Diplomarbeit
Studiengang Diplom-Medienwissenschaft HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Fachgebiet Rechnerintegrierte Produktion

Anwendungsspezifische Gestaltung von Augmented Reality-Illustrationsobjekten für eine Wearable Computing-Plattformvorgelegt

von cand. Dipl.-Medienwissenschaftler Stefan Hamelmann
2005

Zusammenfassung

Die Gewinnung und Anwendung von Wissen im Unternehmen ist ein bedeutender Produktionsfaktor. Die Rechnerintegrierte Produktion (CIM) hat die Produktentwicklung und Produktionsplanung revolutioniert, aber die durchgängige Verwendung der gewonnenen Erkenntnisse scheitert regelmäßig an den Einschränkungen der stationären Informationstechnik (IT) und der Mensch- Computer-Interaktion (HCI). Der traditionelle Personal Computer (PC) begrenzt den Ort des Informationszugriffs auf den Arbeitsplatz und die Interaktion mit dem System auf den virtuellen Raum. Am Körper tragbare Computer- Systeme (Wearable Computer) offerieren Abhilfe durch die Gewährung des allgegenwärtigen Zugriffs auf Information. Die Kombination mit der Augmented Reality (AR)-Technologie als neuer Form der HCI bietet zusätzliche Möglichkeiten zur Interaktion mit dem System und der Umwelt. Mobile AR-Systeme erlauben die interaktive, dynamische und kontextsensitive Erweiterung der Realität mit virtueller Information. Die Repräsentation der computergenerierten Information ist auf reale Objekte bezogen und verlagert die Benutzungsschnittstelle (UI) in den architektonischen Raum. Dieser Ansatz eignet sich deshalb zur effizienten Unterstützung manueller Tätigkeiten in den industriellen Anwendungsgebieten der Entwicklung, Produktion, Wartung und Schulung. Diese Anwendungsfelder sind auf die menschliche Arbeitskraft angewiesen und können von der kontextsensitiven Bereitstellung der passenden Information zur richtigen Zeit am richtigen Ort profitieren. Aus diesem Grund liegt der Einsatz von mobilen AR-Systemen in den Szenarien des wearIT@work-Projekts nahe. Die vorliegende Arbeit evaluiert den Einsatz der AR-Technologie auf Basis einer Wearable Computing-Plattform und schlägt anhand des Nutzungskontextes individuelle Benutzungskonzepte für ihren Einsatz vor. Die abschließende Unterbreitung der Vorschläge an die Projektgruppen zur technischen Implementierung Szenario spezifischer AR-Anwendungen rundet die Arbeit ab.

Summary

The application of knowledge in a company is an important factor of production. Computer Integrated Manufacturing (CIM) revolutionised product design and production planning. Actually the continuous utilisation frequently fails because of the limitations of the stationary Information Technology (IT) and the Human-Computer-Interaction (HCI). The traditional Personal Computer (PC) restricts the place of information access to the workplace and the system interaction to the cyberspace. Wearable Computer offer remedy by granting ubiquitous access to Information. In combination with the Augmented Reality (AR)- Technology as a new kind of HCI it leverages additional benefits for interaction with the system and the environment. Mobile AR-Systems approve an interactive, dynamic and context-aware augmentation of the reality with virtual information. The represented computer generated infomation is co-located to real objects and allows the shift of the User Interface (UI) to the architectural space. Therefore this approach is suitable for the efficient assistance of manual tasks in industrial applications like development, production, maintenance and training. These fields of application share the need for manpower and are able to benefit from the applicable provision of information at the right time and place. On this account the employment of mobile AR-Systems suggests itself in the scenarios of the wearIT@work-Project. The present exposition evaluates the adoption of the AR-Technology on the basis of a Wearable Computing-Platform considering the context of use and suggesting individual concepts of use. The concluding submission of proposals for the technical implementation of the scenario-specific AR-Applications addressed to the project groups closes this exposition.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 1
1.1 Problematik ... 2
1.2 Zielsetzung ... 5
1.3 Vorgehen ... 6

2 Basistechnologien ... 8
2.1 Wearable Computing ... 8
2.1.1 Definition ... 8
2.1.2 Funktionsweise ... 9
2.1.3 Anwendungen ... 11
2.1.4 Perspektiven ... 16
2.2 Augmented Reality ... 17
2.2.1 Definition ... 19
2.2.2 Funktionsweise und Systemkomponenten ... 21
2.2.2.1 Benutzungsschnittstelle ... 22
2.2.2.2 Tracking ... 25
2.2.2.3 Registrierung ... 26
2.2.2.4 Kalibrierung ... 28
2.2.2.5 Datenbank ... 28
2.2.3 Anzeigegeräte ... 28
2.2.3.1 Kopfbasierte Anzeigen ... 29
2.2.3.2 Mobile und stationäre Anzeigen ... 30
2.2.3.3 Hybride Ansätze ... 33
2.2.4 Tracking-Technologien ... 34
2.2.4.1 Time Frequency Measurement ... 34
2.2.4.2 Optische und videobasierte Verfahren ... 35
2.2.4.3 Inertiale Verfahren ... 38
2.2.4.4 Magnetische Verfahren ... 39
2.2.4.5 Mechanische Verfahren ... 39
2.2.4.6 Hybride Tracking-Verfahren ... 39
2.2.5 Anwendungen ... 40
2.2.5.1 Annotation der Umwelt ... 40
2.2.5.2 Anzeige von Sensordaten ... 42
2.2.5.3 Anzeige künstlicher Daten ... 43
2.2.5.4 Kooperative Anwendungen ... 46
2.2.5.5 Unterhaltung ... 46
2.2.6 Perspektiven ... 47
2.3 Wearable Augmented Reality ... 48

3 Relevante Technologien ... 49
3.1 Virtual Reality ... 49
3.1.1 Definition ... 49
3.1.2 Funktionsweise ... 50
3.1.3 Systemkomponenten ... 50
3.1.4 Anwendungen ... 52
3.1.5 Perspektiven ... 53
3.2 Ubiquitous Computing ... 54
3.2.1 Definition ... 54
3.2.2 Funktionsweise ... 54
3.2.3 Anwendungen ... 55
3.2.4 Perspektiven ... 57
3.2.4.1 Kontextsensitive Anwendungen ... 57
3.2.4.2 Smart Spaces ... 58
3.3 Ambient Display ... 59
3.3.1 Definition ... 60
3.3.2 Funktionsweise ... 61
3.3.3 Anwendungen ... 63
3.3.4 Perspektiven ... 64
3.4 Tangible User Interface ... 64
3.4.1 Definition ... 65
3.4.2 Funktionsweise ... 66
3.4.3 Anwendungen ... 66
3.4.4 Perspektiven ... 67
3.5 Vom Ubiquitous Computing zum Ubiquitous Interface ... 68

4 Stand der Technik mobiler AR-Systeme ... 70
4.1 Anforderungen ... 70
4.2 Wearable-Basissystem ... 72
4.2.1 PDA-basierte Systeme ... 74
4.2.2 PC-basierte Systeme ... 75
4.2.3 Eigenentwicklungen ... 78
4.3 Eingabegeräte ... 78
4.3.1 Freihändige Interaktion ... 79
4.3.2 Ein- oder beidhändige Interaktion ... 81
4.4 Ausgabegeräte ... 86
4.4.1 Video-See-Through (VST)-HMD ... 87
4.4.2 Optical-See-Through (OST)-HMD ... 89
4.4.3 Bewertung ... 92
4.5 Tracking-Technologien ... 95
4.5.1 Optische und videobasierte Verfahren ... 96
4.5.2 Magnetische Verfahren ... 98
4.5.3 Inertiale Verfahren ... 99
4.5.4 GPS-basierte Verfahren ... 100
4.5.5 Ultraschall-basierte Verfahren ... 101
4.5.6 Laser-basierte Verfahren ... 102
4.5.7 Ubiquitous und Distributed Tracking ... 102
4.6 Erfassung und Verarbeitung der Kontextinformation ... 103
4.7 Kommunikation ... 105
4.7.1 Lokale Kommunikation ... 105
4.7.2 Externe Kommunikation ... 106
4.7.3 Kommunikationssysteme ... 106

5 Projektszenarien ... 109
5.1 Maintenaince–EADS ... 109
5.1.1 Aktuelle Situation ... 110
5.1.2 Nutzenpotenzial ... 112
5.1.3 Anforderungen ... 113
5.2 Variable Production-(?)koda ... 114
5.2.1 Aktuelle Situation ... 115
5.2.2 Nutzenpotenzial ... 116
5.2.3 Anforderungen ... 116
5.3 Emergency–BSPP ... 117
5.3.1 Aktuelle Situation ... 117
5.3.2 Nutzenpotenzial ... 117
5.3.3 Anforderungen ... 118

6 Gestaltung der AR-Illustrationsobjekte ... 119
6.1 Vorgehensweise ... 119
6.2 Relevante Arbeiten ... 120
6.3 Gemeinsamkeiten der Szenarien ... 122
6.3.1 Wearable Computing-Plattform ... 122
6.3.2 Manuelle Tätigkeiten in den Szenarien ... 124
6.4 Maintenaince–EADS ... 125
6.4.1 Analyse des Nutzungkontextes ... 126
6.4.1.1 Inspektion ... 126
6.4.1.2 Diagnose ... 126
6.4.1.3 Reparatur ... 127
6.4.2 Entwurf des Benutzungskonzepts ... 127
6.4.2.1 Inspektion ... 128
6.4.2.2 Diagnose ... 128
6.4.2.3 Reparatur ... 129
6.4.3 Umsetzung und Gestaltung ... 129
6.4.3.1 Systemarchitektur ... 129
6.4.3.2 Grafische Benutzungsschnittstelle ... 133
6.5 Variable Production-(?)koda ... 136
6.5.1 Analyse des Nutzungskontextes  ... 136
6.5.2 Entwurf des Benutzungskonzeptes ... 137
6.5.3 Umsetzung und Gestaltung ... 137
6.5.3.1 Systemarchitektur ... 137
6.5.3.2 Grafische Benutzungsschnittstelle ... 141
6.6 Emergency–BSPP ... 143
6.6.1 Analyse des Nutzungskontext ... 143
6.6.2 Entwurf des Benutzungskonzepts ... 144
6.6.3 Umsetzung und Gestaltung ... 145
6.6.3.1 Systemarchitektur ... 145
6.6.3.2 Grafische Benutzungsschnittstelle ... 149

7 Zusammenfassung und Ausblick ... 153
7.1 Ausblick ... 153

8 Abkürzungsverzeichnis ... 157

9 Literaturverzeichnis ... 161

1 Einleitung

Die nationale Industriegesellschaft¹ hat sich zur globalen Informationsgesellschaft² gewandelt [www1-ol], [www2-ol]. Diese Entwicklung beruht auf der Durchdringung aller Lebensbereiche durch moderne Informations- und Kommunikationstechnik (IuK)³ [www6-ol]. Information⁴ hat neben Arbeit, Rohstoffen und Kapital den Status eines vierten Produktionsfaktors erlangt [www3-ol], [www31-ol]. Information geht in die industrielle Produktion ein, lässt neue Märkte und Produkte entstehen und eröffnet ungeahnte Rationalisierungspotenziale. Sie bestimmt die wirtschaftliche Wertschöpfung und verkörpert deshalb einen kritischen Erfolgsfaktor für die Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens. [Gau02, S. 3-21]

Die Informationsgesellschaft ist jedoch nur Vorstufe der Wissensgesellschaft⁵, genauso wie Information das Vorprodukt von Wissen darstellt [www7-ol]. Aus diesem Grund entwickelt sich Wissen⁶ zum wichtigsten Produktionsfaktor [www45-ol]. Im Gegensatz zur Eigenschaft der Information, sich in Form kodierter Daten⁷ maschinell verarbeiten zu lassen, ist die Gewinnung und Verarbeitung von Wissen ungleich schwerer, weil sich Wissen nicht wie Information in digitalen Speichern archivieren lässt [www4-ol]. Wissensressourcen in Unternehmen müssen erschlossen und durch geeignetes Wissensmanagement⁸ als Erfolgsfaktor im Wettbewerb zugänglich gemacht werden [www8-ol]. Die Unternehmensführung muss Erzeugung, Dokumentation, Austausch und Anwendung von Wissen planen und fördern. Der einzelne Mitarbeiter steht dabei im Mittelpunkt, da Wissen zunächst an Individuen und soziale Kontexte gebunden ist und mit Hilfe wissensbasierter Informationssysteme⁹ für die Organisation erschlossen werden muss [www5-ol], [www9-ol]. Nur durch die Mitwirkung der Mitarbeiter können vorhandene Wissenspotenziale und -ressourcen in Wettbewerbsvorteile umgesetzt werden. Handlungspotenzial und Einsatzbereitschaft der Mitarbeiter bestimmen letztendlich die Problemlösungsfähigkeit eines Unternehmens, weshalb es geeignete Anreize und Voraussetzungen¹⁰ für die innerbetriebliche Entwicklung, Nutzung und Kommunikation von Wissen schaffen muss [www20-ol]. [www29-ol], [www30-ol], [www31-ol]

[...]

1 Industriegesellschaft: Die I. ist eine durch Industrialisierung und Arbeitsteilung gekennzeichnete Gesellschaftsform.
2 Informationsgesellschaft: Die I. sieht die IuK als wesentlichen Faktor der wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Entwicklung an.
3 Informations- und Kommunikationstechnik (IuK): Der Begriff vereint die ursprünglich grundverschiedenen Bereiche der Computer- und Telekommunikationstechnik.
4 Information: Die I. wird im Sinne der Informationswissenschaft als Wissenstransfer verstanden, die punktuell bei der Anwendung von Wissen auf eine Problemlösung entsteht.Die I. bezeichnet auch ein mit Bedeutung versehenes Datum.
5 Wissensgesellschaft: Die W. sieht Wissen als zentrale Voraussetzung gesellschaftlicher Entwicklung und wichtigste Produktivkraft an.
6 Wissen: W. basiert auf Information, die in sich stimmig und aufeinander bezogen ist. W. ist sozial bedingt, also eine mit sozialem Kontext versehene Information.
7 Datum: In der Informatik sind Daten maschinenlesbare und -bearbeitbare Repräsentationen digitaler Information. Daten sind regelkonform kodierte Informationen.
8 Wissensmanagement: Das W. nimmt auf die Wissensbasis eines Unternehmens Einfluss. Zur Wissensbasis einer Organisation zählen alle Daten, Informationen und Fähigkeiten zur Lösung ihrer Aufgaben.
9 Wissensbasierte Informationssysteme: W.I. verfolgen die programmgestützte Anwendung von Regelwerken oder Wissensbasen auf konkrete Situationen zur Lösung nicht programmierbarer Probleme.
10 Human Resource Management (HRM): Das HRM setzt eine vorausschauende Personalplanung unter Berücksichtigung unternehmerischer Ziele um.