Einsatz von Virtual Reality (VR) in der Produktentwicklung (Band 1)

INHALTSVERZEICHNIS

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

TABELLENVERZEICHNIS

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

1 EINLEITUNG

2 VIRTUAL REALITY IN DER PRODUKTENTWICKLUNG
2.1 Produktentwicklung
2.2 Virtual Reality
2.2.1 Systemkomponenten
2.2.2 Virtuelle Prototypen
2.2.3 Prozesskette
2.3 Strategische Bedeutung
2.4 Einsatzpotentiale im Unternehmen
2.4.1 Produktentwicklung
2.4.2 Dienstleistungsentwicklung
2.4.3 Marketing und Vertrieb
2.5 Fazit

3 ANFORDERUNGEN AN EINE METHODE ZUR ANALYSE DES NUTZENS VON VR
3.1 Nutzen von VR
3.2 Klassische Nutzenbewertungsverfahren
3.3 Problembereiche
3.4 Aufbau eines Vorgehensmodells zur Aufstellung einer VR-Nutzenanalyse
3.4.1 Einflussfaktoren
3.4.2 Anforderungen
3.4.3 Struktur

4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

5 LITERATURVERZEICHNIS

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

Abbildung 2-1: Prozesskette einer heutigen Produktentwicklung [BePE06]

Abbildung 2-2: VR-Systemarten [BeRVP06]

Abbildung 2-3: Fokus der Betrachtung

Abbildung 2-4: Funktionsprinzip eines autostereoskopischen Displays [JaSAD03]

Abbildung 2-5: Aufbau von HMD a) [JaSAD03] und VRD b) [Fia99]

Abbildung 2-6: Anwendungsbeispiele für eine objektorientierte Eingabe: Turbinenrad a) [3DA08], Karosserie b) [FARO08], Fabrikumgebung c) [FARO08]

Abbildung 2-7: Klassen virtueller Prototypen nach ihrem Einsatzzweck [BeRVP06]

Abbildung 2-8: Beispiel für einen virtuellen Designprototypen [KöRIPE07]

Abbildung 2-9: Beispiel für einen virtuellen Funktionsprototypen [NEC08]

Abbildung 2-10: Beispiel für einen virtuellen Kommunikationsprototypen [STU08]

Abbildung 2-11: Beispiel für einen virtuellen Prozessprototypen [KöRIPE07]

Abbildung 2-12: Timing virtueller Prototypen in der Produktentwicklung

Abbildung 2-13: Aufbau einer Prozesskette für eine VR-Session

Abbildung 2-14: Ergebnisse nach fehlerhafter Triangulation [BeRVP06]

Abbildung 2-15: Innovationsaktivitäten bei Produkten und Prozessen in der Praxis [Ger99]

Abbildung 2-16: Empirische Schlüsselfaktoren für den Erfolg neuer Produkte [Coo02]

Abbildung 2-17: Möglichkeit zur Kostenbeurteilung und -beeinflussung mit VR [BeRVP06] .

Abbildung 2-18: Mensch-Maschine-Schnittstelle REA zur Simulation des menschlichen Interaktionsverhalten mittels VR [Cas00]

Abbildung 2-19: Paradigmenwechsel in der Produkt- und Dienstleistungsentwicklung [SpDe06]

Abbildung 2-20: Die digitale Fabrik, ein integriertes Produkt-Service-System a) [ReGe05], als Anwendungsgebiet von VR b) [HNI05]

Abbildung 2-21: Beispiele für das Einsatzpotential von VR als Marketinginstrument, Bedienungsanleitung a) [zoo08] und Messeauftritt b) [rmh08]

Abbildung 3-1: Bewertbarkeit der Nutzenpotentiale neuer Technologien wie VR [Nag90]

Abbildung 3-2: Auswahl einiger Verfahren, die häufig zur Bewertung von Prozessinnovationen herangezogen werden [Ger99]

Abbildung 3-3: Analyse des Nutzens von VR in der Praxis [IPT03]

Abbildung 3-4: Einflussfaktoren auf den Nutzen von VR

Abbildung 3-5: Anforderungen an eine VR-Nutzenanalyse

Abbildung 3-6: Strukturmodell einer Methode zur Analyse des Nutzens beim Einsatz von VR in der Produktentwicklung

TABELLENVERZEICHNIS

Tabelle 2-1: Produktübersicht über 3D-Monitore

Tabelle 2-2: Produktübersicht über HMDs

Tabelle 2-3: Produktübersicht über Projektionssysteme

Tabelle 2-4: Produktübersicht über Rechnersysteme

Tabelle 2-5: Produktübersicht über Navigationsgeräte

Tabelle 2-6: Produktübersicht über Datenhandschuhe

Tabelle 2-7: Produktübersicht über Trackingsensoren

Tabelle 2-9: Produktübersicht über Visualisierungssoftware

Tabelle 2-10: Einsatzpotentiale von VR in verschiedenen Wettbewerbssituationen

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 EINLEITUNG

Aufgrund des globalisierten Wettbewerbes sind heutige Unternehmen einem verstärkten Zeit- und Kostendruck ausgesetzt. Die Unternehmen sind daher gezwungen, sowohl durch Produkt- als auch durch Prozessinnovationen, neue Erfolgspotentiale zu entwickeln, um dadurch zu nachhaltigen Wettbewerbsvorteilen zu gelangen.

Als wichtigste Schlüsselfaktoren für den Erfolg eines neuen Produkts kann neben einem wahrnehmbaren Differenzierungsvorteil eine möglichst kurze Time-To-Market herausgestellt werden. Es gilt daher den gesamten Produktentwicklungsprozess durch den Einsatz neuer Methoden, Vorgehensweisen und Technologien qualitativ zu verbessern und zu beschleunigen. Rapid Prototyping (RP) und Virtual Reality (VR) können im Rahmen des Rapid Product Development (RPD) als zwei Technologien genannt werden, um die Qualität und die Geschwindigkeit einer Produktentwicklung grundsätzlich zu erhöhen [BeBu07].

Während das Rapid Prototyping das schnelle und automatisierte Erstellen von physischen Modellen beschreibt, bezeichnet Virtual Reality eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, die es dem Benutzer erlaubt, eine computergenerierte Umwelt in Ansprache mehrerer Sinne als Realität wahrzunehmen [Bur93]. Diese Technologie kann sich die Produktentwicklung zur Visualisierung und Evaluierung virtueller Prototypen im Rahmen des Virtual Prototyping (VP) zu Nutze machen. Unter Virtual Prototyping wird hier die Erstellung eines virtualisierten Prototyps verstanden, dessen Eigenschaften durch Computer simuliert werden [BeRVP06].

In den frühen Phasen einer Produktentwicklung ist es aufgrund fehlender Daten häufig nicht möglich, physische Modelle bzw. Prototypen zu erzeugen. Der große Vorteil von VR gegenüber RP liegt daher im Besonderen darin begründet, dass Aussagen über ein Produkt und dessen Eigenschaften schon in einer sehr viel früheren Phase der Produktentwicklung getroffen werden können. Je früher es in der Produktentwicklung damit zu klar definierten Entscheidungen kommt, desto kürzer ist seine Time-To-Market.

Unter einem Prototyp wird in der Praxis meist ein physisches Produkt, also eine Sachleistung verstanden. Jedoch kann VP im Gegensatz zum RP, auch bei der Entwicklung und Evaluierung neuer Dienstleistungskonzepte, also immaterieller Leistungen, eingesetzt werden. Eine systematische Prototypunterstützung war hier in der Vergangenheit nicht möglich. VR schafft deshalb auch hier neue Möglichkeiten.

VR hat damit nicht nur Einfluss auf die Produktentwicklung. Vielmehr muss unter dieser Technologie ein Werkzeug verstanden werden, durch dessen Unterstützung es möglich ist, komplexe Entwicklungsprozesse innovativer Produkte und Dienstleistungen in Abstimmung mit Kunden, Zulieferern, Vertrieb und Produktion effektiver und effizienter zu gestalten.

Um eine VR-Technologie insbesondere in kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) einzuführen, muss dessen Nutzen begründet sein. Zurzeit stehen den Unternehmen jedoch keine geeigneten Hilfsmittel zur Verfügung, um den Nutzen von VR im Rahmen einer Produktentwicklung zu messen und zu steuern. Daher ist es schwierig, ein „Mehr an Erfolg“ eines Produkts dem Einsatz von VR zuzurechnen.

Während Zeit- und Kosteneinsparungen sehr einfach, z. B. mit Hilfe des Controllings, erfasst und aufgeschlüsselt werden können, fehlen derzeit taugliche Kontrollmechanismen zur Erfassung des Nutzen von VR, der über einen ökonomischen Nutzen hinausgeht. Der strategische und qualitative Nutzen der VR ist im internationalen Wettbewerb jedoch viel bedeutender und muss daher zur Aufstellung einer Erfolgsbilanz für den Einsatz von VR genau analysiert werden.

Insbesondere finanzschwächere KMU haben heute deshalb noch Schwierigkeiten, VR in ihre Entwicklung zu integrieren, weil sie den Nutzen dieser Technologie aufgrund mangelhafter Erfahrung und fehlender Controllinginstrumente schlicht und einfach nicht „sehen“. Deshalb haben sie auch keine Möglichkeit auf den Nettonutzen von VR Einfluss auszuüben. Angesichts beschränkter finanzieller Möglichkeiten reduziert daher das Kostenbewusstsein gerade kleinerer Unternehmen ihre eigenen Innovationspotentiale in der Produktentwicklung.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, Anforderungen, die an eine Methode zur Analyse des Nutzens bei der Anwendung von VR im Unternehmen gestellt werden, herzuleiten und darauf aufbauend ein grundsätzliches Vorgehensmodell für eine spezielle Nutzenanalyse beim Einsatz von VR zu formulieren, welche den Nettonutzen dieser Technologie detailliert untersucht und damit kontrollierbar bzw. steuerbar macht.

In der vorliegenden Arbeit wird hierzu in Kapitel 2 zunächst auf den Stand der Technik von VR und die möglichen Anwendungen eingegangen. Dabei richtet sich der Fokus vor allem auf die möglichen Einsatzpotentiale in der Produktentwicklung industrieller Unternehmen. Hierzu werden die Bestandteile einer VR-Infrastruktur, sowie der Aufbau und Ablauf einer VR-Prozesskette zur Visualisierung virtueller Prototypen erläutert und die Potentiale der VR- Technologie im Unternehmen herausgestellt.

Anschließend werden in Kapitel 3 der Nutzen von VR, sowie klassische Nutzenbewertungs- verfahren aufgezeigt und die Problembereiche der Nutzenanalyse bei VR erläutert. Hieraus werden die Anforderungen an eine Nutzenanalysemethode speziell für VR abgeleitet. Darauf aufbauend wird ein grundsätzliches Vorgehensmodell für die Analyse des Nutzens von VR formuliert.

Danach wird die Arbeit in Kapitel 4 zusammengefasst und mit einem Ausblick beendet.

2 VIRTUAL REALITY IN DER PRODUKTENTWICKLUNG

2.1 Produktentwicklung

Die Produktentwicklung hat sich in den vergangenen Jahren entscheidend gewandelt. Auch wenn sich der grundsätzliche Ablauf eines Produktentwicklungsprozesses immer noch in die Hauptphasen Planung, Konzeption, Definition und Versuch bzw. Erprobung unterteilen lässt [BePE06], so hat sich die heutige Produktentwicklung von einer Einzeldisziplin zu einer Querschnittsaufgabe im Unternehmen entwickelt, wieAbbildung 2-1verdeutlicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1: Prozesskette einer heutigen Produktentwicklung [BePE06]

In Anlehnung an [BePE06] und [WhCl94] kann der Managementprozess einer Produkt- entwicklung heute in eine strategische, taktische und operative Ebene unterteilt werden. In der strategischen Ebene erfolgt zunächst die Bildung einer Entwicklungsstrategie, d. h. es werden Ziele gesetzt, die durch die Produktentwicklung erreicht werden sollen. Diese Ziel- setzung leitet sich unmittelbar aus der Unternehmensstrategie ab. In der taktischen Ebene erfolgen dann die Produktfindung und die detailierte Planung der Produktentwicklung z. B. durch eine Analyse des Marktes, des Wettbewerbs oder der zu berücksichtigenden Technologien. In dieser Ebene wird damit das Fundament für den Produkterfolg gelegt. In der operativen Ebene findet dann die Umsetzung der Produktentwicklung statt, d. h. es wird z. B. entschieden, wie das Produkt ausgelegt und entwickelt wird.

Der Wandel der Produktentwicklung ist in einer analog zum globalen Wettbewerb gestie- genen Innovationsdynamik begründet, die eine zeitliche und kostenmäßige Optimierung des Produktentwicklungsprozesses bei den Unternehmen gegenüber Wettbewerbern notwendig werden ließ. Diese Entwicklung hat deshalb ihren Ursprung im Aufkommen neuer organisatorischer und methodischer Vorgehensweisen zur Optimierung der Produkt- entwicklung. Ein Beispiel hierfür stellt das Simultaneous Engineering dar, bei welchem eine Optimierung der Produktentwicklung durch die Teilparallelisierung einzelner Prozesse sowie durch frühzeitige Kommunikation und Einbindung aller beteiligten Unternehmensbereiche erreicht wird. Virtual Reality stellt im Rahmen des RPD nun eine konsequente Weiterentwicklung in diese Richtung dar, bei welcher über eine Prozesskettenverkürzung in der Produktentwicklung Kosten- und Zeiteinsparungen erzielt werden können [BeRVP06].

2.2 Virtual Reality

Unter Virtual Reality wird eine Technologie verstanden, die dem Benutzer durch eine realitätsnahe Simulation der Sinne ein „Eintauchen“ in eine synthetisch generierte Umgebung vermittelt. Diese Empfindung einzutauchen wird hierbei als Immersion bezeichnet [BeBu07]. Die Immersion wird daher zum entscheidenden Qualitätsmerkmal von VR- Systemen und hängt in erster Linie vom eingesetzten Visualisierungssystem ab.

NachAbbildung 2-2kann das Spektrum der am Markt erhältlichen VR-Systeme damit nach der Komplexität des Visualisierungssystems und der hiermit zu erreichenden Immersion in unterschiedliche Systemarten differenziert werden [BeRVP06]. Heute zählen zu den gebräuchlichsten VR-Systemen, angefangen mit den im Vergleich wenig immersiven Arbeitsplatzumgebungen und Projektionswänden, noch hoch immersive Datenanzüge und CAVE-Umgebungen^[*].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-2: VR-Systemarten [BeRVP06]

Die VR-Technologien lassen sich damit in zwei Kategorien unterteilen, z. B. [HUB06], [IPT03], [Bau96]. Die erste Kategorie nehmen sog. Desktop-Anwendungen ein, mit deren Hilfe der Benutzer einen „Einblick“ in die virtuelle Welt erhält und mit den darin enthaltenen Objekten interagieren kann. Die andere Kategorie bilden aufwendige, hoch immersive virtuelle Welten, in welche der Benutzer eintaucht und zu einem unmittelbaren Bestandteil wird. Jede Bewegung wird erfasst und bewirkt eine unmittelbare Rückkopplung.

Da es sich bei VR im Vergleich zum RP noch um eine noch sehr junge und dynamische Technologie handelt, ergeben sich für Unternehmen aufgrund der geringen Erfahrung noch viele Hemmnisse bzw. Probleme beim Einsatz der VR-Technologie im Rahmen der Produkt- entwicklung. Über zwei Drittel der VR-betreibenden Unternehmen erwirtschaften Milliarden- Umsätze und sind dementsprechend finanzstark [IPT03]. Kleine und mittelständische Unternehmen setzen dagegen nur in Einzelfällen VR in ihrer Produktentwicklung ein. In der Industrie, gerade in kleinen und mittleren Unternehmen, hat VR deshalb seinen endgültigen Durchbruch bis heute noch nicht geschafft. Jedoch schreitet auch hier die Entwicklung, sowohl technologisch als auch organisatorisch immer weiter voran. In der Vergangenheit waren noch Ausnahmebranchen wie die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt oder die Schiffahrtsindustrie die Hauptanwender dieser Technologie, weil die Entwicklung eines physischen Prototypen hier entweder zu teuer oder zum Teil auch gar nicht möglich ist (z. B. Airbus A380). Seit längerem ist dagegen auch ein Trend im Maschinenbau, Anlagenbau, sowie in zahlreichen Zulieferindustrien zu verzeichnen [IPT03], VR als systematische Planungshilfe in die Produktentwicklung zu integrieren.

Wie Eingangs erwähnt und inAbbildung 2-3verdeutlicht, fokussiert sich die folgende Arbeit vornehmlich auf die Verknüpfung der modernen rechnerintegrierten Produktentwicklung mit Virtual Reality. Mit VR lassen sich komplexe technische Zusammenhänge und Abläufe im Rahmen der Produktentwicklung in einen exakten räumlichen und, für alle an der Entwick- lung Beteiligten, verständlichen Kontext bringen. Virtuelle Prototypen neuer Produkte können so auf Schwachstellen sowie Verbesserungsmöglichkeiten hin untersucht werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-3: Fokus der Betrachtung

2.2.1 Systemkomponenten

Ein VR-System zur Visualisierung und Evaluierung eines virtuellen Prototyps besteht aus verschiedenen Systemkomponenten. Diese Systemkomponenten können wie bei einem Computersystem grob in Hardware und Software untergliedert werden.

Hardware

Zur Hardware eines VR-Systems gehören neben einem Visualisierungssystem ein Rechner- system, das die Bildausgabe berechnet, Eingabegeräte, welche die Interaktion zwischen Mensch und VR-System erlauben, und Trackingsensoren, welche die Bewegungen des Benutzers erfassen und damit eine unmittelbare Rückkopplung auf sein Verhalten ermöglichen. Die wichtigste Anforderung an die Hardware ist daher, dass sie unabhängig vom verfolgten Einsatzzweck des VR-Systems, eine äußerst geringe Latenzzeit besitzt. Dies ist die Zeit, die zwischen der Aktivität des VR-Benutzers und der visuellen Ausgabe der Rückkopplung liegt. Überschreitet diese Zeit einen Wert von c. a. 100ms so kommt es im Auge des Betrachters zu einem „Ruckeln“ der Grafik [BeRVP06].

Visualisierungssysteme

Wie bereits in Abbildung 2-2 gezeigt wurde, bietet jedes Visualisierungssystem für sich einen gewissen Grad an Immersion. Allen Visualisierungssystemen ist gemein, dass sie das Prinzip des stereoskopischen, d. h. des räumlichen Sehens eines Menschen nachempfinden. Hierdurch wird der Immersionsgrad eines VR-Systems erst hauptsächlich erreicht.

Die folgende Auflistung gibt nun einen Überblick über die derzeit am Markt verfügbaren Systeme und kann damit helfen, die Frage zu beantworten, wann und wie viel Immersion sinnvoll bzw. überhaupt notwendig ist und welche Geräte dafür geeignet sind.

3D-Monitore

Die vielfach einfachste Möglichkeit einen dreidimensionalen Eindruck virtueller Objekte zu erhalten, bieten 3D-Monitore oder sog. autostereoskopische Displays [BrFa00]. Diese können bereits an jeden normalen Desktop-PC angeschlossen werden. Um den dreidimen- sionalen Eindruck zu erreichen, werden bei 3D-Monitoren zwei Bilder gleichzeitig projiziert, wobei mittels sog. Parallaxe jedes Auge ein anderes Bild erreicht, wieAbbildung 2-4zeigt. Die illustrative Darstellung zeigt, dass mit einem Linsenraster oder einer Streifenmaske das Licht einzelner Pixel in verschiedene Richtungen vor dem Bildschirm abgelenkt wird [HUB06], [Fec99]. Der Tiefeneindruck entsteht erst im Gehirn des Betrachters. Dessen Kopf muss sich dabei an einer sehr eingeschränkten Position befinden, um einen korrekten Stereoeindruck zu erhalten [Fec99]. Manche Displays können in bestimmten Grenzen Kopfbewegungen ausgleichen, indem der Betrachter per Videokamera mittels sog. Eye- bzw. Head-Tracking verfolgt wird. Die Darstellung wird dabei so geändert, dass die „Verteilung“ der Bilder auf die Augen wieder stimmt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-4: Funktionsprinzip eines autostereoskopischen Displays [JaSAD03]

Bei einem 3D-Monitor in einer Mehrbenutzerumgebung werden mehr als 2 Bilder, üblicher- weise zwischen 5 bis 10 Bilder ausgestrahlt. Es können auch noch mehr Bilder ausgestrahlt werden, wodurch sich die Bewegungsfreiheit erhöhen lässt [Fec99]. Jedoch sinkt dann die Bildqualität. Durch eine hohe Anzahl von Bildern ist es möglich, in gewissen Grenzen um Objekte „herumzuschauen“. Dabei entsteht ein hologrammähnlicher Bildeindruck. Ein Problem von autostereoskopischen Displays ist wie bei Stereo-Bildern, dass sich die Linse des Auges nicht auf die wahrgenommene Tiefe, sondern auf die Entfernung des Displays einstellen muss [Fec99].

Die folgende Produktübersicht in Tabelle 2-1beinhaltet eine Auswahl aktuell am Markt erhältlicher 3D-Displays. Die Palette reicht von „Standalone“-Monitoren, über mobile Notebook-Lösungen bis hin zu aufwändigen Komplettsystemen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-1: Produktübersicht über 3D-Monitore

Head-Mounted-Displays (HMD)

Ein HMD besteht praktisch aus zwei Miniaturmonitoren, die für jedes Auge jeweils virtuelle Bilder erzeugen. Die Bilder werden entweder direkt oder über optische Systeme projiziert aktiv betrachtet, vgl.Abbildung 2-5 a). Der Nutzer kann das HMD wie einen Helm auf den Kopf setzen. Die LC-Displays sind dabei so angeordnet, dass die Augen des Benutzers das jeweilige Bild fokussieren können. Das Bild wirkt dann, als würde es schweben. Die Abkapselung von Fremdlicht kann bei manchen Geräten so eingestellt werden, dass eine Interaktion mit realen Gegenständen möglich bleibt. Von allen Visualisierungssystemen erzielen HMD’s bisher die größte Immersion.

Der Nachteil klassischer HMDs ist jedoch die begrenzte Bilddarstellungsfläche und das hohe Gewicht der Komponenten [BrFa00]. Durch die begrenzte Helligkeit dieser Systeme sind diese zudem nur für die Nutzung in Innenräumen brauchbar. Außerdem wirkt das Bild nur scharf, wenn der Benutzer seine Augen auf eine bestimmte Tiefe fokussiert. Aufgrund dieser Probleme geht der Trend bei der Entwicklung von HMD’s hin zu Virtual-Retinal-Displays (VRD), um die Einschränkungen herkömmlicher HMD‘s hinsichtlich ihrer Bildqualität, Gewicht und Kosten zu umgehen [Fec99]. Hierbei werden die Bildinformationen via Rasterstrahl direkt und damit verlustfrei auf die menschliche Netzhaut projiziert, vgl.Abbildung 2-5 b). Die Bilder erscheinen dann im Gehirn groß, hell strahlend, eine Armlänge entfernt und sind wahlweise umschaltbar zwischen den klassischen 4:3 und 16:9 Bilddiagonalen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-5: Aufbau von HMD a) [JaSAD03] und VRD b) [Fia99]

Die folgende Produktübersicht inTabelle 2-2bietet einen Überblick über derzeit am Markt erhältliche HMDs. Das Spektrum reicht von Einstiegsmodellen, über High-End-Lösungen bis hin zur Zukunftstechnologie VRD.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-2: Produktübersicht über HMDs

Projektionssysteme

Projektionssysteme sind die zurzeit am häufigsten genutzten Visualisierungssysteme bei VR [BrFa00]. Sie erlauben eine großflächige immersive Darstellung einer virtuellen Umgebung auch für mehrere Benutzer und stellen daher den Idealtypus einer VR-Umgebung dar. Diese Visualisierungssysteme gehören jedoch zugleich zu den kostenintensivsten Alternativen.

Die Projektion erfolgt dabei mittels zwei Stereoprojektoren, welche jeweils ein Bild für jedes Auge projizieren. Zu unterscheiden ist hierbei zum einen die direkte Aufprojektion, bei welcher die höchste Bildqualität zu erreichen ist, der Betrachter jedoch u. U. im Strahlengang steht. Zum anderen die indirekte Rückprojektion, bei welcher das Bild durch Spiegel rückseitig auf eine teiltransparente Projektionsfläche umgelenkt wird, so dass möglichst wenig Platzbedarf anfällt.

Die Betrachtung erfolgt bei beiden Systemen über sog. Shutterbrillen, welche einen Polarisationsfilter vor jedem Auge haben, damit sich die zwei verschiedenen Bilder im Gehirn des Betrachters zu einer räumlichen Darstellung zusammensetzen können.

Die Auswahl an Projektionssystemen (vgl. Tabelle 2-3)reicht von einflächigen Großbild- projektionen, über mehrwandige bzw. gekrümmte Projektionsflächen mit einem Blickwinkel von bis zu 180°, bis hin zu vollständig geschlossenen Projektionsräumen, sog. CAVE- Umgebungen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-3: Produktübersicht über Projektionssysteme

Projektionssysteme eignen sich vor allem für gruppenorientiertes Arbeiten mit mehreren Teilnehmern an einer VR-Präsentation. Bestimmte Produktmerkmale können direkt am virtuellen Prototyp veranschaulicht und gemeinsam diskutiert werden. So erhalten auch Nicht-Fachleute ein Verständnis für technische Aspekte.

Das Problem hierbei ist jedoch darin zu sehen, dass dann für jeden Betrachter ein korrektes Stereobildpaar der jeweilig eingenommenen Perspektive berechnet werden muss. Dieser Rechenaufwand setzt eine hohe Leistung der Hardware voraus. Wird bei der Berechnung der Grafik die Latenzzeit überschritten, so kommt es zu einem „Ruckeln“ der Visualisierung, wie zu Beginn des Kapitels beschrieben.

Hinzu kommt, dass jede einzelne Projektionsfläche wiederum eine eigene Hardware- Einrichtung erfordert [BrFa00]. Der Nachteil mehrwandiger Systeme liegt damit eindeutig in dem großen Aufwand für eine VR-Präsentation, sowohl im finanziellen als auch im arbeitstechnischen Sinne.

Rechnersysteme

NachTabelle 2-4ist zu erkennen, dass sich Virtual Reality auf vielen Computerplattformen realisieren lässt. Für eine Investitionsentscheidung ist es daher notwendig, einerseits den genauen Bedarf und die Anforderungen, die an die Hardware gestellt werden, und andererseits die auf dem Markt erhältlichen Systeme genau zu analysieren [LuCa95]. Von dem Leistungsbedarf kann dann auf die benötigte Hardware geschlossen werden.

Die größte Entwicklung im Markt geht zweifellos von den Desktop-PC‘s aus. Jährlich kommen neue Rechnergenerationen auf den Markt, die wiederum ein Mehrfaches an Leistung besitzen. Der derzeitige Stand der Technik erlaubt schon jetzt den Einsatz einfacher PC’s oder PC-Cluster zur Generierung und Darstellung der virtuellen Umgebung in Echtzeit. Es ist abzusehen, dass sich die klassischen Desktop-PC’s und die PC’s, welche für die Bildgenerierung verwendet werden, in Zukunft immer weiter annähern [IPT03]. Die Frage über den Einsatz konventioneller PC’s oder spezieller Bildgeneratoren ist daher ein häufiger Diskussionspunkt zwischen Mitarbeitern, d. h. den Anwendern der Technologie, Geschäfts- führern bzw. Abteilungsleitern, d. h. den Budgetverantwortlichen und etwaigen Dienstleistern.

Bei komplexeren VR-Systemen ist es wegen des hohen Berechnungsaufwands für eine möglichst hohe Darstellungsqualität in Echtzeit u. U. ratsam, Hardware mit speziellen Grafik- systemen einzusetzen. Diese können dann einen wesentlichen Teil der CPU-Berechnungen übernehmen und sind leicht austauschbar, wodurch wiederum die Kosten gesenkt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-4: Produktübersicht über Rechnersysteme

Interaktionsgeräte

Interaktionsgeräte für VR ermöglichen einerseits die Navigation in einer virtuellen Umgebung und andererseits die Interaktion mit einzelnen virtuellen Objekten bzw. mit der VR-Welt selbst [Fec99]. Je nach Gerätetyp kann sich der Benutzer bewegen und reagieren wie in der Realität, d. h. es wird eine intuitive Steuerung ermöglicht. Auch Interaktionsgeräte können nach ihrem Immersionsgrad unterschieden werden. Grundsätzlich lassen sich die am Markt erhältlichen Eingabegeräte für VR auf der einen Seite in wenig-immersive Steuergeräte unterteilen. Auf der anderen Seite existieren Eingabegeräte, welche die Bewegungen des Menschen immer natürlicher aufnehmen. Diese Stellung nehmen heute zumeist Datenhandschuhe ein. Um die Bewegungen zu erfassen sind zudem häufig Tracking- sensoren notwendig, die entweder in den Interaktionsgeräten integriert sind oder als eigenständige Systeme erhältlich sind.

Steuergeräte

Allgemein können Steuergeräte nochmals in Geräte für die Navigation an einem wenig immersiven Arbeitsplatz und in Geräte für die Navigation in hochgradig immersiven VR- Umgebungen unterschieden werden (vgl. Tabelle 2-5), die optional mit Trackingsensoren zur Positionsermittlung versehen sind [HUB06]. Zu ersteren gehören unterstützende 3D- Steuergeräte, welche die Navigation für Desktop-Anwendungen erleichtern. Zu letzteren zählen Joysticks zur intuitiven Navigation im virtuellen 3D-Raum.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-5: Produktübersicht über Navigationsgeräte

Datenhandschuhe

Das „Be-greifen“ von virtuellen Gegenständen durch Berührung wird in Zukunft einen noch viel größeren Stellenwert erlangen [HUB06]. Als interaktive Benutzerschnittstelle kommen sog. Datenhandschuhe zum Einsatz, auf deren Rückseite Krümmungssensoren angebracht sind, welche die Krümmung aller Finger-, Daumen-, und Handgelenke messen. Durch die Kombination mit einem Positionstracker kann gleichzeitig die Handposition bzw. -orientierung im Raum ermittelt werden.

Zur leichteren und schnelleren Erstellung von 3D-Objekten am Computer ist es zudem sinnvoll einen Eindruck von Haptik zu vermitteln [Fec99]. Durch den Einsatz sog. Force- Feedback-Systeme wird hierbei der Tastsinn des VR-Benutzers ausgenutzt. Datenhand- schuhe können hierzu zusätzlich mit einem Kraftrückkopplungssystem kombiniert werden, wodurch sich dieser haptische Eindruck erreichen lässt. Durch entsprechende haptische Rückmeldungen werden damit selbst virtuelle Ideen zum Greifen nah und somit begreifbar. Die derzeit masselose Welt virtueller Prototypen wird dadurch realistischer und einfacher, weil intuitiv, zu bedienen [BeBu07]. Dem VR-Benutzer wird ein realistischerer Eindruck der manuellen Tätigkeit vermittelt, wenn er Gegenstände anfassen und (ver)spüren kann.

InTabelle 2-6ist neben den gebräuchlichsten Datenhandschuhen ein Beispiel für einen Prototyp eines solchen Kraftrückkopplungssystems gegeben. Die technologische Entwicklung wird hier in den nächsten Jahren sicherlich noch große Fortschritte machen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-6: Produktübersicht über Datenhandschuhe

Trackingsensoren

Damit sich in der virtuellen Welt alles um den Benutzer „dreht“, müssen alle für das Geschehen relevanten Bewegungen erfasst werden. Die Messergebnisse fließen dann in die Bildgenerierung und Anwendungssteuerung ein und erlauben dem Benutzer, sich relativ zu den dargestellten 3D-Daten zu bewegen und mit diesen zu interagieren. Das bedeutet zum Beispiel, dass der Benutzer einfach eine andere Position oder Blickrichtung einnimmt, wenn er ein Objekt aus einer anderen Perspektive betrachten will; dass er es virtuell anfassen kann und das virtuelle Objekt bzw. die virtuelle Umgebung auf seine Handlungen entsprechend reagiert. Die Messungen, die hierzu notwendig sind, werden als Tracking bezeichnet. Durch die vom Trackingsystem erfassten Bewegungen kann dann eine angepasste virtuelle Welt in Echtzeit generiert werden [LuCa95]. Voraussetzung dafür ist, dass auch die Trackingsensorik eine äußerst geringe Latenzzeit hat. Dies ist hier die Zeit, die zwischen der Aktivität des VR-Benutzers bis zur Meldung an den Computer liegt. Sie hat damit entscheidende Auswirkungen auf die Latenzzeit des gesamten VR-Systems. Ein Problem tritt daher auf, sobald die Bewegungen mehrerer Benutzer erfasst und verarbeitet werden müssen. Für jeden Benutzer müssen dann eine eigene Perspektive und damit zwei weitere Bildansichten pro Benutzer generiert werden [BeBu07]. Dadurch kommt es häufig zu einem „Ruckeln“ der Grafik, sobald die Latenzzeit des Gesamtsystems überschritten wird.

In der Praxis existieren verschiedene Messprinzipien für Trackingsensoren, wie sie inTabelle 2-7dargestellt sind. Einige arbeiten auf der Basis von elektromagnetischen oder optischen Verfahren. Auch existieren Lösungen auf der Basis von Ultraschall.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-7: Produktübersicht über Trackingsensoren

Scanner

Im Gegensatz zu handgeführten Eingabegeräten, mit denen 3D-Daten nur manuell erstellt werden können, dienen Scanner zur automatisierten Erfassung und Verarbeitung von Geometriedaten, die bereits in physischer Form vorliegen. Diese Geräte besitzen daher ein großes Einsatzpotential im Rahmen des Reverse Engineering. Bei diesem Verfahren dienen physikalische Modelle als Ausgangsbasis neuer Prototypen [BeRVP06]. Nähere Details zum Vorgehen finden sich in Kapitel 2.2.2.

Bei den üblichen Scannern wird zwischen Geräten unterschieden, die entweder mit taktilen, d. h. berührenden, oder mit optischen Messverfahren arbeiten [HUB06], [Wir02]. Berührende Messverfahren können jedoch nur eine Menge von Einzelpunkten erfassen. Flächen müssen somit interpoliert, d. h. angenähert werden. Für komplexere Modelle mit Freiformflächen sind dann sehr viele dieser Einzelpunkte notwendig. Diese Methode wird daher sehr schnell unhandhabbar, so dass sie im Rahmen der Geometriedatenerzeugung immer seltener zur Anwendung kommt. Das liegt daran, dass mit zunehmender Anforderung an die Genauigkeit immer mehr die optischen Systeme dominieren. Bei diesen unterscheidet man nochmals zwischen Laser-Scannern und optischen Scannern. Einige Anwendungsbeispiele für den Einsatz von optischen Scannern gibtAbbildung 2-6.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-6: Anwendungsbeispiele für eine objektorientierte Eingabe: Turbinenrad a) [3DA08], Karosserie b) [FARO08], Fabrikumgebung c) [FARO08]

Der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Systemen ist, dass bei einem Laser- Scanner das Messsystem aus einem Laser und einem optoelektronischen Sensor besteht. Mit Hilfe des sog. Lichtschnittverfahrens können die Koordinaten beinahe unendlich vieler Punkte und damit ganzer Flächen eines Objekts bzw. mehrerer Objekte erfasst werden [Wir02]. Damit ist es sogar möglich ganze Umgebungen einzuscannen, was sonst nur mit 360°-Panorama-Fotografien und das auch nur in 2D möglich war. Bei optischen Scannern besteht das Messsystem meist aus einem Projektor, der eine Folge von Hell-Dunkel-Mustern auf das Objekt projiziert, und einer Kamera, welche die durch das Objekt verzerrten Muster erfasst. Aus diesen erfassten Verzerrungen wird anschließend von einer Software die Oberfläche berechnet und rekonstruiert.

Die folgende Produktübersicht beinhaltet eine Auswahl aktuell am Markt erhältlicher 3D- Scanner. Die Palette reicht von Universal-Scannern, mit denen einzelne Bauteile und Gegenstände in 3D erfasst werden können, bis hin zu Spezial-Lösungen, die das Scannen von größeren Objekten, wie Fahrzeugen, Gebäuden oder sogar Landschaften bzw. Umgebungen, erlauben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2-8: Produktübersicht über Geräte zur optischen Geometriedatenerfassung

Software

Die notwendige Software für eine VR-Präsentation umfasst insbesondere drei Kategorien. Hierzu gehören Softwarepakete zur Modellierung, der Computergrafik und der Interaktion, wobei alle drei Komponenten immer stärker miteinander verschmelzen. Aus diesem Grund werden in der anschließenden Produktübersicht inTabelle 2-9nur noch Beispiele für VR- Anwendungen gegeben, die alle drei Komponenten schon heute mehr oder weniger in sich vereinen.

Modellierungssoftware

In einem ersten Schritt hin zur virtuellen Umgebung müssen zunächst 3D-Objekte erstellt werden. Beim so genannten „Modelling“ kommen als Werkzeuge entweder konventionelle 3D-CAD-Programme oder spezielle Modellierer zum Einsatz. Am Markt werden ver- schiedene Produkte angeboten. Sie stammen entweder aus dem klassischen CAD-Sektor oder aus dem Multimediabereich. 3D-CAD-Konstruktionen bzw. 3D-Konstruktionen mit Modellierern unterscheiden sich in mancherlei Hinsicht.

3D-CAD-Systeme bieten z. B. meist nur wenige Möglichkeiten im Hinblick auf Strukturierung oder Objektorientierung und Gestaltung der Oberflächenstruktur, etc. Sie berücksichtigen kaum dynamische Fähigkeiten und keine Möglichkeiten der Interaktion mit dem konstruierten Objekt [PeLe04].

In VR-Anwendungen wie bspw. Autodesk 3D Studio Max (vgl. Tabelle 2-9) dagegen erzeugt der Anwender mit einem CAD-Modul zunächst zwar auch ein dreidimensionales Modell. Im Gegensatz zur herkömmlichen CAD-Konstruktion wird der Benutzer hier jedoch weniger Wert auf Detailtreue als vielmehr auf eine Reduzierung an Konstruktionselementen legen [Bau96]. Entscheidend für die anschließende Visualisierung ist nämlich die Anzahl der Polygone, welche bei allen VR-Anwendungen die kleinste Konstruktionseinheit bilden. In der Regel handelt es sich hierbei um ein ebenes Drei- oder Viereck mit beliebiger Anordnung im Raum. Diese Polygone ergeben in ihrer Vielzahl die Oberfläche eines 3D-Modell [BeBu07], [LuCa95]. Damit ist dann sogar die Erzeugung einer realen Oberflächenstruktur möglich, was in einer virtuellen Umgebung in Zukunft mittels der unter dem Abschnitt „Datenhandschuhe“ beschriebenen Force-Feedback-Schnittstellen auch einen haptischen Eindruck ermöglichen wird.

Da bei Virtual Reality Bewegungsabläufe in Echtzeit, also quasi live, berechnet werden müssen, ist der sparsame Umgang mit Konstruktionselementen von Vorteil [Bau96]. Denn es gilt, je größer die Anzahl an Konstruktionselementen und damit die der Polygone ist, desto höhere Ansprüche werden an die Hardwareleistung gestellt [BeBu07]. Jedoch erhöht die Anzahl der Polygone den Level of Detail (LoD), d. h. die Darstellungsgenauigkeit und damit wiederum den Realitätseindruck.

Grafiksoftware

Wurde ein 3D-Modell erstellt, so kommt es in einem zweiten Schritt nun darauf an, die Art der Darstellung zu erzeugen [Bau96]. Zuerst wird dazu die Perspektive, welche der Benutzer einnimmt, berechnet. Die berechnete Perspektive lässt sich dann verschieden darstellen. Die einfachste Art der Darstellung ist hier ein Drahtgittermodell, welches den geringsten Rechenaufwand verursacht. Da diese Art der Darstellung in den meisten Fällen jedoch nicht ausreichend ist, müssen in einem nächsten Schritt die Oberflächen berechnet werden. Die Möglichkeiten des Rendering reichen hier von der Berechnung nur eines Farbwertes pro Polygon, über ganze Farbverläufe innerhalb der Polygone, bis hin zu komplexen Lichtreflexionen oder gar Transparenz [PeLe04], [Fec99], [LuCa95], je nach gewünschtem Realitätsgrad.

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^[*] Der Begriff CAVE (Cave Automated Virtual Enviroment) stammt von der Firma Fakespace Systems und bezeichnet einen würfelartigen Projektionsraum mit Projektionswänden auf mindestens vier Seiten dieses Raums.