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Bachelorarbeit: Embedded System für SteamVR-Tracking

Den Signalen auf der Spur

Die Elektrotechnik-Absolventen Felix Baumann und Jonas Schönenberger haben die Signale einer Trackingtechnologie für Virtual Reality-Anwendungen analysiert und decodiert. Ihre Erkenntnisse aus dem sogenannten Reverse Engineering nützen künftigen Forschungsprojekten.

Die präzise Lokalisierung innerhalb von Gebäuden oder Räumen gewinnt zunehmend an Bedeutung – auch in Zusammenhang mit Anwendungen im Bereich Virtual Reality (VR). Als Technologie erobert VR nicht nur die Welt der Computerspiele, sondern bietet auch im industriellen Umfeld neue Möglichkeiten. Dank VR können Prototypen von Geräten oder Maschinen betrachtet und getestet werden, noch bevor sie überhaupt gebaut worden sind. Wenn es aber nicht mehr nur um Unterhaltung geht, sondern um die kostspielige – oder im besten Fall kostengünstigere – Entwicklung von Produkten, hat eine millimetergenaue Positionsbestimmung innerhalb eines virtuellen Raumes einen besonders hohen Stellenwert.

Wie haben die das gemacht?

«Eine hochpräzise Lokalisierung für VR-Anwendungen ist mit herkömmlichen Technologien kostspielig», so Jonas Schönenberger. «Die Infrastruktur SteamVR-Tracking von der Firma Valve ist im Vergleich recht günstig und der Aufbau einfach. Man benötigt lediglich einige Sensoren und zwei sogenannte Lighthouses.» Das Interesse der Elektrotechnik-Absolventen war schnell geweckt. «Da Valve nur wenig Information zur Technologie preisgibt, haben wir selber nachgeforscht», ergänzt Felix Baumann. «Wir wollten herausfinden, auf welchen Codes dieses Tracking beruht.» Das Erforschen oder Aufschlüsseln einer bestehenden Technologie nennt sich Reverse Engineering und war das Hauptziel der Bachelorarbeit von Felix Baumann und Jonas Schönenberger.

«Wir wollten herausfinden, auf welchen Codes dieses Tracking beruht.» 

Felix Baumann

Analyse und Decodierung

SteamVR-Tracking wurde vor allem für den Einsatz mit VR-Brillen entwickelt, wie Felix Baumann erklärt: «Mithilfe von Infrarotlasern aus den beiden Lighthouses können Position und Orientierung der Brille oder eines anderen Objekts im Raum bestimmt werden.» Auf den zu lokalisierenden Objekten sind dafür Infrarotdioden angebracht, welche die ausgesandten Laser detektieren. Das Objekt misst mittels der Sensoren, in welchem Winkel es von den Lasern getroffen wird. Mit diesen Winkeln werden Position und Orientierung in Relation zu den Lighthouses bestimmt. «Ziel unserer Arbeit war das Reverse Engineering der per Laser übertragenen Codes, damit das Tracking ausserhalb des von Valve entwickelten Ökosystems für Forschungszwecke nutzbar wird», erklärt Jonas Schönenberger. Die grösste Herausforderung lag für die Absolventen darin, die ausgesandten Signale aus den Lighthouses zu messen, zu analysieren und schliesslich zu decodieren. Dies ist ihnen weitestgehend gelungen.

Erkenntnisse für die Forschung

«Das langsamere Signal, das die Kalibrierungsparameter überträgt, konnten wir zwar nicht analysieren», so Felix Baumann. «Dies war jedoch bewusst nicht Teil der Aufgabenstellung, da die Werkseinstellungen der Lighthouses für die Realisierung eines Trackers nicht notwendig sind.» Das schneller modulierte Signal, das den Winkel des Rotors codiert, konnten die Absolventen hingegen vollständig entschlüsseln. «Die Kodierung haben wir als Manchester-Code einer Pseudozufallsequenz identifiziert und auch die Generatorpolynome identifizieren können», so Jonas Schönenberger. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Lighthouses und der eigens entwickelte Decoder sind Grundlage für die weitere Entwicklung von Trackinggeräten mit der Technologie von SteamVR-Tracking.