Wie funktioniert Virtual Reality? Die Technik einfach erklärt

Virtual Reality funktioniert, indem ein Headset jedem Auge ein eigenes, leicht versetztes Bild zeigt und dieses Bild bei jeder Kopfbewegung in Sekundenbruchteilen neu berechnet. Sensoren messen dafür ständig, wohin ihr schaut und wo ihr steht. Passen Bewegung und Bild schnell genug zusammen, akzeptiert euer Gehirn die digitale Welt als Umgebung, in der ihr euch gerade befindet.

Klingt simpel, ist aber ein Wettlauf gegen die Uhr: Als Richtwert gilt, dass zwischen eurer Kopfbewegung und dem passenden Bild nicht mehr als etwa 20 Millisekunden vergehen sollten, also zwei Hundertstelsekunden. Wie Displays, Linsen, Tracking, Klang und Haptik dafür zusammenspielen, erklären wir hier Schritt für Schritt.

Was ist Virtual Reality eigentlich?

Virtual Reality (VR) ist eine computererzeugte Umgebung, die eure Sinne so anspricht, dass ihr euch in ihr anwesend fühlt. Anders als bei einem Film schaut ihr nicht auf ein Bild, ihr steht mittendrin: Dreht ihr den Kopf, dreht sich die Welt mit. Beugt ihr euch vor, kommt ihr näher an Dinge heran.

Dafür braucht jedes VR-System drei Bausteine:

• Ausgabe: Displays, Linsen und Kopfhörer, die Bild und Ton liefern.
• Eingabe: Sensoren, die Kopf, Hände und im besten Fall den ganzen Körper verfolgen.
• Rechenleistung: ein Computer, der aus diesen Daten jede Sekunde viele Dutzend neue Bilder erzeugt, entweder im Headset selbst oder auf einem angeschlossenen PC.

Abzugrenzen ist VR von Augmented Reality (AR): Dort seht ihr weiterhin eure echte Umgebung, digitale Inhalte werden nur eingeblendet. VR ersetzt die Umgebung dagegen vollständig.

Wie entsteht das 3D-Bild im Headset?

Das räumliche Bild entsteht durch Stereoskopie, also durch zwei getrennte Bilder für das linke und das rechte Auge. Weil eure Augen einige Zentimeter auseinanderliegen, sehen sie die Welt aus leicht verschiedenen Blickwinkeln. Euer Gehirn verrechnet diesen Unterschied zu Tiefe. Ein VR-Headset nutzt genau diesen Mechanismus: Es berechnet die Szene zweimal, einmal aus der Position jedes Auges.

Displays: zwei Bilder, sehr nah am Auge

Im Headset sitzen ein oder zwei kleine Bildschirme nur wenige Zentimeter vor euren Augen. Ist es ein einzelnes Display, wird es in eine linke und eine rechte Hälfte geteilt. Weil das Bild so nah ist und stark vergrößert wird, fallen einzelne Pixel schneller auf als bei einem Fernseher. Deshalb ist eine hohe Pixeldichte in VR wichtiger als bei fast jedem anderen Bildschirm.

Linsen: damit ihr überhaupt scharf seht

Auf eine Entfernung von wenigen Zentimetern kann euer Auge nicht scharfstellen. Die Linsen zwischen Display und Auge lösen dieses Problem: Sie lassen das Bild so erscheinen, als läge es deutlich weiter entfernt, und vergrößern es so, dass es einen großen Teil eures Blickfelds füllt. Verbreitet sind zwei Bauarten:

• Fresnel-Linsen sind in Ringe unterteilt, dadurch flach und leicht. Bei hellen Objekten vor dunklem Hintergrund können sie Lichtschlieren zeigen.
• Pancake-Linsen falten den Lichtweg über mehrere Schichten. Das erlaubt kompaktere Headsets, schluckt aber mehr Licht, weshalb die Displays heller leuchten müssen.

Damit die Bilder exakt vor euren Pupillen sitzen, lässt sich bei vielen Headsets der Linsenabstand an euren Augenabstand anpassen. Diese Einstellung ist nicht nur eine Frage der Schärfe, sie beeinflusst auch, wie wohl ihr euch fühlt.

Sichtfeld: der Rand bleibt schwarz

Das Sichtfeld eines Headsets ist kleiner als euer natürliches Blickfeld. Am Rand seht ihr deshalb eine schwarze Umrandung, ähnlich wie beim Blick durch eine Taucherbrille. Die meisten Menschen nehmen sie nach kurzer Zeit kaum noch wahr, weil der Blick auf das Geschehen in der Mitte gerichtet ist.

Woher weiß das Headset, wohin ich schaue?

Tracking ist die laufende Messung von Lage und Position eures Kopfes, eurer Hände und gegebenenfalls eures Körpers. Ohne Tracking wäre VR nur ein Film, der vor euren Augen klebt.

3DoF und 6DoF: Drehen oder auch Bewegen?

Fachleute sprechen von Freiheitsgraden (Degrees of Freedom, DoF). Laut IEEE gibt es drei Drehungen: Kopf seitlich neigen, nicken und nach links oder rechts drehen. Dazu kommen drei Verschiebungen: vor und zurück, links und rechts, hoch und runter.

• 3DoF erfasst nur die drei Drehungen. Ihr könnt euch umschauen, aber nicht näher an etwas herangehen.
• 6DoF erfasst Drehung und Position. Ihr könnt euch ducken, zur Seite treten oder um ein Objekt herumgehen. Für echtes Bewegen im Raum ist 6DoF Voraussetzung.

Inside-out oder outside-in?

Wo die Sensoren sitzen, unterscheidet zwei Grundprinzipien:

	Inside-out-Tracking	Outside-in-Tracking
Wo sitzen die Sensoren?	Kameras und Sensoren im Headset selbst	Externe Stationen oder Kameras im Raum
Einrichtung	Aufsetzen, loslegen	Raum muss vorbereitet werden
Typische Schwäche	Was die Headset-Kameras nicht sehen, etwa Hände hinter dem Rücken, ist schwerer zu verfolgen	Bewegung nur im abgedeckten Bereich
Typischer Einsatz	Eigenständige Headsets für zu Hause	Feste Installationen, Studios, Location-Based VR

Zusätzlich messen Beschleunigungs- und Drehratensensoren im Headset jede Bewegung sehr schnell. Kameras oder externe Systeme korrigieren die kleinen Fehler, die sich dabei mit der Zeit aufsummieren würden.

Warum sind Latenz und Bildrate so wichtig?

Latenz ist die Verzögerung zwischen eurer Bewegung und dem Moment, in dem ihr das passende Bild seht. Fachleute nennen sie Motion-to-Photon-Latenz. Sie umfasst die gesamte Kette: Sensoren messen, Daten werden übertragen, die Software reagiert, das Bild wird berechnet und schließlich vom Display angezeigt. Die Entwicklerplattform Unity nennt als Ziel Werte von idealerweise unter 20 Millisekunden, um Unwohlsein zu vermeiden.

Warum so streng? Euer Gleichgewichtsorgan im Innenohr registriert eine Kopfbewegung praktisch sofort. Kommt das Bild hinterher, widersprechen sich Auge und Innenohr. Forschende um Stephen Palmisano berichten, dass VR-Übelkeit umso stärker wird, je größer eine gleichbleibende Verzögerung ist, und dass auch unregelmäßige Ruckler messbar mehr Beschwerden auslösen. Mehr zu den Ursachen lest ihr in unserem Artikel Warum einem in VR übel werden kann.

Was die Bildrate damit zu tun hat

Die Bildrate, gemessen in Hertz (Hz), gibt an, wie oft pro Sekunde ein neues Bild erscheint. Je höher sie ist, desto weniger Zeit bleibt für jedes einzelne Bild, und desto flüssiger wirkt die Bewegung. Meta nennt in seiner Entwicklerdokumentation folgende Zeitbudgets:

Bildrate	Zeit pro Bild
72 Hz	13,9 ms
90 Hz	11,1 ms
120 Hz	8,3 ms

Schafft eine Anwendung ein Bild nicht rechtzeitig, ruckelt es spürbar. Moderne Systeme nutzen deshalb Tricks wie die Reprojektion: Das zuletzt berechnete Bild wird kurz vor der Anzeige anhand der neuesten Kopfposition leicht verschoben. So passt das Bild trotz Verzögerung besser zur Bewegung.

Wie klingt und fühlt sich VR an?

Gute VR spricht mehr als nur die Augen an, denn euer Gehirn gleicht ständig mehrere Sinne miteinander ab. Je mehr davon zusammenpassen, desto überzeugender wirkt die Illusion.

Raumklang

Raumklang (Spatial Audio) berechnet für jedes Geräusch, aus welcher Richtung und Entfernung es kommen würde, und passt den Klang an eure Kopfhaltung an. Dreht ihr euch zu einer Stimme um, wandert sie von der Seite nach vorn. Das hilft bei der Orientierung: Ihr hört oft früher als ihr seht, wo etwas passiert.

Haptik

Haptik bezeichnet alles, was ihr über die Haut spürt. In Heim-VR übernehmen das meist Vibrationsmotoren in den Controllern. Aufwendigere Systeme ergänzen Westen oder andere Wearables, die an bestimmten Körperstellen vibrieren, etwa wenn euch in der virtuellen Welt etwas trifft. Diese Rückmeldung bestätigt dem Gehirn, dass das Gesehene auch körperlich stattfindet. Wie Sinne zusammenwirken, damit sich eine Welt echt anfühlt, beschreiben wir ausführlich unter Immersion und Presence.

Wo stößt VR-Technik heute an Grenzen?

Trotz großer Fortschritte gibt es Punkte, an denen die Illusion noch nicht perfekt ist:

1. Scharfstellen: In der echten Welt richten sich eure Augen auf ein Objekt aus und stellen gleichzeitig auf dessen Entfernung scharf. Im Headset liegt die Bildebene aber immer in derselben optischen Entfernung. Eine Studie von Hoffman und Kollegen (2008) zeigte, dass dieser Widerspruch die Bildverarbeitung erschwert und zu Ermüdung und Unbehagen beitragen kann.
2. Sichtfeld: Der schwarze Rand erinnert daran, dass ihr ein Gerät tragt.
3. Gewicht und Wärme: Ein Headset sitzt vorn am Kopf, nach längerer Zeit spürt man das.
4. Bewegung ohne Bewegung: Steuert ihr euch per Stick durch die Welt, während ihr auf dem Sofa sitzt, meldet euer Innenohr Stillstand, die Augen aber Bewegung. Bei manchen Menschen führt das zu Übelkeit.
5. Körpergefühl: Viele Heim-Systeme erfassen nur Kopf und Hände. Arme und Beine werden dann geschätzt oder gar nicht angezeigt.

Was unterscheidet VR zu Hause von Location-Based VR?

Location-Based VR ist Virtual Reality an einem festen Ort, der eigens dafür eingerichtet ist, zum Beispiel ein Free-Roam-Store, in dem ihr euch frei durch einen großen Raum bewegt. Die Grundtechnik ist dieselbe wie zu Hause, der Rahmen aber ein anderer:

	VR zu Hause	Location-Based VR (Free Roam)
Bewegungsraum	Wohnzimmer, meist wenige Quadratmeter	Großer, freier Spielbereich
Fortbewegung	Oft per Controller-Stick oder Teleport	Ihr geht selbst
Körper-Tracking	Meist Kopf und Hände	Oft zusätzlich Füße oder ganzer Körper
Mitspieler	Meist online, an anderen Orten	Im selben Raum, als Avatare sichtbar
Haptik	Vibration im Controller	Teils zusätzliche Wearables wie Westen
Einrichtung	Selbst, inklusive Updates	Vor Ort von einem Team betreut

In unseren Sandbox-VR-Stores sieht das so aus: Ihr tragt ein Headset, dazu Motion-Capture-Tracker an Händen beziehungsweise Handgelenken und an Füßen beziehungsweise Knöcheln. Dadurch bewegt sich euer Avatar 1:1 mit, vom Arm bis zum Schritt. Eine haptische Weste gibt Rückmeldung am Körper. Ihr lauft frei durch den Raum und seht eure Mitspieler als Avatare neben euch. Gespielt wird in Gruppen von zwei bis sechs Personen, alle gleichzeitig, rund 30 bis 45 Minuten lang im Erlebnis. Welche Welten es gibt, von Piraten bis Dinosaurier, seht ihr in der Übersicht aller Erlebnisse. Was Free Roam genau ausmacht und worauf ihr bei der Auswahl achten könnt, steht in unserem Beitrag Free-Roam-VR erklärt.

Für Heim-VR spricht dagegen, dass ihr jederzeit spielen könnt, eine riesige Auswahl an Software habt und das Headset auch für Fitness, Filme oder Arbeit nutzen könnt. Location-Based VR punktet bei Bewegungsfreiheit, Körpergefühl und dem gemeinsamen Erlebnis mit Menschen, die wirklich neben euch stehen. Beides schließt sich nicht aus.

Kurz gesagt: Wie funktioniert VR?

VR ist im Kern ein schneller Regelkreis. Sensoren messen eure Bewegung, ein Computer berechnet daraus zwei leicht versetzte Bilder, Linsen bringen sie scharf und groß vor eure Augen, Raumklang und Haptik ergänzen den Rest. Das alles muss so schnell passieren, dass euer Gehirn keinen Widerspruch zwischen Bewegung und Bild bemerkt.

Die wichtigsten Begriffe auf einen Blick:

• Stereoskopie: zwei Bilder, eines pro Auge, ergeben Tiefe.
• 6DoF-Tracking: erfasst neben der Kopfdrehung auch eure Position im Raum.
• Motion-to-Photon-Latenz: die Zeit von Bewegung bis Bild, idealerweise unter etwa 20 Millisekunden.
• Bildrate: wie oft pro Sekunde ein neues Bild erscheint, gängig sind Werte von 72 bis 120 Hz.
• Location-Based VR: VR an einem eigens eingerichteten Ort, oft mit freiem Gehen und Körper-Tracking.

Wer die Technik einmal selbst erleben will, findet die Standorte in Deutschland und Österreich auf unserer Standortseite.