Kompressionsstandard für Haptik 25.06.2024, 13:28 Uhr

HCTI überträgt den Tastsinn über das Internet

Unter Leitung der TU München wurde ein Kompressionsstandard für Haptik entwickelt. Mit Hilfe von HCTI lassen sich künftig Empfindungen über das Internet übertragen.

HCTI überträgt den Tastsinn über das Internet

Im Labor von Prof. Eckehard Steinbach testen Forschende den neuen Standard für das Internet. Im Bild (v.l. nach r.): Prof. Eckehard Steinbach; Basak Gülecyüz, Doktorandin; Dong Yang, Doktorand; Stefan Hägele, Doktorand; Labor Prof Steinbach;

Foto: Andreas Heddergott /TUM

Stellen Sie sich vor, Sie könnten einen Roboterarm in der Ferne so präzise steuern, als wäre er Ihr eigener Arm. Oder Sie könnten Filme und Spiele so realistisch erleben, als wären Sie mittendrin. All das wird durch den neuen Standard „Haptic Codecs for the Tactile Internet“ (HCTI) möglich, der von einem Konsortium unter der Leitung der Technischen Universität München (TUM) entwickelt wurde. Konkret geht es darum, wie künftig der Tastsinn über das Internet übertragen wird.

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Was ist HCTI?

HCTI ist ein Komprimierungsstandard für haptische Daten, also Informationen über den Tastsinn. Es ermöglicht die effiziente Übertragung dieser Daten über das Internet, so dass sie in Echtzeit und mit hoher Genauigkeit übertragen werden können. HCTI funktioniert ähnlich wie JPEG für Bilder oder MP3 für Musik: Es komprimiert die Daten, indem irrelevante Informationen herausgefiltert werden. Dadurch wird die Datenmenge deutlich reduziert, ohne dass die Qualität der übertragenen Informationen leidet.

Damit haptische Informationen, also unser Tastsinn, über das Internet übertragen werden können, müssen sie zunächst in eine digitale Sprache übersetzt werden. Diese Aufgabe übernehmen sogenannte Codecs, die als Komprimierer und Dekomprimierer fungieren.

Der neue IEEE-Standard 1918.1.1 definiert erstmals einen solchen Codec speziell für die haptische Datenübertragung. Wie Prof. Eckehard Steinbach, Leiter des Lehrstuhls für Medientechnik der TUM, erklärt, erfasst dieser Codec zwei wichtige Aspekte:

  1. Bewegungsempfindungen: Positionen und Kräfte, die auf unsere Gliedmaßen wirken, werden digitalisiert und übertragen.
  2. Hautsensibilität: Die Fähigkeit, Oberflächenstrukturen wie Papier oder Metall zu erkennen, wird ebenfalls in digitale Signale umgewandelt.

Zusätzlich zum haptischen Codec beinhaltet der Standard ein standardisiertes Protokoll namens „Handshaking“. Dieses Protokoll sorgt dafür, dass die Geräte, die miteinander kommunizieren, sich gegenseitig erkennen und die Übertragungsparameter vereinbaren können.

Wie funktioniert HCTI?

HCTI verwendet verschiedene Techniken zur Komprimierung haptischer Daten, darunter:

  • Prädiktionscodierung: Diese Technik nutzt die Tatsache aus, dass sich haptische Daten oft über die Zeit hinweg ändern. Anstatt jeden Datenpunkt einzeln zu übertragen, wird nur die Änderung zwischen zwei Datenpunkten übertragen.
  • Adaptive Quantisierung: Diese Technik passt die Genauigkeit der Datenübertragung an die Empfindlichkeit des menschlichen Tastsinns an. Informationen, die der Mensch nicht wahrnehmen kann, werden mit geringerer Genauigkeit übertragen.
  • Datenreduktion: Diese Technik entfernt redundante Informationen aus den Daten, z. B. Informationen, die sich aus anderen Daten ableiten lassen.

Bisherige Verfahren zur Übertragung haptischer Informationen, also unseres Tastsinns, waren mit einer hohen Frequenz von bis zu 4.000 Datenpaketen pro Sekunde in beide Richtungen verbunden. Dies stellte eine große Herausforderung für die Kommunikationsnetze dar, die diese Datenmengen bewältigen mussten.

Ein Vorteil dieser hohen Taktung war die realitätsnahe Teleoperation und die Robustheit der Übertragung, selbst wenn einzelne Datenpakete verloren gingen. Die Forschenden streben jedoch eine Reduzierung der Taktung auf etwa 100 Datenpakete pro Sekunde an. „Dies liegt nahe an der Wahrnehmungsschwelle des Menschen“, erklärt Prof. Steinbach.

Welche Vorteile bietet HCTI?

HCTI bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber bestehenden Verfahren zur Übertragung haptischer Daten:

  • Höhere Datenrate: HCTI ermöglicht die Übertragung haptischer Daten mit deutlich höheren Datenraten als bisherige Verfahren. Dies bedeutet, dass die Daten in Echtzeit und mit hoher Genauigkeit übertragen werden können.
  • Geringere Latenz: HCTI reduziert die Latenz, also die Verzögerung zwischen dem Senden und Empfangen von Daten. Dies ist wichtig für Anwendungen, bei denen eine schnelle Reaktion des Benutzers erforderlich ist, z. B. bei der Telechirurgie oder beim Telefahren.
  • Geringere Bandbreitenanforderungen: HCTI reduziert die Bandbreitenanforderungen für die Übertragung haptischer Daten. Dies ist wichtig für Anwendungen, die über mobile Netzwerke übertragen werden, z. B. bei der Fernsteuerung von Drohnen oder Robotern.

Welche Anwendungen sind mit HCTI möglich?

HCTI ermöglicht eine Vielzahl neuer Anwendungen in den Bereichen:

  • Telechirurgie: HCTI ermöglicht es Chirurgen, Roboterarme aus der Ferne zu steuern, um Operationen an Patienten durchzuführen, die sich an einem anderen Ort befinden. Dies kann die Lebensqualität von Patienten verbessern, die in ländlichen Gebieten leben oder an komplexen Operationen leiden, für die es vor Ort keine Spezialisten gibt.
  • Telefahren: HCTI ermöglicht es, Fahrzeuge aus der Ferne zu steuern. Dies kann für autonomes Fahren, Katastrophenhilfe oder die Fernsteuerung von Baumaschinen eingesetzt werden.
  • Gaming und Filmindustrie: HCTI ermöglicht realistischere und intensivere Spielerlebnisse, z. B. durch Vibrationen im Lenkrad oder Exoskelette.
  • Einkauf: HCTI ermöglicht Online-Shopping mit haptischem Feedback, um die Qualität von Kleidung oder anderen Produkten zu beurteilen.
  • Ultraschall im Rettungswagen: HCTI ermöglicht lebensrettende Ultraschalluntersuchungen schon während des Transports zum Krankenhaus.

„Auch bei JPEG, MP3 oder MPEG entstanden viele Anwendungen, nachdem der Standard öffentlich war“, erläutert Prof. Steinbach, „das erwarte ich auch von unseren neuen haptischen Codecs.“

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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