Der Aufstieg des Internets der Sinne

In den letzten zwanzig Jahren hat das Internet der Dinge (IoT) verändert, wie wir uns vernetzen. Jetzt, wo wir auf 2030 zugehen, nimmt eine neue Idee namens Internet der Sinne (IoS) Gestalt an. Im Gegensatz zur traditionellen virtuellen Realität (VR) zielt IoS darauf ab, den Nutzern Erfahrungen zu bieten, die alle Sinne ansprechen. Wir sehen nicht nur und hören nicht nur; wir fühlen, riechen und schmecken auch. Diese Idee könnte verändern, wie wir mit Technologie interagieren.

In diesem Artikel schauen wir uns die aktuellen Technologien an, die multisensorische Erfahrungen möglich machen. Wir vergleichen die traditionelle Art, immersive Medien zu streamen, mit einer neuen Methode, die auf semantischer Kommunikation basiert und von generativer KI unterstützt wird. Die neue Methode benötigt viel weniger Bandbreite und zeigt, wie generative KI Medienerlebnisse transformieren könnte. Allerdings heben wir auch die Herausforderungen hervor, mit denen wir konfrontiert sind, und wie zukünftige Entwicklungen aussehen könnten.

Die Einführung von 5G-Mobilfunknetzen hat unsere Erwartungen an das Internet verschoben. Wir suchen nicht mehr nur nach schnelleren Verbindungen; wir wollen tiefere und interaktivere Erlebnisse. Das hat zu Ideen wie dem Metaversum und digitalen Zwillingen geführt, die eine Vielzahl von Anwendungen wie VR, Augmented Reality (AR) und Fernoperationen mit sich bringen. In diesem Kontext sind vier Hauptideen entstanden, um unser digitales und physisches Leben zu verbinden: smarte Maschinen, programmierbare Welten, nachhaltige Verbindungen und das Internet der Sinne.

Das IoS zielt darauf ab, einen vollständig immersiven digitalen Raum zu schaffen, der über traditionelle Einschränkungen hinausgeht. Durch die Integration von Sehen, Hören, Fühlen, Riechen und Schmecken in digitale Interaktionen können wir eine ansprechendere virtuelle Welt schaffen, die so reich und vielschichtig ist wie unsere physische Realität.

#Schlüsselkonzepte des IoS

Wir erleben das Leben durch verschiedene Sinne und verarbeiten verschiedene Signale in unserem Gehirn. Wenn wir diese Empfindungen genau darstellen können, insbesondere das Fühlen, können wir die Reaktionen und Verhaltensweisen der Menschen verbessern. IoS-Technologie kann es Menschen ermöglichen, eine breite Palette von Empfindungen aus der Ferne zu erleben, was Branchen wie Gesundheitswesen, Bildung und Tourismus beeinflusst. Für das IoS, um wirklich effektiv zu sein, müssen wir jedoch Herausforderungen wie die Synchronisierung von Medien, die Verringerung von Bewegungskrankheit und die Minimierung von Kommunikationsverzögerungen überwinden. Daten aus verschiedenen sensorischen Quellen, wie visuellen und akustischen, zu sammeln, ist entscheidend, um ein multisensorisches Erlebnis zu ermöglichen.

Eine grosse Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass alle sensorischen Eingaben zur richtigen Zeit ankommen und realistisch wirken. Wenn virtuelle Erfahrungen nicht mit realen Empfindungen übereinstimmen, kann das Gehirn verwirrt werden, was zu Unbehagen führt. Um dies zu verhindern, müssen wir verbessern, wie realistisch diese Empfindungen sind, und niedrige Verzögerungen in VR- und AR-Geräten sicherstellen. Das Ziel ist es, sensorische Informationen mit extrem niedriger Latenz zu übertragen, idealerweise innerhalb von 1 bis 10 Millisekunden.

Was die Kommunikationszuverlässigkeit für immersive Medien betrifft, wird vorgeschlagen, dass zukünftige Generationen von Netzwerken eine Latenz von etwa 1 Millisekunde für hochwertige Videoübertragungen und haptisches Feedback erreichen sollten, mit Bandbreitenanforderungen von mehreren Megabit pro Sekunde bis zu etwa 1 Terabit pro Sekunde. Während Geschmacks- und Geruchssignale weniger anspruchsvoll sind, müssen sie dennoch perfekt mit anderen Sinnen synchronisiert werden, um das volle Potenzial des IoS zu erreichen.

Unter den verschiedenen Technologien zeigt die Semantische Kommunikation vielversprechendes Potenzial für ultra-niedrige Latenz, indem der Fokus auf die Bedeutung der Nachrichten statt auf das gesamte Signal gelegt wird. Das ermöglicht schnellere und effizientere Übertragungen.

Neueste Fortschritte in KI-Systemen haben Grosse Sprachmodelle (LLMs) hervorgebracht. Das sind leistungsstarke Werkzeuge, die Informationen in kleinere Nachrichten komprimieren können, während sie die Bedeutung beibehalten. Das umfangreiche Training dieser Modelle ermöglicht es ihnen, zu generieren, zu schlussfolgern und sich auf Weisen anzupassen, die frühere Modelle nicht konnten. Während die generierten Nachrichten möglicherweise nicht identisch mit den Originalen sind, teilen sie die beabsichtigten Bedeutungen effektiv.

LLMs haben das Potenzial, eine entscheidende Rolle im IoS zu spielen, indem sie Herausforderungen wie Synchronisation durch partielle Datenschätzung angehen und die Maschinenintelligenz für bessere Kontrolle bei Fernoperationen verbessern.

Kürzlich haben sich LLMs weiterentwickelt, um mehrere Arten von Medien, einschliesslich Text, Audio und Bilder, zu verarbeiten. Das hat zur Entwicklung multimodaler grosser Sprachmodelle (MLLMs) geführt, die ein breiteres Spektrum menschlicher Kommunikation verstehen und darauf reagieren können. Diese Fortschritte können eine natürlichere Interaktion erleichtern, wie das Übersetzen von Bildern oder Audios in Text.

Wir wollen die Vorteile von LLMs bei der Verbesserung der Effizienz der Kommunikation in immersiven Medien demonstrieren. Insbesondere untersuchen wir das Streaming von 360-Grad-Video von einer Drohne als Beispiel für semantische Kommunikation. Der Prozess umfasst das Erkennen von Objekten und die Generierung beschreibender Texte, die dann an den Server übertragen werden, wo ein LLM die Beschreibung in Code für die virtuelle Darstellung umwandelt. Dieser Code wird dann an den Nutzer gesendet, sodass er die digitale Darstellung sehen kann.

#Schlüsselkonzepte des IoS

Das IoS basiert auf vollständig immersiver Kommunikation, die alle menschlichen Sinne berücksichtigt. Der Designer und Forscher muss darüber nachdenken, wie man sensorische Signale digital für Fühlen, Schmecken, Riechen, Hören und Sehen streamt. Dieses Konzept versucht, die reale Welt mit der digitalen Umgebung zu verbinden, um eine Fernkommunikation zu unterstützen, die authentisch wirkt. Dazu gehört die Kategorisierung sensorischer Eingaben in spezifische Bereiche wie Fühlen, Schmecken, Riechen, Hören und Sehen, ergänzt durch Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs).

#Internet des Fühlens

Fühlen oder haptische Empfindungen verbessern unsere immersiven Erlebnisse. In VR-Training oder Teleoperation hilft das Fühlen, die körperlichen Empfindungen nachzubilden, die für Aufgaben wie Chirurgie notwendig sind. Optimale Fühl-Erlebnisse hängen von schnellen Reaktionszeiten und niedriger Latenz ab. Haptische Technologie kann von einfachen Vibrationen bis hin zu komplexen Systemen reichen, die realistisches Feedback bieten. Geräte wie haptische Handschuhe und Feedback-Controller ermöglichen es Nutzern, mit virtuellen Objekten zu interagieren.

#Internet des Schmeckens

Schmecken dreht sich um das Erkennen und Interpretieren von Aromen. Während traditionelle VR sich auf Bilder und Töne konzentriert, könnte die hinzugefügte Geschmacksdimension das Engagement erhöhen und die Erlebnisse realistischer machen. Aktuelle Technologien erkunden, wie man Geschmacksknospen stimulieren kann, aber das Nachstellen von Geschmack ist herausfordernd, da es stark von anderen Sinnen abhängt.

#Internet des Riechens

Digitale Dufttechnologie umfasst die Detektion oder Erzeugung von Düften. Das kann in verschiedenen Branchen eingesetzt werden, wie der Überwachung der Lebensmittelqualität oder der Verbesserung von Erlebnissen in Schulungen, Tourismus und Therapie. Riechen kann unsere Emotionen und Produktivität erheblich beeinflussen. Geräte, die Düfte freisetzen, können Erlebnisse verbessern, indem sie Gerüche mit visuellen und auditiven Reizen synchronisieren.

#Internet des Tons

Räumliches Audio hilft, Klangerlebnisse zu schaffen, die so wirken, als kämen sie aus verschiedenen Punkten im Raum. Das ist wichtig für immersive Umgebungen, in denen synchronisierte Audioelemente die visuellen ergänzen.

#Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI)

BCIs ermöglichen die direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und Maschinen und machen die Interaktion zwischen Mensch und Technologie nahtloser. Im Kontext des IoS können BCIs helfen, Aktionen basierend auf sensorischen Wahrnehmungen auszuführen.

#Warum wir IoS brauchen

Das IoS kann die Nutzererfahrung in verschiedenen Bereichen erheblich verbessern. Zum Beispiel kann es in der Unterhaltung die Interaktionen ansprechender und realistischer machen. Im Gesundheitswesen kann es eine bessere Patientenüberwachung und Behandlungsmöglichkeiten bieten. In der Wirtschaft kann es das Einkaufserlebnis und Marketingstrategien verbessern. Das IoS kann verändern, wie Menschen mit Maschinen interagieren, indem es natürlicher und intuitiver wird und die Notwendigkeit traditioneller Eingabegeräte beseitigt. Es bietet auch Sicherheit in riskanten Situationen, indem es die Fernsteuerung von Maschinen ermöglicht.

#IoS-Schnittstellen

Aktuelle AR-, VR- und Mixed-Reality-Anwendungen konzentrieren sich hauptsächlich auf Sehen und Hören, aber Studien zeigen, dass die Einbeziehung von Geschmack und Geruch das Eintauchen und die Realität erhöhen kann. Durch die Ansprache mehrerer Sinne können IoS-Schnittstellen helfen, Unbehagen zu reduzieren und das Nutzerengagement zu fördern, was die Grundlage für die Schaffung einer vollständig immersiven virtuellen Umgebung legt.

#Haptische Benutzerschnittstelle

Haptische Schnittstellen fügen XR-Erlebnissen Berührungsempfindungen hinzu und verbessern, wie Nutzer mit virtuellen Umgebungen interagieren. Sie replizieren echte Empfindungen und ermöglichen natürliche Interaktionen mit virtuellen Objekten.

#Olfaktorische Schnittstelle

Geruch kann unsere Emotionen und Erinnerungen erheblich beeinflussen. Durch die Integration von Geruch in XR-Erlebnisse können Entwickler immersivere und realistischere Umgebungen schaffen, indem sie Geräte nutzen, die Düfte als Reaktion auf visuelle oder auditive Reize abgeben.

#Gustatorische Schnittstelle

Gustatorische (Geschmack) Schnittstellen sind ein sich entwickelndes Gebiet, das darauf abzielt, Geschmacksempfindungen in virtuelle Erlebnisse einzubeziehen und so reichhaltigere multisensorische Umgebungen zu bieten.

#Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI)

BCIs verbinden die Gehirnaktivität mit Maschinen und schaffen Möglichkeiten für verbesserte Fähigkeiten und medizinische Behandlungen. Das kann auch zu immersiven Spielerlebnissen führen, bei denen Nutzer Figuren mit ihren Gedanken steuern.

#Natürliche Benutzerschnittstelle (NUI)

NUIs nutzen natürliche Interaktionen für die Kommunikation zwischen Menschen und Maschinen, wie Sprach- oder Gestenerkennung. Neueste Fortschritte in sprachgesteuerten Schnittstellen wie Alexa und Siri haben diese Methoden populär gemacht.

#Ambient User Interface (AUI) und Conversational User Interface (CUI)

Diese Schnittstellen ermöglichen intuitivere Interaktionen, indem sie sich an die Bedürfnisse und Kommunikationsstile der Nutzer anpassen.

#Grundlagenmodelle für IoS

Die Entwicklung grosser Sprachmodelle (LLMs) und multimodaler Modelle markiert einen signifikanten Wandel in der Art und Weise, wie wir Videoinhalte erstellen und übertragen. Forschungen zeigen, dass LLMs Bilder und Videos effektiv komprimieren und darstellen können, ohne die Qualität wesentlich zu verlieren.

#Vorgeschlagene Architektur für generative KI in immersiver Kommunikation

Neueste Fortschritte in LLMs zeigen einen Wandel im Umgang mit Video-Streaming. Wir untersuchen drei Szenarien, in denen LLMs für die Videoübertragung eingesetzt werden können. Im ersten Fall dienen LLMs als Kompressoren, um eine höhere Qualität zu übertragen, ohne viel einzubüssen. Im zweiten Fall bieten LLMs Textbeschreibungen anstelle von Rohvideo, was weniger Daten benötigt. Der dritte Fall beinhaltet die Umwandlung visueller Informationen in einen Code, der leichter zu übertragen ist.

#Beschreibung des Anwendungsfalls

Um die Herausforderungen und Lösungen zu veranschaulichen, stellen wir uns einen Drohnenbetreiber vor, der eine Drohne in einem dichten Wald aus der Ferne steuert. Diese Situation präsentiert Bandbreitenbeschränkungen, die das zurückgestreamte Video an den Betreiber beeinflussen. Der Betreiber kann nur Video und Ton empfangen, was die Umgebung nicht vollständig vermittelt. Um diese Probleme anzugehen, schlagen wir vor, semantische Kommunikation zu nutzen, um das Erlebnis zu verbessern und gleichzeitig die Bandbreite zu reduzieren.

#Vorgeschlagene Architektur für generative KI-unterstützte immersive Kommunikation

Unser vorgeschlagenes Setup ermöglicht es den Nutzern, animierte 3D-Objekte basierend auf Bildern von einer 360-Grad-Kamera einer Drohne zu visualisieren. Der VR-Nutzer steuert die Drohne und erhält sensorische Daten über die Umgebung, einschliesslich Temperatur und Vibration. Das System zielt darauf ab, eine reiche Atmosphäre zu schaffen, die mit der virtuellen Ansicht des Nutzers übereinstimmt.

#Drohne

Die Drohne erfasst und streamt Live-Video zusammen mit ihren Positionsdaten an den Nutzer. Sie verarbeitet visuelle Informationen, um Objekte zu erkennen und Annotationen an einen Cloud-Server zu senden.

#Cloud-Server

Der Cloud-Server verbindet sich mit zwei LLMs: einem zur Verbesserung der Bildunterschrift und einem anderen zur Generierung von Code zur Erstellung immersiver Inhalte. Dies ermöglicht detaillierte Beschreibungen, ohne die Nutzer zu überwältigen.

#Edge-Cloud

Die Edge-Cloud verwaltet das Video-Streaming und die Nachrichtenübertragung. Sie sorgt dafür, dass das System reibungslos funktioniert und eine effiziente Kommunikation zwischen der Drohne, dem Nutzer und der Cloud ermöglicht.

#Experimentelle Ergebnisse

Das experimentelle Setup beinhaltete das Fliegen einer Drohne in der Nähe einer Universität, während 360-Grad-Videos gestreamt wurden. In dieser experimentellen Phase wurden verschiedene Metriken wie Bandbreite und Latenz zwischen der traditionellen Methode und unserem vorgeschlagenen Ansatz gemessen.

#Herausforderungen und Forschungsrichtungen

#Skalierbarkeit für mehrere Nutzer

Die Schaffung von Systemen, die viele Nutzer gleichzeitig unterstützen können, ist eine Herausforderung. Um dies zu ermöglichen, sollten zukünftige Netzwerke Ressourcen und Dienste dynamisch anpassen, ohne die Nutzererfahrung zu beeinträchtigen.

#Latenz und Echtzeitverarbeitung

Für ein vollständig immersives Erlebnis müssen Systeme riesige sensorische Daten schnell verarbeiten. Das erfordert Fortschritte in der Netzwerk-Infrastruktur und Computertechnologien.

#Begrenzungen bei der Edge-Datenverarbeitung

Die Bereitstellung von LLMs auf kleineren Geräten kann aufgrund ihres hohen Rechenbedarfs herausfordernd sein. Effektive Lösungen müssen gefunden werden, um LLMs ohne Leistungseinbussen auszuführen.

#Energieverbrauch

LLMs verbrauchen viel Strom, was mobile Geräte schnell entladen könnte. Lösungen sind erforderlich, um sie praktischer für den täglichen Gebrauch zu machen.

#Integration und Interoperabilität

Die Entwicklung eines nahtlosen IoS, das mit verschiedenen Geräten und Protokollen funktioniert, erfordert innovative Netzwerkstrategien.

#Fazit

In diesem Artikel haben wir einen Rahmen für die Integration grosser Sprachmodelle mit dem Internet der Sinne im Kontext von 6G-Netzen vorgestellt. Wir haben erkundet, wie LLMs die Kommunikation in immersiven Medien verbessern können, und einen praktischen Anwendungsfall vorgeschlagen, um ihre Wirksamkeit zu demonstrieren. Obwohl LLMs erhebliche Bandbreite sparen können, bleibt die Reduzierung der Latenz ein Schlüsselpunkt für die Zukunft. Eine vorgeschlagene Lösung ist das Fine-Tuning von LLMs zur Verbesserung ihrer Effizienz, mit Plänen, weitere Anwendungen in der Fernobjekterkennung und -beschriftung zu erforschen.