Vergleichanalyse (Benchmark) von verschiedenen modernen 3D-CAD-Eingabegeräten


Studienarbeit, 2002

103 Seiten, Note: 1.3


Leseprobe


Meimann Valentin
Vergleichanalyse (Benchmark)
von verschiedenen modernen
3D-CAD-Eingabegeräten
R U H R - U N I V E R S I T Ä T B O C H U M
Fakultät für Maschinenbau
Institut für Konstruktionstechnik
Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik

Vorwort
2
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand am Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik an der
Ruhr Universität Bochum.
Herrn Professor Dr.-Ing. Michael Abramovici, Inhaber des Lehrstuhls, bin ich sehr
dankbar für das Interesse an diese Arbeit.
Herrn Dipl.-Ing. Alexander Stekolshchik danke ich für die freundliche Betreuung und
die wertvollen Hinweise.
Der Firma LogiCad 3D, inzwischen 3D-Connexion, bin ich dankbar für die kostenlose
Bereitstellung von 3D-Eingabegeräten Spacemouse und Cyberpuck.
Der Firma Labtec, inzwischen 3D-Connexion, danke ich ebenfalls für das 3D-
Eingabegerät Spaceball.
Ich danke den vielen Studenten und Assistenten des Lehrstuhls, die an der Studie
teilgenommen haben und die wertvollen Erkenntnisse lieferten.
Bochum,
im
Mai
2002
Valentin
Meimann

Inhaltsverzeichnis
3
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ... 2
Inhaltsverzeichnis ... 3
Abbildungsverzeichnis ... 5
1. Einleitung ... 7
2. Stand der Technik und der Forschung ... 9
2.1 Klassifikation
von Eingabegeräten ... 9
2.2 Marktübersicht
... 11
2.2.1 2D-CAD-Eingabegeräte ... 12
Computer-Maus und ­Tastatur ... 12
Graphisches Tablett ... 14
2D-Scanner ... 14
2.2.2 3D-CAD-Eingabegeräte ... 16
2.2.2.1 Grundlegendes zu 3D-Navigation ... 17
2.2.2.2 Das ergonomische Konzept ... 18
2.2.2.3 Übersicht von 3D-CAD-Eingabegeräten ... 21
Knob-Box ... 21
3D-Mouse, Isotrack, Tracker ... 21
Spacemouse, CadMan, Cyberpuck, ErgoCommander ... 22
Spaceball, Spacecat ... 26
3D-Scanner ... 27
2.2.3 VR-Eingabegeräte ... 28
Datenhandschuh ... 28
Datenanzug ... 29
Trackingsystem ... 29
Binocular Omni Orientation Monitor ... 29
ZYKLOP ... 30

Inhaltsverzeichnis
4
3. Vergleichsanalyse - Benchmark ... 32
3.1 Testgeräte
...
32
3.2 Geräteanforderungen - Hardware ... 33
3.3 Geräteanforderungen - Software ... 35
3.3.1 Grundsätze der Software-Ergonomie ... 35
3.4 Weitere
Testkriterien
...
38
3.5 Testverlauf
... 38
3.6 Typische
Bauteile
...
40
3.7 Testergebnisse im Überblick ... 42
3.7.1 Spacemouse Plus XT ... 43
3.7.2 Spaceball 4000 FLX ... 46
3.7.3 Cyberpuck ... 49
3.7.4 Zeitgewinn ... 50
3.7.5 Test-Tabelle ... 52
3.7.6 Amortisierung ... 55
3.7.7 Das ,,ideale" 3D-CAD-Eingabegerät ... 56
4. Szenario: 3D-CAD und ASP ... 57
4.1 Spezielle
Problemfelder
und mögliche Lösungen ... 58
4.2 Einfache
Datenübertragung
...
59
4.3 Übertragung von Änderungsinformationen ... 60
4.4 Eingabedaten-Konvertierung
... 62
4.5 Vergleich der Konzepte ... 64
5. Ausblick ... 65
6. Zusammenfassung ... 67
Anhang A ­ Testfragebogen ... 68
Anhang B ­ Statistische Auswertung ... 83
Anhang C ­ Liste der unterstützten Applikationen ... 91
Anhang D ­ Abkürzungsverzeichnis ... 96
Anhang E ­ Literaturverzeichnis und Quellennachweis ... 98

Abbildungsverzeichnis
5
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Übersicht von verschiedenen typischen
Dateneingabegeräten ... 11
Abbildung 2: Maus mit Scrollrad (Logitech) ... 13
Abbildung 3: 3D-Navigation ... 16
Abbildung 4: Ein ergonomisch ausgestatteter CAD-Arbeitsplatz ... 19
Abbildung 5: Ultraschalbasierte 3D-Maus von Logitech (1992) ... 21
Abbildung 6: Spacemouse (3Dconnexion) ... 22
Abbildung 7: Patentiertes opto-elektronisches Meßsystem ... 23
Abbildung 8: Nibble / Byte Kodierung ... 24
Abbildung 9: Einsatzmöglichkeiten von ErgoCommander (3Dconnexion) ... 25
Abbildung 10: Prototyp der Spacecat ... 26
Abbildung 11: Spaceball von Labtec ... 26
Abbildung 12: Funktionsprinzip eines Datenhandschuhs ... 28
Abbildung 13: Getestete Geräte
a) Spaceball, b) Spacemouse, c) Cyberpuck ... 33
Abbildung 14: Maximal zulässige Drehbereiche der Hand ... 34
Abbildung 15: Softwareanforderungen ... 37
Abbildung 16: CSG-Struktur der Ventilscheibe ... 40
Abbildung 17: Komplexes Bauteil ,,Ventilgehäuse" ... 41
Abbildung 18: Lernprogramm "3D Cube" ... 43
Abbildung 19: Etwas ungünstige Tastenlage bei der Spacemouse ... 44
Abbildung 20: Tastenprogrammierung unter SolidWorks ... 45
Abbildung 21: a) richtige und b) falsche Handposition (Labtec) ... 48
Abbildung 22: Einstellungsoptionen des Cyberpucks ... 49
Abbildung 23: Konstruktionszeit mit 3D-CAD-Eigabegeräten in der
Testphase bei erfahrenen CAD-Anwendern ... 51
Abbildung 24: Konstruktionszeit mit 3D-CAD-Eigabegeräten in der
Testphase bei unerfahrenen CAD-Anwendern ... 51
Abbildung 25: Allgemeines ASP-Modell ... 57

Abbildungsverzeichnis
6
Abbildung 26: Einfache Datenübertragung ... 59
Abbildung 27: Applikationverteilung ... 60
Abbildung 28: Übertragung von Änderungsinformationen ... 61
Abbildung 29: Verteilung der Applikation ... 62
Abbildung 30: Eingabedaten-Konvertierung ... 63
Abbildung 31: Vergleich der Konzepte ... 64

Einleitung
7
1. Einleitung
In allen Bereichen der Technik findet man heute Automaten und Systeme, die sich
in bis zu sechs Raumfreiheitsgraden (6DOF
*
) steuern lassen. Erste auffällige
Vertreter dieser Kategorie waren Industrieroboter, die genau sechs Freiheitsgrade
benötigen, um jeden Punkt ihres Arbeitsraums mit beliebiger Orientierung des
Greifers anfahren zu können. Ein noch breiteres, in den letzten Jahren gerade zu
explosiv gewachsenes Gebiet dieses Typs ist die 3D Computergrafik.
Bereits vor ca. 12 Jahren ließen sich die ersten Drahtmodelle räumlicher Objekte
auf den damals leistungsfähigsten Grafik Maschinen ruckfrei interaktiv in Echtzeit
vom Bediener bewegen. Inzwischen sind Stereo-Grafik Systeme auf dem Markt, mit
denen man volumenmäßig und mit allen Lichtschattierungen dargestellte Objekte
manipulieren und dadurch von allen Blickwinkeln und unterschiedlichen
Entfernungen betrachten kann. Die darstellbaren Szenen werden ständig
komplexer. Moderne Rechner schaffen es inzwischen, die einen riesigen
Rechenaufwand erfordernden Spiegelungseffekte auf räumlich modellierten
Automobilkarosserie mehrmals pro Sekunde darzustellen.
Mit der rasanten Grafikentwicklung einher geht im Konstruktionsbereich der deutlich
sichtbare Trend, neu zu entwickelnde Teile gleich dreidimensional zu konstruieren
und zu modellieren, und im Sinne des Computer Integrated Manufacturing (CIM)
direkt auch zu Maschinen zu transferieren, die sie ebenfalls räumlich bearbeiten
können. So nimmt es nicht wunder, dass in den letzten Jahren der Wunsch immer
stärker wurde, für derartige Systeme komfortable 3D Steuer- und
Manipulationsgeräte verfügbar zu haben.
Bereits Ende der siebziger Jahre wurde bei der DLR an der Entwicklung eines
solchen Gerätes für die sechs Freiheitsgrad-Fernsteuerung eines Robotergreifers im
,,kartesischen Raum" gearbeitet.
Trotz des atemberaubenden Fortschritts der Digitaltechnik zeigte es sich aber sehr
schnell, dass digitale Mensch-Maschine Schnittstellen dem Menschen nicht
angepasst sind, da menschliche sensumotorische Verhaltens- und Reaktionsweise
analog ist und immer bleiben wird.
*
Englisch: DOF - Degree Of Freedom

Einleitung
8
Heutzutage finden sich auf dem Markt eine Vielzahl von verschiedenst
funktionierenden 3D-Eingabegeräten, die ihr Ziel mehr oder weniger gut erfüllen.
Mit 3D-CAD und einem 3D-Eingabegerät besitzt der Konstrukteur ein Hilfsmittel,
dessen Leistungsumfang deutlich über das hinausgeht, was die klassischen
Eingabegeräte Tastatur und Maus ihm bieten können. Es ist deshalb nicht
verwunderlich, dass CAD-Anwender, die einen konsequenten Übergang zur 3D-
Arbeitsweise vollführen, über spürbare Vorteile berichten, die vor allem aus
verkürzten Konstruktionszeiten, aus einer Verminderung der Konstruktionsfehlern
und aus einer verbesserten Fertigungs- und Montagegerechtheit der
Konstruktionsergebnisse resultieren. 3D erfordert einen Umdenk- und
Umgewöhnungsprozess: räumliches Modellieren anstelle des gewohnten Denkens in
zweidimensionalen Projektionen.
Das Ziel dieser Arbeit ist, die meist verbreiteten 3D-CAD-Eingabegeräte anhand
ergonomischen und wirtschaftlichen hardware- und softwareseitigen Kriterien zu
vergleichen und den interessierten Unternehmen, die bisher keine neutralen
sachlichen Informationen besitzen, eine Entscheidungsgrundlage zur Hand geben.
Die Testergebnisse sollen auch den Herstellern die Anregung zur Nachbesserungen
und Weiterentwicklungen geben.

Stand der Technik und der Forschung
Klassifikation von Eingabegeräten
9
2. Stand der Technik und der Forschung
2.1 Klassifikation von Eingabegeräten
Eine Vielzahl zur Zeit auf dem Markt erhältlichen Eingabegeräten lässt sich nur
schwer überblicken. Dies erfordert eine Unterteilung der Eingabegeräte nach
Merkmalen in Untergruppen. Die Kriterien für die Klassifikation sind:
Anzahl der Freiheitsgraden bei der Eingabe. Meistens wird zwischen 2D-
und 3D-Eingabegeräten unterschieden, mit entsprechend 2 und 6
Freiheitsgraden, obwohl die ersten auch für einfachere 3D-Aufgaben in
gewisser Weise geeignet sind.
Art der Dateneingabe. Die Informationen werden in den meisten Fällen mit
Hilfe von manuellen Eingabegeräten in alphanumerischer oder graphischer
Form an den Rechner übermittelt. Daneben existieren aber auch Geräte zur
automatischen Erfassung graphischer Daten oder zur akustischen Eingabe
von Befehlen und Daten mit natürlicher Sprache.
Umfang der gelieferten Daten, der durch Anzahl der Freiheitsgrade,
Tasten oder andere Sonderfunktionen bestimmt wird. Besonders bei den 3D-
Eingabegeräten, die gleichzeitig Bewegungen in allen sechs Freiheitsgraden
an den Rechner übermitteln, ist der Datenumfang sehr groß.
Art der gelieferten Daten. Positions- oder Bewegungsdaten können als
relative oder absolute Daten geliefert werden. Der Unterschied zwischen
absoluten und relativen Daten besteht darin, dass bei absoluten Daten immer
die Daten relativ zu einem Bezugspunkt im Raum geliefert werden, während
bei relativen Daten eine Auslenkung gegenüber einer Null-Lage geliefert wird.
Diese Auslenkung lässt sich als Geschwindigkeitsvektor interpretieren. Das
heißt, eine konstante Auslenkung über einen größeren Zeitraum ergibt einen
größeren Verschiebungsvektor. Eine Anwendung, die eine realistische
Steuerung mit einem solchen Gerät erreichen will und nur in unregelmäßigen
oder zu grossen Zeitabständen Daten vom Gerät bekommt, sollte diesen
Zusammenhang beachten.

Stand der Technik und der Forschung
Klassifikation von Eingabegeräten
10
Koordinatensysteme, in denen die gelieferten Daten vorliegen. Für die
Lage im Raum bietet sich die Lieferung im Roll-Pitch-Yow System (Kippung
um die einzelnen Raum-Achsen) oder im Euler-System an.
Messprinzip der Geräte. Gemessen werden kann:
- Elektro-mechanisch: Messen mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen,
Potentiometern
- Opto-elektronisch: mittels Optokopplern und Positionsdetektoren (PSD)
- Elektro-magnetisch: mittels Spulen-Systemen
- Ultraschall: mittels Lautsprecher-Mikrofon-Systemen
Schnittstelle zum Computer. Die Daten können mit Hilfe der genormten,
praktisch an allen Computern verfügbaren seriellen oder USB-Schnittstelle,
über eine LAN-Schnittstelle oder eine spezielle gerätespezifische Schnittstelle
zwischen Eingabegerät und Computer ausgetauscht werden. Am häufigsten
wird die Übertragung über die serielle Schnittstelle oder USB benutzt, wobei
es große Unterschiede in den Übertragungsprotokollen (Datenrate, Parität,
Datenformat, Aufbau eines Datenpaketes) gibt.
Auflösung oder Messgenauigkeit. Hier ist es wichtig, dass ein Gerät auf
kleinste Bewegungen bzw. Auslenkungen von außen reagiert. Höhere
Auflösung erzeugt flüssige Bewegungsabläufe am Bildschirm.
Update-Rate ­ Frequenz des Messvorganges. Höhere Frequenz verhindert
zum Beispiel, dass eine sehr kurze Einwirkung auf ein Eingabegerät nicht
unbemerkbar bleibt.
Eignung für die jeweilige Aufgabe. Für die einfache Office-Anwendungen
reichen in der Regel normale Maus und Tastatur. Ein 3D-Eingabegerät
dagegen kann seine Stärken nur in einer 3D-Applikation ausspielen.
Zuverlässigkeit. Eine optische Maus, zum Beispiel, ist zuverlässiger, als
eine mit der Rollkugel, die den Schmutz aufsammelt und ihre Aufgabe nicht
mehr vollständig erfüllt.
[DVP97], [HeGu95], [Sun01]

Stand der Technik und der Forschung
Marktübersicht
11
2.2 Marktübersicht
Den Geräten für die einfache 2D-Eingabe stehen zwei weitere Gruppen von
Dateneingabegeräten gegenüber ­ 3D-Eingabegeräte und Eingabegeräte für die
,,Virtuelle Realität". Typische Vertreter jeder Gerätegruppe sind in der Abbildung 1
dargestellt.
Abbildung 1: Übersicht von verschiedenen typischen Dateneingabegeräten
Eingabegeräte
Tastatur
2D-Maus
2D-Scanner
Graphisches Tablett
Knob-Box
3D-Maus
Spacemouse
Datenhandschuh
Datenanzug
Trackingsystem
3D-CAD-
Eingabegeräte
Eingabegeräte für die
,,Virtuelle Realität"
2D-CAD-
Eingabegeräte
Digitalizierer
...
3D-Koordinaten-
Messgerät (Taster)
3D-Scanner
...
...
Spaceball

Stand der Technik und der Forschung
Marktübersicht
12
2.2.1
2D-CAD-Eingabegeräte
Computer-Maus und ­Tastatur
Die einfachsten Geräte für die 2D-Eingabe sind die Computer-Maus und -Tastatur.
Der Hauptvorteil dieser beiden Geräten ist, dass sie standardmäßig vorhanden sind
und von allen Anwendungen im vollen Umfang unterstützt werden. Zu weiteren
Vorteilen gehört auch der Anschaffungspreis, der in der Regel sehr günstig ist.
Sogar die hochwertige schnurlose Geräte kosten inzwischen viel weniger, als ein
einfaches 3D-Eingabegerät.
Außer 2D-Eingabe ermöglichen diese zwei Geräte auch einfache 3D-Eingabe in allen
CAD-Anwendungen.
Tastaturen dienen entweder zur Eingabe alphanumerischer Daten oder zur
Auslösung bestimmter Gerätefunktionen. Hierzu ist eine Funktionstastatur entweder
in eine alphanumerische Tastatur integriert oder der Bestandteil eines
eigenständigen Gerätes. Den Funktionstasten können entweder bestimmte
Funktionen fest zugeordnet sein, oder der Benutzer kann sie durch Programmierung
der Tasten selbst festlegen. Funktionstastaturen werden in der Ausführung als
Folientastaturen oft im Werkstattbetrieb eingesetzt, da sie wesentlich
unempfindlicher gegen Verschmutzung sind.
Die Maus ist ein der Innenhandfläche angepasstes Gerät, das von Hand auf einer
Tischplatte oder einer speziellen Unterlage bewegt wird. In Form eines seriellen
Bitstroms werden an den Rechner die Bewegungen der Maus in x-y-Koordinaten
sowie das Drücken und Loslassen der Maustasten übertragen. Zur Ausführung von
Befehlen befinden sich je nach Maustyp ein, zwei oder drei Tasten am oberen Ende,
deren Bedeutung durch die Software bestimmt ist. Durch die Mausbewegungen wird
der Cursor auf dem Bildschirm gesteuert. Bei einer mechanischen Maus befindet
sich auf der Unterseite eine Kugel, die durch Bewegen der Maus auf der beliebigen
Unterlage zum Rollen gebracht wird. Die Rotationen in x- und y-Richtung werden
mit Hilfe von Phototransistoren hinter Schlitzscheiben in elektrische Impulse
umgewandelt und digitalisiert. Bei einer rein optischen Maus wird ein feines Raster
auf der Oberfläche der Unterlage von lichterzeugenden Dioden, die sich auf der
Unterseite der Maus befinden, optisch abgetastet und digitalisiert.

Stand der Technik und der Forschung
Marktübersicht
13
Die Maus-Eingabetechnik besitzt gegenüber anderen Techniken ergonomische
Vorteile. Im Vergleich zu Programmen, die nur von der Tastatur Eingaben erwarten,
ist mausgesteuerte Software in der Regel wesentlich benutzerfreundlicher und
schneller zu bedienen.
Eine Computer-Maus der neuen Generation besitzt in der Regel ein Scrollrad, das
gleichzeitig eine dritte Taste darstellt (Abbildung 2). Diese Erweiterung ermöglicht
etwas einfacheren Umgang mit einem 3D-CAD-Modell am Bildschirm. Einige
Mausmodelle besitzen noch weitere Funktionstasten, die sich frei programmieren
lassen. Vorraussetzung dafür ist jedoch die Unterstützung von der Seite des CAD-
Systems. Unter vielen 3D-CAD-Systemen, beispielsweise, lässt sich ein 3D-Modell
am Bildschirm drehen und rotieren, indem man die Maus bewegt und gleichzeitig
das Scrollrad gedrückt hält, oder durch das einfache Drehen des Scrollrades führt
man den Zoom-Befehl aus.
Die Maus und die normale Tastatur sind
allerdings nicht im eigentlichen Sinne 3D-
Eingabegeräte. Die Maus ermöglicht
standardmäßig nur die Bewegung in der Ebene,
während für die Bewegung im Raum sechs
Freiheitsgrade (3 für Position und 3 für die
Orientierung im Raum) notwendig sind.
Trotzdem werden Tastatur und Maus sehr häufig
auch für 3D-Steuerungen genutzt. Die Eignung
für die meisten 3D-Eingabeaufgaben ist
allerdings gering, da die Beeinflussung aller für
die Bewegung im Raum notwendigen
Freiheitsgrade nur durch Umschaltung zwischen,
oder Zusammenfassung von mehreren
Teilaufgaben der 3D-Steuerung erreicht werden kann. Es gibt mehrere sehr
unterschiedliche Möglichkeiten, eine 3D-Steuerung mit diesen beiden Geräten zu
simulieren, die mehr oder weniger schwer durch den Anwender zu erlernen sind und
die nicht der natürlichen Bewegung im Raum entsprechen. Durch Funktionstasten
an der Tastatur lassen sich, beispielsweise, einige Ansichtsbefehle aufrufen
(Verschieben, Zoom usw.), die dann mit der Maus direkt ausgeführt werden. Auch
die verschiedene Tastenkombinationen ermöglichen einen schnellen Aufruf von 3D-
CAD-Befehlen und Befehlsfolgen. [EiMa91], [DVP97], [Abr01]
Abbildung 2: Maus mit
Scrollrad (Logitech)

Stand der Technik und der Forschung
Marktübersicht
14
Graphisches Tablett
Das 2D-Grafiktablett mit Markierer in Form eines Stiftes oder einer
Fadenkreuzmesslupe zählt ebenfalls zu den graphischen Eingabegeräten für
zweidimensionale Daten. Der Vorteil dieser Technik liegt darin, dass der Benutzer
annähernd in der Weise arbeitet, wie er es mit Papier und Zeichenstift gewohnt ist.
Die Position des Markierers wird dabei 200 bis 500 mal pro Sekunde an den
Rechner übertragen, so dass sie auch bei großen Zeichengeschwindigkeiten
ausreichend genau bekannt ist. Bezüglich der Kopplung zwischen Tablett und
Markierer gibt es unterschiedliche Methoden, um die Position des Markierers zu
bestimmen. Am weitesten verbreitet sind dabei die Prinzipien der
elektromagnetischen, magnetostriktiven und kapazitiven Kopplung. Weniger
Verbreitung haben die Methoden einer galvanischen oder akustischen Kopplung
gefunden.
Als Markierer kommen zwei verschiedene Geräte zum Einsatz: der Stift oder eine
Messlupe mit Fadenkreuz. Beide dienen zum Steuern des Cursors auf dem
Bildschirm. Der Stift besitzt einen Kontaktschalter, der sich entweder bei
Aufdrücken des Stifts auf das Tablett schließt oder Taster für Fingerbetätigung
ausgelegt ist. In manchen Geräten sind auch beide Möglichkeiten vorgesehen. Die
aktuelle Position wird nur während der Tastenbetätigung an den Rechner
übertragen. Dies geschieht über Kabel oder mit Hilfe von Ultraschall oder
Infrarotlicht ­ Technik. Die ebenfalls bei Tabletts eingesetzte Messlupe enthält ein
Fadenkreuz, das eine genaue Positionierung des Gerätes erlaubt. Auf diesem
Markierer befinden sich mehrere Tasten, bei deren Betätigung entweder nur eine
vorher definierte Funktion ausgeführt wird oder aber zusätzlich die Koordinaten des
Fadenkreuzes an den Rechner übertragen werden. [EiMa91], [DVP97]
2D-Scanner
Mit einem Schwarz-Weiß-Scanner können analoge Dokumente wie Normblätter oder
technische Zeichnungen in digitale Rasterbilder umgewandelt werden. Dabei wird
die Vorlage beleuchtet , Lichtsensoren messen die Intensität des reflektierten
Lichts und setzen diese in eine Spannung um. Dieser Spannungswert wird
digitalisiert, wobei die Bitbreite des Ergebniswertes die Anzahl der möglichen
Graustufen bestimmt. Die Vorlage wird zeilenweise bearbeitet. Die Anzahl der
Zeilen und Sensoren pro Zeile bestimmt die Auflösung des Bildes. Diese wird in

Stand der Technik und der Forschung
Marktübersicht
15
,,dots per inch", dpi, angegeben und beträgt für die x- und y-Richtung 70 bis 1200
Punkte pro Inch. Stehen einem Punkt 8 Bits für seine Grauwerte zur Verfügung, so
sind 256 (2
8
) verschiedene Werte möglich. Eine einstellbare Schwelle legt fest, bis
zu welchem Grauwert das Ergebnis im Binärbild einer logischen ,,0" entspricht und
somit auch, ab welchem Grauwert eine logische ,,1" gesetzt wird. Die Einstellung
dieser Schwelle ist dabei von großer Bedeutung für die Qualität der Umwandlung.
Sie findet oft programmtechnisch statt und ist abhängig von der Qualität und dem
Kontrast der Vorlage.
Die Binärdaten werden im Bildspeicher des Scanners gepuffert und danach an den
Rechner übertragen. Für ein kontinuierliches Bearbeiten der Vorlage muss dieser
Speicher groß genug sein und der Rechner die empfangenen Daten schnell genug
verarbeiten können. Bei einem Scanner mit einer Auflösung von 400 dpi besitzt das
Grauwertbild einer DIN A0 ­ Zeichnung eine Größe von 256 MByte , das
dazugehörige Binärbild dagegen nur eine Größe von 32 MByte. Für kleinere
Vorlagen bis zum Format DIN A3 werden oft Tisch- oder Flachbettscanner
eingesetzt, für größere dagegen Trommel- oder Einzugscanner. Als
Durchschnittswert für die Umwandlung einer DIN A0 ­ Zeichnung mit normaler
Zeichendichte können heutzutage 90 Sekunden genannt werden.
Bei einigen Scannern ist bereits eine Umwandlung des Binärbildes in Vektordaten
integriert, die die benötigte Zeit zusätzlich verlängert, jedoch den Speicherbedarf
stark verringert.
Große Verbreitung auch im professionellen Bereich finden Farbscanner. In der Regel
erfassen sie Vorlagen bis zum Format DIN A3 und besitzen eine einstellbare
Auflösung bis 1200 dpi in der vertikalen Richtung und 2400 in der horizontalen.
Durch in Software realisierte Interpolation kann die effektive Auflösung auf 9600 dpi
in beide Richtungen gesteigert werden. Sie können die Bilder sowohl in Farbe in
einer Auflösung bis zu 30 Bit pro Pixel als auch schwarz-weiß bis zu 10 Bit pro Pixel
erfassen. Zum Einsatz kommen hierbei CCD-Sensoren. Die Ausgabe an den Rechner
kann in verschiedenen standardisierten Rasterbildformaten oder in Format
Postscript geschehen. Von großem Interesse ist die automatische Umwandlung von
per Scanner erfassten Zeichnungen in 2D- und 3D-CAD-Formate, an deren
Realisierung zur Zeit noch geforscht und entwickelt wird.
[DVP97]

Stand der Technik und der Forschung
Marktübersicht
16
2.2.2
3D-CAD-Eingabegeräte
Die Bewegung eines 3D-Modells am Bildschirm ist mit der herkömmlichen Maus
mühsam. Der Raum, in dem sich das Modell bewegt, bietet sechs Freiheitsgrade.
Heutige CAD-Systeme erlauben die völlig freie Beeinflussung dieser
Raumfreiheitsgrade, die Berechnung einander überlagernder Bewegungen erfolgt in
Echtzeit. Spezielle Bediengeräte ermöglichen eine einfache, intuitiv richtige
Bewegung in diesem Raum. Der Arbeitsablauf ist hier natürlicher als bei
herkömmlichen Eingabegeräten, bei denen auch einfache Tastenbefehle sehr
bewusste Entscheidungen verlangen.
Ein 3D-Eingabegerät muss, wie der Name schon sagt, in drei Dimensionen arbeiten
können. Dabei soll jede der sechs Freiheitsgraden des gesteuerten Objektes
unabhängig voneinander beeinflusst werden können. Das Konzept, die Bewegungen
in alle Richtungen gleichzeitig zu steuern, stellt eine weitere Entwicklungsstufe der
3D-Navigation dar (Abbildung 3).
Abbildung 3: 3D-Navigation

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2.2.2.1
Grundlegendes zu 3D-Navigation
3D-Darstellung von Grafik-Objekten am Bildschirm verlangt von einem
Konstrukteur weniger geistige Anstrengung und kann mehr Informationen über ein
3D-Modell vermitteln als eine einfache 2D-Darstellung. Dabei erzwingt eine solche
3D-Darstellung einen Navigationsbedarf.
Die Navigation kann innerhalb einer Darstellung eines Bauteils oder innerhalb einer
Baugruppe erfolgen.
Bei einer schattierten 3D-Darstellung sind nie alle Seiten eines Objektes sichtbar.
Bei einer Baugruppe können die Objekte durch andere verdeckt werden. Ein 3D-
Eingabegerät ermöglicht hier eine völlig neue Art der Navigation. Die vier Punkte:
Object Motion
Object Scale
Camera Viewport
Target Object
definieren die Art und Weise, wie ein Gerät in die Szene eingreift und die Objekte
oder Kamera navigiert / manipuliert.
Object Motion ­ Nach Auswahl eines Objekts lässt sich dieses frei im Raum
bewegen und drehen. Die Transformationsachsen lassen sich beliebig
sperren, so dass orthogonale Verschiebungen bzw. Drehungen um eine
definierte Raumachse möglich sind. Mit dieser Option ist auch die Steuerung
eines Objektes innerhalb einer Baugruppe möglich.
Object Scale - Das gewählte Objekt lässt sich mit dieser Option beliebig
skalieren.
Camera Viewport ­ Man kann sich mit dieser Option frei durch die Szene
bewegen.
Target Object - Die Möglichkeit ein Objekt auszuwählen, dieses als
Zielpunkt zu verwenden und die Kamera mit Blickrichtung auf das gewählte
Objekt zu manipulieren.
[HeGu95]

Stand der Technik und der Forschung
Marktübersicht
18
2.2.2.2
Das ergonomische Konzept
Obwohl immer mehr Unternehmen in der Konstruktion 3D-CAD-Systeme einsetzen,
bewegen die meisten Konstrukteure ihre 3D-Modelle immer noch ausschließlich mit
den klassischen Eingabewerkzeugen aus dem 2D-Zeitalter.
Dabei arbeitet ein Mensch am liebsten mit beiden Händen, wobei die eine (die
Führungshand) typischerweise ein Objekt hält und ,,zuführt", während die andere
(die Arbeitshand) es bearbeitet. Diese Koordination wird durch die
Informationsaufnahme aus der Umgebung und vor allem durch den eigentlichen
Arbeitsvorgang bewirkt. Dabei steht eine Umsetzung in die jeweils entsprechende
Handlung und die hieraus wieder resultierende Informationsrückkopplung im
Vordergrund. In diesem Zusammenhang wird oftmals der Begriff des
"sensumotorischen Arbeitens" genannt.
Unter sensumotorischen Arbeiten werden solche Fertigkeiten verstanden, die zur
willkürlichen Ausführung von einfachen oder komplexen Bewegungsabläufen mit
unterschiedlichen sensorischen und motorischen Anteilen befähigen. Dabei kann der
sensorische Anteil in Perzeptionsvorgängen
*
aus jedem Wahrnehmungsbereich
bestehen, vorzugsweise jedoch aus den Bereichen der optischen, akustischen und
haptischen Wahrnehmung. Der motorische Anteil besteht im Ausführen einer
einfachen oder komplexen gesteuerten Bewegung, deren Art, Umfang, Genauigkeit
und Geschwindigkeit von der sensorisch gewonnenen Information ausgelöst wird.
Die motorische Reaktion kann auch während ihrer Ausführung von sensorischen
Wahrnehmungsvorgängen begleitet werden, die gegebenenfalls zu deren Korrektur
führen. Kein Teil des menschlichen Körpers ist so weitgehend in das Bewusstsein
und sprachliche Gestaltung eingegangen wie die Hand. Alles Fühlen, Empfinden,
Erfassen und Begreifen leitet sich ebenso von der Hand her wie auch alles Handeln
und Schaffen. Die Hand ist über die Entwicklungspfade im Verlauf der Evolution des
Menschen zu einem Präzisionsinstrument geworden, das für das geistige Erleben
und Bewältigen unserer Umgebung von großer Bedeutung ist. Der Umfang dieser
Funktionen spiegelt sich denn auch in der Größe der Hirnregion wieder, die im
Rindengebiet unseres Vorderhirns die Funktion der Hand repräsentiert. Das
übergeordnete Zentrum für die Sensorkoordinierung der Sinneszellen wie
beispielsweise für das Empfinden von Wärme, Kälte, Druck, Vibrationen, Schmerz
*
Wahrnehmungsvorgang

Stand der Technik und der Forschung
Marktübersicht
19
und Berührung liegt im Zentralnervensystem des Großhirns, wo auch die Hand eine
außerordentlich große Zahl von Nervenzellen besitzt. Dieses Zentrum steuert in der
linken Hirnhemisphäre die Leistungen der rechten Körperhälfte und umgekehrt.
Wie wichtig die zerebrale Kontrolle über die Hände ist, wird erst bewusst, wenn man
die unterschiedlichen Fähigkeiten der rechten und der linken Hand bedenkt. Die
meisten Menschen bevorzugen eine der beiden Hände. Typischerweise entwickelt
sich dabei die linke Hand als die Betrachtungs- oder Führungshand, und die rechte
als die kommunizierende Arbeitshand. Beide Hände sind von Kindesalter auf
trainiert, miteinander abgestimmte Arbeitsabläufe durchzuführen.
Es lohnt sich also besonders an 3D-CAD-Arbeitsplätzen auch die Führungshand in
Aktion treten zu lassen. Bei der immer noch anzutreffenden, aber ergonomisch
ungünstigen Arbeitsweise wird nur mit einer Hand ­ der (meist rechten)
Arbeitshand ­ an der 2D-Maus gearbeitet, was zur Folge hat, dass Betrachtungs-
und Arbeitsabläufe seriell und azyklisch durchgeführt werden.
Abbildung 4: Ein ergonomisch ausgestatteter CAD-Arbeitsplatz
(3Dconnexion)

Stand der Technik und der Forschung
Marktübersicht
20
Diese hintereinander ablaufende Kette von Betrachtungs-, Zuführ- und
Zeigearbeiten mit ständiger Unterbrechung der Denkprozessen führt zu einer viel
schnelleren Ermüdung des ,,einarmigen Bedieners", als wenn man die Arbeitshand
von den ständig zu betätigenden Betrachtungsbefehlen entlastet und nur mit ihrer
eigentlichen Aufgabe betraut, nämlich der Ausführung gezielter Aktionen wie Setzen
von Schnitten oder Anwählen von Menüfunktionen. Betrachtungsbefehle wie Zoom
und Pan machen immerhin 50 Prozent aller am CAD-System durchgeführten
Operationen aus.
Genau hier wird die Bedeutung eines zusätzlichen 3D-Eingabegeräts deutlich. Über
deren Manipulation ­ bei Rechtshändern typischerweise mit der linken Hand ­ bildet
man am CAD-Arbeitsplatz die Funktion der Betrachter- und Zuführ-Hand nach, weil
sie die simultane Steuerung aller sechs Objekt-Freiheitsgrade erlaubt, während die
(typisch rechte) Arbeithand mit einem Zeigegerät wie herkömmlicher Maus oder
Tablett arbeitet (Abbildung 4).
Die Ergonomie guter Werkzeuge sorgt für eine deutliche Entlastung der geplagten
Maushand. In Anbetracht der Tatsache, welche Kosten für einen heutigen 3D-
Arbeitsplatz zu veranschlagen sind ist es sicherlich sinnvoll im professionellen
Bereich nicht nur eine ergonomische Maus sondern auch ein 3D-Eingabegerät in die
Kalkulation mit aufzunehmen. [Sun01], [CACA]

Stand der Technik und der Forschung
Marktübersicht
21
2.2.2.3
Übersicht von 3D-CAD-Eingabegeräten
Knob-Box
Ein sehr einfacher Vertreter der 3D-Eingabegeräte ist die sogenannte Knob-Box, die
für jeden der sechs Freiheitsgrade im Raum einen separaten Drehknopf hat. Damit
ist zwar die ruckfreie Bewegung im Raum möglich, allerdings ist die Bedienung nicht
intuitiv, da auch bei der Knob-Box nur jeweils ein oder zwei Freiheitsgrade
gleichzeitig beeinflussbar sind. Für Aufgaben in der Konstruktion und Architektur hat
dieser Gerätetyp seine Berechtigung, da es hier oft auf die genaue Steuerung
einzelner Freiheitsgrade ankommt.
3D-Mouse, Isotrack, Tracker
Echte 3D-Eingaben erlauben beispielsweise
Geräte, die nach einem Sender-Empfänger-
Prinzip arbeiten. Diese Geräte haben in den
meisten Fällen sechs Freiheitsgrade und
arbeiten mit magnetischen Feldern oder mit
Ultraschall. Mechanisch sind solche Geräte
mehrteilig aufgebaut. Es gibt meistens einen
unbeweglichen festen Teil, der ein Feld
abstrahlt, das ein frei beweglicher Teil zum
Messen von Position und Lage relativ zum
festen Teil nutzt. Daher werden die Raum-
Daten als absolute Daten geliefert (Lage des
Empfängers relativ zum Sender).
Nachteilig an diesen Geräten ist die Tatsache,
dass die Felder sich oft sehr leicht stören
lassen und die ermüdungsfreie Arbeit mit
diesen Geräten oft nicht möglich ist, da der
frei bewegliche Teil im Raum gehalten werden muss. Produkte dieser Klasse sind
der 3Space Isotrack, der 3Space Tracker, der Flock of Birds und die Logitech 3D-
Mouse (Abbildung 5). [HeGu95], [DVP97]
Abbildung 5: Ultraschalbasierte
3D-Maus von Logitech (1992)
Ende der Leseprobe aus 103 Seiten

Details

Titel
Vergleichanalyse (Benchmark) von verschiedenen modernen 3D-CAD-Eingabegeräten
Hochschule
Ruhr-Universität Bochum
Note
1.3
Autor
Jahr
2002
Seiten
103
Katalognummer
V185760
ISBN (eBook)
9783656981480
ISBN (Buch)
9783869430379
Dateigröße
3526 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
vergleichanalyse, benchmark
Arbeit zitieren
Valentin Meimann (Autor:in), 2002, Vergleichanalyse (Benchmark) von verschiedenen modernen 3D-CAD-Eingabegeräten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185760

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