Rendering von Texturen

Texture Rendering

© Alican Alma

Wenn wir physisch mit Objekten interagieren, leiten unsere unter der Haut befindlichen Sinnesrezeptoren Signale an das Gehirn weiter. Insbesondere Texturinformationen sind ein multimodales Ereignis, das hauptsächlich über taktile Rezeptoren und kinästhetische Empfindungen wahrgenommen wird. Berührungsempfindliche Geräte bieten jedoch keine kinästhetische Rückmeldung, und die haptische Rückmeldung ist daher auf taktile Informationen beschränkt. Dies macht die Darstellung auf Touch-Displays zu einer Herausforderung, aber neuere Forschungen und aktuelle Technologien ermöglichen die Reproduktion von haptischen Texturen auf taktilen Oberflächen. Dieses Forschungsgebiet ist insbesondere als "Oberflächenhaptik" bekannt und beruht auf der Nachbildung von Oberflächenrauhigkeit oder der Modulation der Reibungskraft, wenn eine Fingerspitze und eine Oberfläche in aktivem oder passivem Kontakt sind. Die Modulation der Reibung in Berührungsschnittstellen kann durch zwei gängige Methoden ermöglicht werden: Ultraschallvibration und elektrostatische Anziehung. Die Oberflächenrauhigkeit kann auch durch ein vibrotaktiles Rückkopplungssystem reproduziert werden, da dies im Gegensatz zu elektrostatischen und Ultraschall-Vibrationsmethoden der praktikabelste Ansatz ist.

Am Lehrstuhl wurde von 2017-2020 erfolgreich ein industrielles AIF-Projekt mit dem Titel "Multimodale Inspektion von Produktoberflächen" zusammen mit der TU Dresden-Textilforschungsgruppe und verschiedenen Unternehmen (AscoLab, Assyst, Audi, Birkenstock, Biehler, Born, Hugo Boss und viele mehr) durchgeführt, die an der Darstellung von Texturen zum Zwecke eines besseren Online-Shoppings interessiert sind. Heutzutage gibt es zahlreiche kommerzielle Geräte auf dem Markt, die einzelne oder mehrere Modalitäten in unterschiedlicher Qualität darstellen können. Diese Geräte sind derzeit sehr kurzen Innovationszyklen unterworfen. Daher sind die Qualität und die Funktionalität von Lösungen für die berührungsbasierte Interaktion auf Touchscreen-Geräten wie Smartphones und Tablets sowie die Geräte für die virtuelle und erweiterte visuelle Darstellung betroffen. Lösungsansätze für dieses Problem basieren auf der modellbasierten Softwareentwicklung (MDSD). MDSD ist ein Oberbegriff für Techniken, die automatisch ausführbare Softwaremodelle erzeugen. Internationale Normungsgremien spezifizieren bereits Beschreibungsmittel für die visuelle, auditive und haptische Modalität (z. B. für Audio: laut, leise; Haptik: glatt, weich, metallisch, klebrig usw.). Für haptische Interaktionen spezifiziert der W3C-Standard (World Wide Web Consortium) eine Vibrations-API für den Zugriff auf die Vibrationsmechanismen eines mobilen Geräts wie z. B. eines Smartphones oder Tablets. Obwohl diese Schnittstelle nur einfache Methoden unterstützt, ermöglicht sie die Formulierung von "taktilen Mustern". Ein Standardisierungsteam bei NOKIA für taktile Benutzeroberflächen schlägt Erweiterungen in kaskadierenden Stilvorlagen (Stepped Design Sheets) für taktile Ausgaben vor. Außerdem werden vordefinierte Werte für Texturen vorgeschlagen, wie z. B. glatt, körnig, scharf und erhaben. Auch wenn diese W3C-Standards im Wesentlichen für die Entwicklung von Websites entwickelt wurden, stellen die zugrunde liegenden Abstraktionen einen wertvollen, vor allem aber einheitlichen Ausgangspunkt für wiederverwendbare, standardisierte Benutzerschnittstellen dar. Im Rahmen dieses Projektes konnte die multimodale HMI-Lösung direkt mit Hilfe der Beschreibung der zu verwendenden Geräte konfiguriert und gezielt weiterentwickelt werden.

© Alican Alma

Ein weiteres Forschungsthema zur Texturwiedergabe, "Perceptual Substitution-based Haptic Texture Rendering for Narrow-Band Reproduction", wurde ebenfalls erfolgreich umgesetzt. Diese Arbeit wurde von den Editoren der IEEE Transaction of Haptics Journal für bemerkenswert und originell befunden und im März 2023 veröffentlicht  (externer Link). Diese Arbeit bietet ein einfaches und plausibles Wahrnehmungsmodell für die Wiedergabe von Texturen auf mobilen Touch-Geräten, wenn man die begrenzten Möglichkeiten kleiner haptischer Aktoren in kommerziellen mobilen Geräten berücksichtigt. Der Grund dafür ist, dass eine genaue Reproduktion von aufgezeichneten Texturvibrationen für weit verbreitete haptische Wiedergabesysteme auf mobilen Geräten oft nicht möglich ist. In der Regel können haptische Aktuatoren nur Schwingungen mit geringer Bandbreite wiedergeben. Abgesehen von den Forschungsaufbauten müssen Wiedergabestrategien entwickelt werden, die die begrenzten Möglichkeiten verschiedener Aktuatorsysteme und taktiler Rezeptoren nutzen und gleichzeitig die wahrgenommene Qualität der Wiedergabe möglichst wenig beeinträchtigen. Gemäß der Experimente kann die schmalbandigste Vibration mit Frequenzen zwischen 90 Hz und 400 Hz feinen Texturen zugeordnet werden. Außerdem wird festgestellt, dass amplitudenmodulierte Schwingungen eher geeignet sind, um grobe Texturen zu reproduzieren. Um die Rendering-Parameter im Detail zu sehen, kann die oben genannte Forschungsarbeit eingesehen werden.

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