Projektgruppe „Virtual Reality“ der Universität Oldenburg hatte die Aufgabe ein System zu entwickeln, welches Nutzern die Möglichkeit gibt, in virtuelle Welten einzutauchen. Das Projekt startete im April 2011 und endete im März 2012. Realisiert wurde das VR-System durch die Kombination von Bewegungserfassung über eine Microsoft Kinect mit einer Videobrille der Firma Vuzix. Zu diesem Zweck haben wir eine Middleware implementiert, die die Signale der genannten Hardware verarbeitet und als Schnittstelle zu einer grafischen Anwendung fungiert. Die virtuelle Szene haben wir mit Blender modelliert und verwenden die Grafik-Engine Ogre3D. Unser Hauptziel bei der Entwicklung war ein möglichst hoher Immersionsgrad des VR-System, der sich von klassischen Desktop-PC´s deutlich abhebt. Um unsere Zielerfüllung zu überprüfen, haben wir das System am Ende des Projekts umfangreich evaluiert. Virtuelle Realitäten haben in den letzten Jahrzehnten Einzug in viele verschiedene Branchen gehalten. Neben der Unterhaltungsindustrie zählen hierzu auch Medizin, Militär und Ingenieurswesen. Da die Preise der benötigten Hardwarekomponenten in den letzten Jahren deutlich gefallen sind, ist der Einsatz von VR auch bei Heimanwendern möglich. Unser Streben nach einer kostengünstigen Lösung für ein immersives VR-System und die Entwicklung einer Middleware, die als Grundlage anderer Projekte dient, sind unsere Motivation zur Durchführung des Projekts. Kapitel 2 behandelt die Dokumentation der Projektorganisation. Kapitel 3 umfasst die Anforderungsanalyse für das zu entwickelnde System. Diese wurde in Kapitel 4 in ein Systementwurfsmodell überführt. Kapitel 5 dokumentiert die Implementierung des Systems. Die verwendeten Testverfahren sind Gegenstand des Kapitels 6. Kapitel 7 behandelt die Evaluation des entwickelten Systems. In Kapitel 8 wird abschließend das Gesamtfazit und ein Ausblick präsentiert.
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Veröffentlichungsjahr: 2014
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Inhaltsverzeichnis
1. Einführung
1.1 Motivation
1.2 Aufbau der Arbeit
1.3 Voraussetzungen und Grundlagen zum Verständnis der Arbeit
2. Projektorganisation und Vorgehen
2.1 Gruppenarbeit und Aufgabenteilung
2.2 Vorgehensmodell und Zeitplanung
3. Anforderungsanalyse
3.1 Einführung
3.2 Zielbeschreibung
3.3 Anforderungen Middleware
3.3.1 Funktionale Anforderungen
3.3.2 Nichtfunktionale Anforderungen
3.4 Anforderungen Beispielanwendung
3.4.1 Funktionale Anforderungen
3.4.2 Nichtfunktionale Anforderungen
3.5 Vorhandene Systeme
3.6 Technische Umgebung
3.7 Anwendungsfallmodell
3.7.1 Akteure
3.7.2 Anwendungsfälle des Assistenten
3.7.3 Anwendungsfälle des Nutzers
3.7.4 Anwendungsfälle des Middleware-Nutzers
3.8 Dynamisches Modell
3.8.1 Sequenzdiagramme des Assistenten
3.9 Objektmodell
4. Systementwurf
4.1 Systemzerlegung
4.2 Globaler Kontrollfluss
4.3 Datenhaltung
4.4 Hard- und Softwareplattform
4.4.1 Wahl der Programmiersprache
5. Implementierung
5.1 Meilensteine der Implementierung
5.1.1 Erster Meilenstein (30.09.2011)
5.1.2 Zweiter Meilenstein (01.11.2011)
5.1.3 Dritter Meilenstein (06.12.2011)
5.2 Implementierung der einzelnen Systemkomponenten
5.2.1 Erster Meilenstein
5.2.2 Zweiter Meilenstein
5.2.3 Dritter Meilenstein
6. Testen
6.1 C++ Unittest-Frameworks
6.2 TestDog
6.3 Ziele und Vorgehensweise
6.4 Code-Review
7. Evaluation
7.1 Formulierung von Thesen
7.1.1 Erläuterung der Thesen
7.2 Vorbereitung der Evaluation
7.2.1 Der Fragebogen zum Messen der Immersion
7.3 Die virtuelle Umgebung
7.4 Durchführung der Evaluation
7.5 Ergebnisse der Evaluation
7.5.1 Qualitative Auswertung
7.5.2 Mathematische Auswertung
7.6 Fazit
8. Fazit und Ausblick
9. Literaturverzeichnis
10. Anhang
10.1 Schnittstellenfunktionen
10.1.1 registerPose, registerGesture
10.2 Installation
10.2.1 Windows
10.2.2 Unix
10.3 Fragebogen
10.4 Erhobene Daten der Fragebögen
10.5 Probandeninformation
1.Einführung
Die Projektgruppe „Virtual Reality“ der Universität Oldenburg hatte die Aufgabe ein System zu entwickeln, welches Nutzern die Möglichkeit gibt, in virtuelle Welten einzutauchen. Das Projekt startete im April 2011 und endete im März 2012. Realisiert wurde das VR-System durch die Kombination von Bewegungserfassung über eine Microsoft Kinect mit einer Videobrille der Firma Vuzix. Zu diesem Zweck haben wir eine Middleware implementiert, die die Signale der genannten Hardware verarbeitet und als Schnittstelle zu einer grafischen Anwendung fungiert. Die virtuelle Szene haben wir mit Blender modelliert und verwenden die Grafik-Engine Ogre3D. Unser Hauptziel bei der Entwicklung war ein möglichst hoher Immersionsgrad des VR-System, der sich von klassischen Desktop-PC´s deutlich abhebt. Um unsere Zielerfüllung zu überprüfen, haben wir das System am Ende des Projekts umfangreich evaluiert.
1.1 Motivation
Virtuelle Realitäten haben in den letzten Jahrzehnten Einzug in viele verschiedene Branchen gehalten. Neben der Unterhaltungsindustrie zählen hierzu auch Medizin, Militär und Ingenieurswesen. Da die Preise der benötigten Hardwarekomponenten in den letzten Jahren deutlich gefallen sind, ist der Einsatz von VR auch bei Heimanwendern möglich. Unser Streben nach einer kostengünstigen Lösung für ein immersives VR-System und die Entwicklung einer Middleware, die als Grundlage anderer Projekte dient, sind unsere Motivation zur Durchführung des Projekts.
1.2 Aufbau der Arbeit
Kapitel 2 behandelt die Dokumentation der Projektorganisation. Kapitel 3 umfasst die Anforderungsanalyse für das zu entwickelnde System. Diese wurde in Kapitel 4 in ein Systementwurfsmodell überführt. Kapitel 5 dokumentiert die Implementierung des Systems. Die verwendeten Testverfahren sind Gegenstand des Kapitels 6. Kapitel 7 behandelt die Evaluation des entwickelten Systems. In Kapitel 8 wird abschließend das Gesamtfazit und ein Ausblick präsentiert.
1.3 Voraussetzungen und Grundlagen zum Verständnis der Arbeit
2. Projektorganisation und Vorgehen
In diesem Kapitel wird die Planung des Projektes und das Vorgehensmodell beschrieben. Ziel der Veranstaltungsform „Projektgruppe“ ist die Umsetzung eines Projektes und Realisierung eines Produktes wie in einem Unternehmen. Im Gegensatz zu einem Unternehmen, das in der freien Wirtschaft agiert und angestellte Mitarbeiter hat, finden sich in einer universitären Projektgruppe Studierende zusammen, die gemeinsam mit einer Problemstellung konfrontiert werden und diese innerhalb eines Jahres lösen müssen.
Im Fall der Projektgruppe Virtual Reality haben sich sechs Studierende zusammengefunden, die mit unterschiedlichen Voraussetzungen, aber ähnlichen Motivationen ihre Zusammenarbeit selbstständig organisieren müssen. Im Folgenden werden die Vorgehensweise und die Erfahrungen im Verlauf der Projektgruppe beschrieben. Die Gruppenarbeit und die Aufgabenteilung werden in Abschnitt 2.1 dargestellt. Ebenso zählen hierzu die Mittel, die wir zur Kommunikation in der Gruppe eingesetzt haben und das Konfigurationsmanagement. Das Vorgehensmodell und die Zeitplanung werden in Abschnitt 2.2 vorgestellt.
2.1 Gruppenarbeit und Aufgabenteilung
Zur Organisation der Gruppenarbeit wurde im ersten Treffen ein Projektleiter bestimmt, der für die Organisation des Projektes verantwortlich war. Für die einzelnen Aufgaben bei der Entwicklung des Systems waren meist zwei Personen als Kleingruppe verantwortlich, sodass eine hohe Qualität und eine gleichmäßige Arbeitsteilung gewährleistet werden konnten.
Zur Kommunikation innerhalb der Gruppe wurde, wie für Projektgruppen typisch, ein Mailverteiler eingesetzt. Darüber hinaus kam das Projektmanagement-Tool
Redmine[1]zum Einsatz. Dieses bietet ein Ticket-Tracking-System, bei dem jedem Projektmitglied Aufgaben (Tickets) zugewiesen werden können. Mit dem TicketTracking-System kann für das gesamte Projekt oder für Unterprojekt der Fortschritt in einem Gantt-Diagramm angezeigt werden: So wird visualisiert, ob die gesetzten Fristen eingehalten werden. Darüber hinaus bietet Redmine ein Wiki an, das unkompliziert für organisatorische Aspekte wie Protokolle, Tagesordnungen und Notizen verwendet wurde.
Um eine komfortable Zusammenarbeit zu gewährleisten, wurde die Versionsverwaltung git[2] verwendet. Diese bietet eine dezentrale Versionskontrolle und erleichtert die Arbeit am Projekt von unterschiedlichen Rechnern und Orten.
2.2 Vorgehensmodell und Zeitplanung
Während der Seminarphase wurden die Projektziele detailliert ausgearbeitet. Das weitere Vorgehen, dargestellt in Abb. 2.1, wurde in den folgenden Phasen durchgeführt: In der Anforderungsanalyse (Kapitel 3), deren Datum zur Fertigstellung auf den 21.06.2011 festgelegt wurde, wurden die Zielsetzung und die genauen Anforderungen aufgestellt. Das dabei erstellte Modell wurde im Systementwurf (Kapitel 4) verfeinert und die konkrete Umsetzung des Systems geplant. Die Frist hierfür war der 19.07.2011. Anschließend wurde in vier Schritten das System implementiert (genauer beschrieben in Kapitel 5):
Meilenstein 1 (Frist: 30.09.2011)Grundgerüst und grundsätzliche Nutzung der Hardware
Meilenstein 2 (Frist: 01.11.2011)Verbesserung der Bedienung und vollständige Nutzung der Hardware
Meilenstein 3 (Frist: 06.12.2011)Vollständige Umsetzung der Anforderungen und Anwendungsfälle, komfortable Bedienung
Umfangreiche BeispielanwendungErschaffen einer komplexen virtuellen Welt zur Demonstration der Features
(Anschließend soll das System in einer Evaluation mit Versuchspersonen getestet werden.)
Abbildung 2.1.: Vorgehensmodell
