TU Chemnitz: Fakultät für Informatik: Professur GDV

Tischtennis macht Spaß und ist deshalb im Freizeitsport bei jedermann sehr beliebt. Im Gegensatz zu vielen anderen Sportarten hat sich wohl jeder bereits mehr oder weniger erfolgreich in einem Match geschlagen. Die hobbymäßige Ausübung dieser Sportart stellt vergleichsweise geringe Anforderungen an die Umgebung, die technische Ausrüstung und den Trainingsstand der Freizeitsportler. Gleichzeitig ist Tischtennis eine der schnellsten Sportarten überhaupt. Im Leistungssport werden Ballgeschwindigkeiten von mehr als 100km/h erreicht. Dem Spieler bleibt nur sehr wenig Zeit um auf einen geschmetterten Ball angemessen reagieren zu können. Innerhalb von Sekundenbruchteilen muss der Spieler den Schläger so in Bewegung versetzten, dass sich die Bahn des Schlägers mit der Flugbahn des Balls an einer geeigneten Position schneidet. Zudem muss die Art und Weise des Ballkontaktes dazu führen, dass zum einen der Schlag erfolgreich pariert wird und zugleich der Ball die vom Spieler gewünschten Flugeigenschaften annimmt.

Die Physik des Spiels scheint zunächst recht einfach beschreibbar zu sein. Auf den ersten Blick spielen neben den Stoßgesetzen offensichtlich die Schwerkraft sowie der Luftwiderstand bei der Berechnung der Flugbahn des Balls eine Rolle. Bei genauerer Betrachtung krümmt die Rotation des Balls um die eigene Achse die Flugbahn. Der Ballspin ist zusammen mit der Geschwindigkeit das wichtigste Mittel des Spielers für einen erfolgreichen Schlag. Zusätzliche Faktoren wie die Verformung des Balls beim Kontakt mit Schläger und Platte sowie die Auswirkungen verschiedener Beläge auf den Ball lassen sich allein nicht mit grundlegenden Gesetzen der Physik beschreiben und führen zu einem aufwendigen Formelwerk. Für computergestützte Simulationen muss das Physik-Modell allerdings in Echtzeit berechenbar sein.

Das an der Professur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung der Technischen Universität Chemnitz entwickelte „Virtuelle Tischtennis“ stellt eine Tischtennissimulation dar, bei der der Spieler mit einem gewöhnlichen Schläger einen virtuellen Ball auf eine virtuelle Platte in einer virtuellen Umgebung spielt, von der er einen echten 3D-Eindruck erhält.

Dieser dreidimensionale Eindruck wird mittels einer sogenannten stereoskopischen Rückprojektion auf eine 3x4 m große Projektionsfläche erzeugt. Der Spieler muss dabei lediglich eine Polfilterbrille tragen, die sich in Gewicht und Komfort nicht wesentlich von einer Sonnenbrille unterscheidet.

Ein Kamerasystem erfasst sowohl die Position dieser Brille als auch die Bewegungen des realen Schlägers. Dieses Wissen ermöglicht es dem System einerseits für den Spieler immer die korrekte Sicht auf die virtuelle Tischtennisumgebung zu generieren und andererseits auf Aktionen des Spielers mit dem Schläger zu reagieren (z.B. die Richtung und Geschwindigkeit des virtuellen Balls aufgrund eines vom Spieler ausgeführten Schlages zu ändern). Dabei werden sämtliche in der Realität geltenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten durch das System simuliert. So ist es beispielsweise möglich den virtuellen Ball wie in einem realen Spiel anzuschneiden. Ein Vorteil dieser kamera-basierten Erfassung von Bewegungen besteht darin, dass die Bewegungsfreiheit des Spielers in keinster Weise durch etwaige Verkabelungen beeinträchtigt wird.

Unser System bietet dem Spieler nicht nur einen sehr realitätsnahen visuellen, sondern auch akustischen Eindruck von der virtuellen Tischtennisumgebung. Die Simulation erzeugt korrekt positionierte akustische Signale bei der Kollision des virtuellen Balls mit dem Schläger, der virtuellen Platte und sonstigen Elementen der virtuellen Umgebung.

	Die von einem handelsüblichen PC erzeugten Halbbilder für beide Augen des Betrachters werden durch zwei Beamer, deren Optik Polfilter vorgeschalten sind, zugleich über einen Umlenkspiegel auf die 3x4m große Acrylglas-Projektionsfläche abgebildet.		Vier Infrarotkameras vom Typ ArtTrack1 nehmen Bilder von sogenannten Bodies (Markergestelle) auf, die an der Brille und dem Schläger des Spielers befestigt sind. Diese Bildinformation wird genutzt, um die Position und die Ausrichtung des Spielers und des Schlägers mittels der Software DTrack, welche auf einem separaten Rechner läuft, zu bestimmen.
	Eine Polfilterbrille, die der Spieler tragen muss, führt jedem Auge des Spielers das jeweilge zugehörige Bild zu, so dass der gewünschte 3D-Eindruck der virtuellen Tischtennisumgebung entsteht. Die Position der Polfilterbrille wird mittels eines daran befestigten Markergestells durch ein Kamerasystem erfasst.		Die Bewegung des handelsüblichen Schlägers wird mittels eines daran befestigten Markergestells durch ein Kamerasystem erfasst.
	Um dem Spieler neben einem realen visuellen Eindruck auch einen realen akustischen Eindruck zu vermitteln, wird ein 5.1-Dolby-Surround-Soundsystem von JBL eingesetzt. Das System erzeugt damit korrekt positionierte Klänge bei der Kollision des virtuellen Balls mit sämtlichen Elementen der virtuellen Umgebung.		Die Visualisierungs- und die Trackingsoftware laufen auf zwei getrennten Rechnern, die untereinander per Gigabit-Ethernet verbunden sind.

Das Virtuelle Tischtennis wurde bereits mehrfach mit großem Erfolg der Öffentlichkeit präsentiert. Im Rahmen der Veranstaltung „Sport und Spiel in der erweiterten Realität“ während des Virtuellen Familienfestes (VIRFF) wurde am 17. Mai 2004 eine erste, sehr frühe Version der Tischtennissimulation demonstriert.

Dies resultierte in einer Einladung zur SpielTec 2004, die im Rahmen des 10. Chemnitzer Stadtfestes vom 10. bis 12. September 2004 stattfand. Hier spielten an drei Tagen fast ununterbrochen begeisterte Besucher der Messe mit dem System.

Während der Demonstrationen anlässlich des 1. VR/AR Workshops der GI-Fachgruppe „Virtuelle Realität“ fand das System große Beachtung in der Fachwelt. Viele Fachkollegen bekundeten spontan ein Interesse an der Tischtennissimulation.

Am 11.11.2004 präsentierte die Professur GDV ihr "Virtuelles Tischtennis" erstmals Mitglieder der Geschäftsführung des Deutschen Tischtennisverbandes. Diese folgten gespannt den Ausführungen der Entwickler und testeten das System auch selbst. Dabei wurde eine konstruktive Diskussion über mögliche Verbesserungen geführt. Nachdem nun erste Kontakte geknüpft wurden, kann man auf die weitere Entwicklung des Projekts gespannt sein.

Die Professur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung präsentierte während der Chemnitzer Linuxtage 2005 vom 05.06.2005 bis zum 06.03.2005 ihre stereoskopische Rückprojektionslösung in Verbindung mit der selbst entwickelten plattformunabhängigen 3D-API. Als Beispielapplikationen wurden der VRML-Viewer und das virtuelle Tischtennis gezeigt.

An drei erlebnisreichen Tagen präsentierten wir unsere stereoskopische Rückprojektion in Verbindung mit dem Virtuellen Tischtennis auf der IEEE VR2005. Dafür ernteten wir großen Respekt der Fachwelt, da wir doch nachweisen konnten, dass wir in der Lage sind eine VR-Applikation mit der extrem geringen Gesamtlatenz von ca. 40 ms zu schaffen. Natürlich beeindruckte auch die Größe der Projektionsfläche (4m x 3 m). Viele Forscher von anderen Forschungseinrichtungen bekundeten spontan das Intresse an einer Kooperation mit uns. Außerdem möchten wir uns noch einmal bei der Firma A.R.T.tracking für die Leihgabe von zusätzlichen Kameras für unser optisches Trackingsystem bedanken. Im folgenden Abschnitt sind ein paar Bilder zu sehen, die etwas vom Flair der VR2005 vermitteln sollen.

Die gegenwärtige Installation unseres Systems erlaubt es dem Spieler gegen einen computergesteuerten virtuellen Gegner anzutreten. Die Erweiterung auf zwei reale Spieler ist möglich. Weiterhin wäre es denkbar in einer zukünftige Version der Simulation Einblendungen von aufgezeichneten Sequenzen zu realisieren. Außerdem könnte man in zukünftigen Installationen dem Spieler nicht nur visuelles und akustisches, sondern auch haptisches Feedback geben, so dass dieser den Aufprall des Balles auf den realen Schläger spürt.

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