Augmented Reality im Bereich der Konstruktion

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Namen der Autoren:	Philipp Babranyi, Jens Diekert, Arijo Nazari-Azari
Titel der Arbeit:	Augmented Reality im Bereich der Konstruktion
Hochschule und Studienort:	Fachhochschule für Oekonomie und Management in Essen

Inhaltsverzeichnis 1 Abkürzungsverzeichnis 2 Abbildungsverzeichnis 3 Einleitung 4 Grundlagen 4.1 Konstruktion 4.1.1 Definition 4.1.2 Konstrukteur 4.1.3 Begriffsherkunft 4.1.4 Problemstellung 4.2 Augmented Reality 4.2.1 Definition 4.2.2 Abgrenzung 4.2.3 Technische Realisierung 4.2.3.1 Trackingsystem 4.2.3.2 Visualisierungssystem 4.2.3.3 Optionale Komponenten 5 Augmented Reality in der Konstruktion 5.1 Einsatzmöglichkeiten 5.1.1 Fahrzeugentwicklung und Fahrzeugbau 5.1.2 Bergbau 5.1.3 Architektur und Bauwerke 5.1.4 Flugzeugbau 5.2 Anforderungen 5.2.1 Systemechtzeit 5.2.2 Überlagerungsgenauigkeit 5.2.3 Mobilität 5.2.4 Interaktivität 5.2.5 Sonstige 5.3 Software 5.3.1 Frameworks 5.3.1.1 ARToolkit 5.3.1.2 Studierstube 5.3.1.3 MORGAN 5.3.1.4 CoSpaces 5.3.2 Anwendungen 5.3.2.1 ARC 5.3.2.2 ARVIKA 5.3.2.3 ARTHUR 5.3.2.4 Unifeye 5.4 Potentiale & Grenzen 6 Fazit 7 Fußnoten 8 Literatur- und Quellenverzeichnis

1 Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung	Bedeutung
3D	Dreidimensional
AG	Aktiengesellschaft
AR	Augmented Reality
ARTESAS	Advanced Augmented Reality Technologies for Industrial Service Applications
ARTHUR	Augmented Round Table for architectural Design and urban Planning
ARVIKA	Augmented Reality for Development, Production and Service
AV	Augmented Virtuality
AVILUS	Angewandte Virtuelle Technologien im Produkt- und Produktionsmittellebenszyklus
ARC	Augmented Reality for Construction
BMBF	Bundesministerium für Bildung und Forschung
CAD	Computer Aided Design
CSG	Constructive Solid Geometry
DIN	Deutsches Institut für Normung
GPL	General Public License
GPS	Global Positioning System
HMD	Head-Mounted-Display
ID	Identification
IT	Informationstechnik
LED	Light Emitting Diode
OpenGL	Open Graphics Library
OST	Optical-See-Through
PC	Personal Computer
PDA	Personal Digital Assistant
PKW	Personenkraftwagen
RSD	Retinal Scanning Display
VST	Video-See-Through
WLAN	Wireless Local Area Network

2 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1:	Konstruktive Tätigkeit im Einflussbereich des kulturellen und technischen Lebens
Abbildung 2:	Leonardo da Vinci
Abbildung 3:	Reality-Virtuality Continuum
Abbildung 4:	Aufbau AR-System
Abbildung 5:	Video See-Through Head-Mounted-Displays
Abbildung 6:	Optische See-Through Head-Mounted-Displays
Abbildung 7:	Retinal Scanning Displays
Abbildung 8:	Monitor-basierte Darstellungssysteme
Abbildung 9:	Bewertung unterschiedlicher Felgendesigns mit Hilfe von AR
Abbildung 10:	Einsatz bei der Bewertung von Crashtests
Abbildung 11:	Unterstützung der Elektrikfestlegung durch Überlagerung
Abbildung 12:	Bergmann der Zukunft
Abbildung 13:	Visualisierung von Großprojekten
Abbildung 14:	AR als Unterstützung bei der Kabelbaumfertigung
Abbildung 15:	Anforderungen an ein AR-System
Abbildung 16:	Anwendungsbeispiel ARToolkit
Abbildung 17:	Anwendungsbeispiel Studierstube
Abbildung 18:	Anwendungsbeispiel MORGAN
Abbildung 19:	Anwendungsbeispiel CoSpaces
Abbildung 20:	ARC-Projekt, Visualisierung einer Bauanleitung
Abbildung 21:	ARTESAS-Projekt der BMW-Group
Abbildung 22:	ARTHUR im Einsatz
Abbildung 23:	Unifeye Prototype Systemaufbau

3 Einleitung

Bereits seit langer Zeit ist der Computer für den Menschen ein wichtiges Hilfsmittel, welches aus dem alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken ist. Seine Bedeutung wächst kontinuierlich und es ergeben sich ständig neue Anwendungsfelder. Dabei hat sich sein Erscheinungsbild von den Anfangsjahren hin bis heute stark verändert. Nicht der Mensch hat sich dem Computer angepaßt, sondern der Computer wurde dem Menschen angepasst. So durchdringen sie in zunehmendem Maße und in immer vielfältigeren Erscheinungsformen unser Alltagsleben.

      "Man muß etwas Neues machen, um etwas Neues zu sehen." 
                               Georg Christoph Lichtenberg

Die Technologie der erweiterten Realität (Augmented Reality) erlaubt es uns, die menschliche Sinneswahrnehmung mit elektronisch generierten Informationen anzureichern. Damit kann die Leistungsfähigkeit eines Produktionssystems, das im Wesentlichen auf den Fähigkeiten der Produktionsfaktoren Mensch, Maschine, Material und Methode besteht, grundlegend verbessert werden. Die menschliche Leistungsfähigkeit ist in Bezug auf die Wahrnehmung und Verarbeitung von Informationen begrenzt. Eine Leistungssteigerung kann durch die Unterstützung des Menschen mit elektronischen Hilfsgeräten, mechanischen Systemen oder mit einer Kombination der Beiden ermöglicht werden.

Vor dem Hintergrund einer verstärkten Nachfrage nach kundenindividuellen Produkten, rückt die Flexibilität von Produktionssystemen zunehmend in den Fokus von Unternehmen. Der allgemeine Trend zu variantenreichen Produkten führt dazu, dass sich auch die derzeitigen Produktionssysteme vom reinen Massenprodukt entkoppeln müssen und es zukünftig eine stärkere Tendenz zu flexiblen Fertigungseinrichtungen geben wird. In absehbarer Zeit werden daher Systeme eingesetzt, die variantenreiche Produkte in höheren Stückzahlen wirtschaftlich herstellen können. Bei einer auf Vielfalt fokussierten Produktion steigt der Kommunikationsaufwand zur Steuerung und Planung der Einzelprozesse überproportional an, da die Produktvarianten oft unterschiedliche Prozesse durchlaufen ^[1].

Damit verbunden sind eine zunehmend steigende Komplexität der Konstruktionsprozesse und gleichzeitig immer kürzer werdende Entwicklungszeiten. Diese zwingen Unternehmen dazu, die konventionellen Entwicklungsmethoden zu optimieren und neue zeit- und kostenoptimierende Methoden einzuführen. Die gestellte Forderung an einen Global Player heißt: weltweit mit entsprechenden Produkten präsent zu sein. Um auf diesen hart umkämpften Märkten zu bestehen und sich gegen internationale Wettbewerber behaupten zu können, sollte ein breites Produktspektrum angeboten werden, das viele Kunden anspricht. Nicht nur neue Konstruktionskonzepte, sondern auch neue technische Hilfsmittel sind notwendig. Gerade bei dieser Problematik gewinnt Augmented Reality als Werkzeuge zur Kostenoptimierung und zur Verkürzung der Entwicklungszeiten zunehmend an Bedeutung ^[2].

Ziel dieser Fallstudie ist es zu untersuchen, welche Anwendungsgebiete es für Augmented Reality im Bereich der Konstruktion gibt und welche Mehrwerte diese Technologie dort leistet bzw. leisten kann. Dafür werden zunächst grundlegende Begrifflichkeiten der Konstruktionslehre sowie der Augmented Reality Technologie beschrieben. In weiteren Schritten sollen konkrete Szenarien in den verschiedenen Anwendungsgebieten vorgestellt werden. Darauf aufbauend werden Anforderungen an ein System definiert, die einen erfolgreichen Einsatz auf dem Gebiet der Konstruktion gewährleisten sollen. Abschließend werden aktuelle technische Konzepte und Forschungsprojekte vorgestellt und die allgemeinen Potentiale des Augmented Reality Trends dargestellt.

4 Grundlagen

4.1 Konstruktion

4.1.1 Definition

Unter Konstruktion versteht man einen lateinischen Begriff, der sich wie folgt übersetzen lässt: con = „zusammen“ und struere = „bauen“ ^[3].
Konstruieren umfasst dabei eine Ingenieurtätigkeit, die:

• fast alle Gebiete des menschlichen Lebens berührt,
• sich der Gesetze und Erkenntnisse der Naturwissenschaft bedient,
• zusätzlich auf spezielles Erfahrungswissen aufbaut,
• weitgehend in Eigenverantwortung handelt und
• die Voraussetzung zur Verwirklichung von Lösungsideen schafft ^[4].

Grundlegend können unterschiedliche Teilbereiche der Konstruktion unterschieden werden, die im weiteren Verlauf definiert werden. Des Weiteren soll die Herkunft des Begriffs genauer betrachtet und Problemstellungen analysiert werden.

Eine allgemeine Definition beschreibt den Begriff Konstruktion als "umfassende Tätigkeiten, die den funktionellen und strukturellen Aufbau von Erzeugnissen (materieller und immaterieller Art) festlegen und somit für das Erreichen der Herstellungsanforderungen entscheidend sind. Zudem zählt das Erarbeiten fertigungsreifer Unterlagen wie Produktionsbezeichnung, -spezifikation und technischer Beschreibung zur Konstruktion dazu ^[6].

Bei einer fachübergreifenden Betrachtung des Begriffs Konstruktion lassen sich jedoch unterschiedliche Teilbereiche feststellen:

Mathematik

Speziell in der Geometrie versteht man unter einer Konstruktion die Entwicklung der exakten zeichnerischen Darstellung einer Figur bzw. eines Körpers auf der Grundlage vorgegebener Größen – in der Regel ist dabei die Beschränkung auf die Verwendung der „Euklidischen Werkzeuge“ Zirkel und Lineal gefordert. Ein Beispiel wäre die Konstruktion eines Dreiecks aus drei Vorgaben, etwa zweier Seiten und eines Winkels.

Bauwesen

Unter Konstruktion im Bauwesen versteht man das Gefüge von Bauteilen bei einem Bauwerk oder Gebäude. Dies umfasst sowohl den Konstruktionsprozess als auch das Ergebnis, das Gefüge der Bauteile im fertigen Bauwerk. Die Baukonstruktion ist geprägt von Normen, Vorschriften und technischen Regeln, den sogenannten anerkannten Regeln der Technik.

Technik

unter dem Begriff Technik werden wiederum Teilgebiete der Konstruktion subsumiert. "Die Konstruktion ist das gegenständliche Ergebnis nach vorausgegangener Konstruktions-Tätigkeit, zum Beispiel ein Bauwerk oder eine Maschine." Zum einen dient der Konstruktionsprozess dazu, als Ergebnis ein komplexes Gebilde zur Übertragung von Kräften und Momenten zu konstruieren. Zum anderen geben Aussagen über die Konstruktion eines technischen Gebildes Antwort darauf, unter Anwendung welcher technischer Prinzipien ein Gegenstand als Ganzes oder in seinen Teilen gestaltet ist. Mit dem aus der Tätigkeit des Konstruierens gewonnenen Substantiv Konstruktion wird auf die Tätigkeit hingewiesen, zum Beispiel auf das Tätigkeitsgebiet Konstruktion, auf den Ort, an dem die Tätigkeit stattfindet (Konstruktions -Büro) oder auf das Studienfach Konstruktion, in dem Konstruieren gelehrt und gelernt wird ^[7].

Im Wesentlichen baut die Methodik des Konstruierens auf Erkenntnisse der dazugehörigen Konstruktionswissenschaft auf. Dabei wird die Vorgehensweise beschrieben, wie die Entwicklung und Konstruktion technischer Systeme abläuft. Man unterscheidet drei aufeinander abgestimmte Aspekte:

• Prozessmodelle zur Produktentwicklung
• Methoden zur Lösung konstruktiver Teilprobleme
• Gestaltungsrichtlinien und Konstruktionsregeln

Die Produktentwicklung kann in einem gesamtheitlichen Prozessmodell dargestellt werden, die wiederum in Teilprozesse aufgeteilt wird. Jeder dieser Teilprozesse ist tiefer gliederbar und kann mit eingehenden Informationen und Objekten sowie den resultierenden Informationen beschrieben werden. Ziel ist ein problemorientiertes und zielgerichtetes Vorgehen innerhalb der Entwicklung zu ermöglichen. Zur effektiven und effizienten Durchführung eines Konstruktionsprozess werden Methoden angewendet ^[8].

In den Ausführungen der Fallstudie soll einer allgemeinen, umfassenden Bedeutung Rechnung getragen werden. Dies erfolgt insbesondere unter dem Fokus einer disziplinübergreifenden Betrachtung des Problems. Dennoch lassen sich Einschränkungen nicht gänzlich vermeiden. So lassen sich Definitionen zwar allgemeingültig formulieren, jedoch beschränkt sich unsere Arbeit auf die Behandlung der Konstruktion bzw. der Tätigkeit des konstruierens in den Teilbereichen Verkehrstechnik und Bauwerke.

4.1.2 Konstrukteur

Der Begriff "Konstrukteur" bedeutet Erfinder, Erbauer oder Gestalter. Die Aufgabe eines Konstrukteurs besteht darin, neue und innovative Ideen zu entwickeln. Diese sollen möglichst realitätsnah umgesetzt werden, so dass für viele Menschen ein Nutzen resultiert. Er übt somit die Ingenieurtätigkeit des Konstruierens aus, die als Berufsbezeichnung in Deutschland nicht geschützt ist.

In seiner täglichen Arbeit entwickelt der Konstrukteur nützliche Ideen, er stellt Berechnungen an und entwickelt Produktionsverfahren. Dieser Prozess benötigt umfassende Kenntnisse aus technischen und wissenschaftlichen Fachgebieten. Als Resultat des Konstruktionsprozess können Maschinen oder ganze Bauwerke für die unterschiedlichsten Zwecke entstehen.

Fast alle industriell gefertigten Gegenstände wurden mit Hilfe des Konstruktionsprozess entwickelt und von Konstrukteuren entworfen. Im Laufe der Zeit hat es viele Konstrukteure gegeben, die es zu beachtlicher Bekanntheit gebracht haben. Berühmte Konstrukteure im Automobilbereich waren beispielsweise Carl Benz, Wilhelm Maybach oder Ferdinand Porsche. Auch der berühmte Leonardo da Vinci betätigte sich nicht zuletzt als Konstrukteur. Rudolf Diesel entwickelte den nach ihm benannten Dieselmotor, während Nikolaus Otto der Konstrukteur des so genannten Ottomotors war. Diese berühmten Beispiele verdeutlichen, dass das Konstruieren für die historische und zukünftige Entwicklung der Menschheit von großer Bedeutung ist ^[10].

4.1.3 Begriffsherkunft

Ein wirklicher Ursprung des Konstruierens kann nur schwer definiert werden, denn im Laufe der Zeit haben sich Prozesse sowie Anforderungen und Merkmale verändert. So hat bereits Leonardo da Vinci (1452 - 1519) mit beachtlicher Detailtiefe Zahnräder, Getriebe und Bauwerke geplant, die er aber aufgrund fehlender mathematischer Kenntnisse und finanzielle Mittel nicht verwirklichen konnte ^[3].

Vor dem industriellen Zeitalter war das Konstruieren sehr eng mit dem Handwerk und technischen Kunstwerken verknüpft. Mit Beginn der Technisierung im 19. Jahrhundert wurden Merkmale und Grundsätze definiert, die noch heute von großer Bedeutung sind. So begann man mit der Normierung von Bauteilen, die stetig weitergeführt wurde und heute einer DIN-Norm mit knapp 30.000 Normungen entspricht. Erste methodische Vorgehensweisen wurden in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelt und beinhalten im Kern das schrittweise Vorgehen, um die Erstellung einer Kombination sicherzustellen. Eine umfassende Ausarbeitung liefert der Konstrukteur Wögerbauer, der die "Technik des Konstruierens" etabliert. Ansatzpunkt ist die schrittweise Zerteilung der Gesamtaufgabe in Teilaufgaben. Des Weiteren wurde klar, dass die enorme Lösungsvielfalt eingeschränkt werden muss und dieser Prozess durch Merkmallisten unterstützt wird, die das Prüfen und Bewerten unter Kostengesichtspunkten erleichtern.

Anschließend wurde begonnen, das methodische Vorgehen und die erlangten Kenntnisse der Konstruktionslehre zu vermitteln (prominentes deutsches Beispiel: Pahl/Beitz Konstruktionslehre: Grundlagen erfolgreicher Produktentwicklung). Seitens vieler Professoren Technischer Hochschulen wurde eine intensive Methodenentwicklung betrieben, die der praktischen Konstruktionsarbeit mit den ständig steigenden Anforderungen an die Produkte Rechnung getragen haben. Sie erkannten, dass eine stärkere Orientierung zu anderen wissenschaftlichen Fachgebieten wie der Mathematik, Physik oder Informatik notwendig waren. In den 1960er Jahren wurden für die immer komplexer werdenden Berechnungen erste Computer eingesetzt, so dass sich der rechnergestützte Konstruktionsprozess entwickelte ^[11]. Die heutige Konstruktionslehre unterscheidet aus den historischen Erkenntnissen verschiedene Methoden, die jedoch nicht Gegenstand der Fallstudie sind.

Heutzutage werden die Produkte rechnergestützt über ihren kompletten Produktlebenszyklus modelliert. In Zukunft wird eine weitere Virtualisierung des Konstruktionsprozesses erwartet, um den kürzer werdenden Entwicklungszeitspannen gerecht zu werden.

4.1.4 Problemstellung

„Kleinigkeiten machen die Vollkommenheit aus; aber die Vollkommenheit ist keine Kleinigkeit." 
                                                      (Michelangelo Buonarotti 1475 - 1564)

Seit den frühen sechziger Jahren sind die Märkte von mehreren neuen Faktoren geprägt: Die Kundenwünsche werden differenzierter, die Konkurrenz internationaler, die Produktentwicklungszeiten kürzer, die Qualitätsanforderungen höher und die Vielzahl der zu beachtenden Vorschriften komplexer. All dies sind zu berücksichtigende Anforderungen an heutige Produkte, um auf dem Weltmarkt konkurrenzfähig zu sein. Es rücken also zunehmend das systematische Konstruieren und Entwickeln in den Mittelpunkt der Ingenieurwissenschaften, um diesen Anforderungen gerecht zu werden.

Die gerade in der Produktentwicklung durch die Umfeldbedingungen entstehenden Probleme lassen sich in vier Hauptbereiche einordnen: Kosten, Zeit und Qualitätsmanagement, arbeitswissenschaftliche Grundlagen, IT-Unterstützung sowie Prototypenerstellung. Wie bei jeder technischen Aufgabenstellung geht es bei der Konstruktion in der Hauptsache um die vorgegebene Funktionserfüllung und somit die budgetgerechte sowie ordentliche Abwicklung des Auftrags. Die Erreichung dieser Kriterien hängt von unterschiedlichsten Bedingungen ab:

• Sicherheit / Zuverlässigkeit,
• Herstellbarkeit,
• Kontrollierbarkeit,
• Montierbarkeit / Handhabbarkeit,
• Wartbarkeit / Instandsetzbarkeit,
• Erweiterbarkeit,
• Umwelt und
• Recycling ^[12].

Wenn ein Unternehmen im globalen Wettbewerb bestehen will, muss es sich von anderen Unternehmen abheben. Dies ist in der Regel durch einen Qualitäts-, Preis- und Zeitvorteil gegenüber Konkurrenten möglich. Differenzierte Kundenwünsche müssen möglichst schnell in geforderter Qualität befriedigt werden können. Laut einer Studie des Bundesministeriums für Bildung und Forschung „Zur technologischen Leistungsfähigkeit Deutschlands 2006“ liegt Deutschland im Bereich der Spitzentechnologie im Vergleich zu anderen Industrieländern lediglich auf einem Platz im Mittelfeld. Spitzentechnologien erfordern Innovationen und diese benötigen Methoden und Werkzeuge, die die hohe Dynamik des Innovationsprozesses bewältigen können ^[13].

Ein entscheidendes Kriterium für einen Entwicklungs- oder Konstruktionsprozeß ist der Neuheitsgrad des Produktes. Neuentwicklungen, Weiterentwicklungen und Anpassungskonstruktionen erfordern andere Werkzeuge und Prozesse, um ein optimales Ergebnis zu erreichen. Ein zweites Kriterium ist die geplante Fertigungsart. Serien- und Massenfertigung bedingen andere Entwicklungsprozesse, als dies für die Einzelfertigung der Fall ist. Die Vorgehensweisen in den meisten Entwicklungstätigkeiten sind sehr ähnlich, jedoch treten je nach Disziplin unterschiedliche Aspekte verschieden stark im Vordergrund ^[14].

4.2 Augmented Reality

4.2.1 Definition

Unter Augmented Reality (deutsch: Erweiterte Realität) versteht man eine Technologie, die es erlaubt reale Szenen um virtuelle Objekte und Informationen zu erweitern, um so dem menschlichen Betrachter einen erweiterten Blickwinkel zu bieten. Die erweiterte Realität stellt damit eine Verschmelzung der realen und der virtuellen Welt dar. Idealerweise erkennt der Betrachter dabei keinen Unterschied zwischen realen und virtuellen Elementen. In der Literatur finden sich verschiedene Begriffsdefinitionen, die sich hinsichtlich ihrer Anwendung und dem technischen Aufbau der Systeme unterscheiden. Paul Milgram differenziert dabei insgesamt drei unabhängige Definitionen ^[15].

Die erste beschränkt den Begriff Augmented Reality (im Folgenden: AR) lediglich auf die Nutzung von sogenannten Head-Mounted-Displays (im Folgenden: HMD), bei denen über am Kopf getragene Bildschirmsysteme die Sinneswahrnehmung des Anwenders erweitert wird, indem computergenerierte Grafiken eingeblendet werden.

Die zweite Definition lässt neben den HMD's auch andere Visualisierungskomponenten für die Darstellung augmentierter Grafiken zu, wie beispielweise Projektionswände oder monitorbasierte Bildschirme.

Die dritte und letzte Definition des Begriffes AR stammt von Ronald T. Azuma und löst sich bewusst von der Verwendung bestimmter Hardwarekomponenten. Dadurch ist sie auch für künftige technologische Lösungen geeignet, die auf Grund der rasanten computertechnischen Entwicklung zu erwarten sind und besitzt in der internationalen Fachwelt eine starke Gültigkeit und Akzeptanz. Laut Azuma muss ein AR-System vor allem folgende drei Kriterien erfüllen ^[16]:

• Die Kombination von Realität und Virtualität,
• Interaktivität in Echtzeit und
• Ausrichtung der virtuellen Objekte an die dreidimensionale Welt.

Im weiteren Verlauf dieser Fallstudie wird die dritte Definition als Grundlage herangezogen, da insbesondere die Interaktion mit dem AR-System und der räumliche Bezug zwischen realen und virtuellen Objekten entscheidende Kriterien für den Einsatz im Bereich der Konstruktion darstellen.

4.2.2 Abgrenzung

Eine Abgrenzung der Begriffe AR und Augmented Virtuality (im Folgenden: AV) lässt sich anhand des Reality-Virtuality Continuums verdeutlichen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen realen und virtuellen Umgebungen. Der Bereich zwischen der komplett realen und der komplett virtuellen Umgebung wird häufig als Mixed Reality oder Reality-Virtuality Continuum bezeichnet. Dieser unterteilt sich wiederum, abhängig vom Ausmaß der Virtualität, in die beiden Bereiche AR und AV. Die Grenze verläuft hier fließend. Von AV spricht man in der Regel wenn Abbilder der Realität in die virtuelle Umgebung eingebettet werden, der Fokus also in der Wahrnehmung der Virtualität liegt. Von AR hingegen ist die Rede, wenn virtuelle Informationen oder Objekte in die reale Umgebung projiziert werden; der Schwerpunkt also bei der Wahrnehmung der Realität liegt ^[14].

4.2.3 Technische Realisierung

AR-Systeme bestehen allgemein betrachtet aus den folgenden Komponenten:

• Trackingsystem,
• Visualisierungssystem (u. a. HMD, Monitor, Leinwand, Handy),
• Datenhaltungssystem und
• Szenengenerator.

4.2.3.1 Trackingsystem

Das Trackingsystem ist dafür verantwortlich, die räumliche Position eines Anwenders oder eines bestimmten Objekts zu bestimmen. Es sorgt damit für die exakte Übereinstimmung zwischen der virtuellen und realen Szene. Es existieren verschiedene Arten von Trackingsystemen, die nach folgenden physikalischen Prinzipien handeln ^[14]:

• mechanisch,
• inertial,
• magnetisch,
• akustisch,
• optisch und
• elektromagnetisch.

Die vom Trackingsystem erfassten Koordinaten eines Objekts werden an das Datenhaltungssystem und den Szenengenerator übermittelt. Der Szenengenerator, der ein handelsüblicher Computer mit entsprechender AR-Software ist, berechnet im Anschluss mittels Matrix-Transformationen die genaue Position der Objekte sowie deren Anordnung zueinander. Die situationsgerechten Modelldaten und Zusatzinformationen, wie beispielweise eine bestimmte Arbeitsanweisung, bezieht der Szenengenerator von einem Datenbanksystem. In Abhängigkeit zur Position und Blickrichtung des Anwenders generiert der Szenengerator danach den entsprechenden Output. Der so generierte Output wird daraufhin an ein Visualisierungssystem gesendet und dort im Sichtfeld des Anwenders dargestellt ^[19].

4.2.3.2 Visualisierungssystem

Das Visualisierungssystem dient als Ausgabemedium für den Anwender und ist damit die Basis jeder AR-Anwendung. Zwar zählt nicht nur die Erweiterung der Optik, sondern ebenfalls die Anreicherung der Akustik und Haptik durch virtuelle Informationen zur AR. Dennoch werden ein Großteil der im Alltag auf uns einströmenden Informationen durch unseren Sehsinn aufgenommen. Aus diesem Grunde stützen sich die meisten aktuellen AR-Systeme auf die visuelle Erweiterung der menschlichen Wahrnehmung. Hierbei kommen die unterschiedlichsten Systeme zum Einsatz, die sich technisch stark unterscheiden, jedoch allesamt der AR-Definition von Azuma gerecht werden.

Um die Technologie hinter AR zu verstehen ist es extrem wichtig, dass die Funktionsweise der verschiedenen Darstellungssysteme verständlich wird. Im Folgenden werden deshalb die einzelnen Displaysysteme genauer betrachtet. Grundsätzlich ist die Aufgabe eines jeden AR-Displays das Sichtfeld des Anwenders mit Hilfe optischer, mechanischer und elektronischer Komponenten um virtuelle Bilder, Objekte und Elemente zu ergänzen. In bestehender Literatur werden die verschiedenen Visualisierungssysteme unterschiedlich kategorisiert. Im Rahmen dieser Fallstudie werden wir in erster Linie Brillen- und Monitor-basierte Systeme unterscheiden.

Brillenbasierte Anzeigegeräte

Brillenbasierte Anzeigegeräte werden, wie es der Name schon vermuten lässt, am Kopf getragen. So genannte Head Mounted Displays präsentieren die generierte Szene zusammen mit der wahrgenommenen, realen Umgebung im Sichtfeld des Anwenders. Im Allgemeinen unterteilt man die HMD's nach den beiden Visualisierungtechniken: Video-See-Through (VST) und Optical-See-Through (OST). Ein weiteres Brillensystem, das von der Bauweise sehr den HMD's ähnelt, ist das Retinal Scanning Display (RSD). Die baulichen Unterschiede dieser drei Technologien werden in den Abbildungen 5-7 verdeutlicht.

Bei der VST-Visualisierung wird das reale Sichtfeld mit einer Videokamera aufgenommen, durch den Videomischer mit zusätzlichen virtuellen Elementen überlagert und anschließend auf einen kleinen Monitor im HMD angezeigt.

Bei der OST-Technologie hingegen hat der Anwender durch gekippte, halbdurchlässige Spiegel einen direkten Blick auf die reale Umgebung. Über einen kleinen Monitor der oberhalb des Spiegels im HMD angebracht ist, können virtuelle Informationen eingeblendet werden und dadurch das reale Bild überlagern.

Das RSD ist eine relativ neue Entwicklung, bei der die virtuellen Informationen über einen ungefährlichen Laserstrahl direkt auf die Netzhaut des menschlichen Betrachters projiziert werden. Der Aufbau ist dem HMD ähnlich, wobei die Monitore durch einen oder mehrere Laser ersetzt werden. Bildprojektoren malen mit Hilfe dieser extrem schwachen Laserstrahlen Grafiken in schnellen Pulsen auf die Netzhaut des Auges. Als Bildquelle kann eine Kamera oder ein Computer angeschlossen werden. Bildpunkt für Bildpunkt wird dann - ähnlich wie beim Fernsehen - in einzelnen Zeilen auf die biologische Leinwand übertragen ^[20].

Abbildung 5: Video See-Through Head-Mounted-Displays [21].

Abbildung 6: Optische See-Through Head-Mounted-Displays [21].

Abbildung 7: Retinal Scanning Displays [21].

Monitorbasierte Anzeigegeräte

Die Funktionsweise monitorbasierter Anzeigegeräte ähnelt technisch der der VST HMD's. Die reale Umgebung wird durch eine Kamera eingefangen und durch den Videomischer mit virtuellen Objekten kombiniert. Die Ausgabe erfolgt jedoch nicht auf einem HMD sondern auf einem beweglichen oder starren Bildschirm der nicht fest am Körper verankert ist. Klassisch ist dies ein normaler Bildschirm oder eine einfache Leinwand. Heutzutage kommen allerdings immer häufiger Mobiltelefone, PDA's oder andere tragbare Systeme zum Einsatz. Dadurch werden die Nachteile stationärer Systeme ausgeglichen und es ergeben sich immer mehr Einsatzszenarien für AR-Systeme.

Neben den bisher erwähnten Visualisierungssystemen gibt es bereits aktuelle Entwicklungen mit denen AR in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen wird.

Zum einen sind dies Projektorbasierte Darstellungssysteme die mit Laser- oder Videoprojektoren eine AR-Umgebung erzeugen. Über beispielweise an der Decke montierte Geräte werden die virtuellen Objekte direkt in die reale Umgebung projiziert, so dass die augmentierte Szene von mehreren Betrachtern zeitgleich einzusehen ist ^[22]. Zum anderen sind es Kontaktlinsen mit Displayfunktionen, die man bereits erfolgreich in Tierversuchen getestet hat. Mit Hilfe winzig kleiner in der Kontaktlinse integrierten LED's, sollen hochauflösende und farbige Computergrafiken eingeblendet werden ^[23].

Da diese Technologien zur heutigen Zeit noch in den Kinderschuhen stecken und noch viel Entwicklungsbedarf besteht, werden sie im weiteren Verlauf der Fallstudie nicht näher betrachtet.

4.2.3.3 Optionale Komponenten

Abhängig vom Anwendungsgebiet und der konkreten Anwendung, können neben den zentralen Bestandteilen eines AR-Systems auch folgende Komponenten zum Einsatz kommen:

• Kamerasysteme,
• Interaktionssysteme und
• Autorensysteme (Frameworks).

Kamerasysteme können dabei helfen die Qualität der AR-Darstellung zu erhöhen und sich besser auf die Anforderungen der speziellen Aufgabe anzupassen.

Ein Interaktionssystem erlaubt dem Anwender sich durch Interaktion mit der virtuellen Umgebung und den darin vorkommenden virtuellen Objekten in die computergenerierte Umgebung zu integrieren. So können auch mehrere Benutzer gleichzeitig interagieren oder konkrete Aufgaben über dafür konzipierte Eingabegeräte wie einem Datenhandschuh, einer 3D Maus oder speziellen Multifunktionsgeräten realisieren.

Ein Autorensystem, meist als Framework bezeichnet, stellt einen besonderen Teil in einem AR-System dar und ermöglicht es dem Anwender schnell und einfach eine AR-Anwendung für einen speziellen Aufgabenbereich zu erstellen und zum Einsatz zu bringen. Der Fokus liegt dabei auf einer standardisierten Softwarearchitektur mit Unterstützung der gängigen Hardwarekomponenten, die es auch Nicht-Informatikern ermöglicht ein AR-System zu entwickeln ^[19].

5 Augmented Reality in der Konstruktion

5.1 Einsatzmöglichkeiten

Industrielle Prozesse können durch die bedarfsgerechte Informationsbereitstellung, welche die AR-Technologie bietet, unterstützt werden ^[24]. Ein Großteil der Anwendungsgebiete für AR bezieht sich im Bereich der Konstruktion wesentlich auf die Prototypenentwicklungen. Bis heute gibt es noch keine AR-Technologie, die sich auf einem breiten kommerziellen Markt etabliert hat. Generell eignet sich AR für Bereiche, in denen ein Mensch komplexe Daten in Verbindung mit einem Computersystem in kurzer Zeit verarbeitet muss. Durch die Einblendung von digitalen Informationen entfällt zum Beispiel der umständliche Gebrauch von Handbüchern oder der ablenkende Blick auf einen Monitor. Auch bei der Visualisierung, also bei der Darstellung virtueller Objekte in der realen Umgebung, bieten sich zukünftig beträchtliche Möglichkeiten zur Anwendung. So liegen die Schwerpunkte für die Forschung und den möglichen Einsatz für AR heute in den Gebieten Militär, Medizin, Entwicklung, Produktion, Wartung sowie die Unterhaltung. In diesem Kapitel werden vier spezielle Bereiche herausgestellt, die bereits heute aus dieser Technik einen großen Nutzen ziehen ^[25].

5.1.1 Fahrzeugentwicklung und Fahrzeugbau

In der Automobilindustrie bietet AR sowohl im Konstruktionsprozess als auch in der späteren Nutzung des Fahrzeugs durch den Fahrer Potentiale und Mehrwerte. Diese Fallstudie bezieht sich auf die Konstruktionsthematik und beschreibt derzeitig bekannte Anwendungsszenarien und keine weitere Unterstützung bei der späteren Nutzung des Fahrzeugs.

Bei der Automobilkonstruktion wird AR dazu verwendet, Entscheidungen bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium an Prototypen zu treffen. Hierbei liegt das Potenzial darin, den Prototypenaufbau zu präzisieren und den Entwicklungsablauf zu beschleunigen. Eine der wesentlichen AR-Softwareplattformen die sich in der Automobilbranche erfolgreich behaupten konnte ist Unifeye Prototyping. Bei der Audi AG wurde mit Hilfe dieser Technologie ein Prototyp zur Visualisierung unterschiedlicher, virtueller Designvarianten an einem realen Fahrzeug umgesetzt. Dabei wurden verschiedene virtuelle Felgenvarianten an einem realen Fahrzeug überlagert, so dass ein realistisch wirkender Gesamteindruck der Szene geschaffen und die Auswahl im Kontext zum Gesamtfahrzeug begutachtet werden konnten. Hierfür nutzt man ein markerbasiertes, optisches Trackingsystem, um die Position und Ausrichtung der realen Felge zu bestimmen. Durch die Kenntnis der realen Felgenposition kann das AR-System eine Überlagerung der eigentlichen Felge beziehungsweise der Trackingmarke mit dem neu entwickelten CAD-Modell visualisieren. Diese Vorgehensweise gestattet binnen kürzester Zeit die Betrachtung und Bewertung verschiedenster Geometrie- und Ausstattungsvarianten. Neben diesen Vorzügen bietet AR weitere Potenziale und ermöglicht Autokäufern, sich unterschiedliche Ausstattungsvarianten direkt im Autohaus anzuschauen und zusammenzustellen ^[27].

Darüber hinaus sind einige Problemstellungen im Produktentwicklungsprozess ausschließlich durch AR zu lösen. So kann ein direkter Vergleich zwischen Versuchsergebnissen und Berechnungsresultaten lediglich mit dieser Technik realisiert werden. Vielversprechende Erkenntnisse lässt der Einsatz von AR-Techniken beim Vergleich von Crash-Ergebnissen erwarten. Nach einem Crash-Test überlagert das AR-System im Sichtfeld des Entwicklungsingenieurs, dem realen Crashfahzeug die durch die Simulation vorhergesagte Verformung. Differenzen sind damit "auf einen Blick" zu erkennen und zu bewerten.

Eine facharbeitergerechte Fertigungsplanung und Fertigungssteuerung in der Werkstatt wird erleichtert, wenn Informationen über den jeweiligen Auftragsstatus direkt in Verbindung mit den dazugehörigen Produkten vor Ort wahrgenommen werden. Das Gleiche gilt auch für den Einsatz bei einer Montage. Durch den Vergleich realer Montageabläufe mit Simulationsergebnissen, können umfassende Optimierungen erreicht werden, die sowohl die Qualität der Arbeitsplanung verbessern als auch den Montageprozess beschleunigen ^[29].

Ein weiteres Potential liegt in der Überlagerung von Bauteilen wie in Abbildung 11 dargestellt. Dies kann angewendet werden, um den Aufbau erster Teilumfänge durch Visualisierung der benötigten Bauteile und deren Lage zu unterstützen. Zudem ist es möglich, den Aufbau für Untersuchungen digital um noch nicht verfügbare Teile zu ergänzen und diese bereits zu einem frühen Zeitpunkt bei Untersuchungen zu berücksichtigen.

Weitere unterstützende Felder sind:

• Direkter Abgleich digitaler Entwicklungsstände mit dem vorhandenen Prototypen,
• Genauere Beurteilung räumlicher Distanzen,
• Berücksichtigung von Kraftpotentialen,
• Beurteilung von Montagevorgängen,
• Beurteilung von Demontagevorgängen,
• Ergonomie und Zugänglichkeitsuntersuchungen,
• Beurteilung von Änderungsjahr- und Modellpflegeumfängen,
• Visualisierung von Montagereihenfolgen oder
• Unterstützung von Fahrzeugerstaufbauten ^[31].

5.1.2 Bergbau

Im Bereich des Bergbaus kann die AR-Technologie die Arbeitswelt von künftigen Bergleuten vollkommen neu gestalten. Schaut beispielsweise ein Bergmann durch seine Datenbrille auf eine defekte Maschine, so zeigt ihm der Computer detailgenau und mit animierten Grafiken an, welche Reparaturschritte durchzuführen sind. Der Bergmann der Zukunft muss defekte Bauteile nicht einmal selbst ausfindig machen. Diesen Vorgang nimmt ihm der ausgereifte AR-Computer ab. Die Technik funktioniert mittlerweile nicht nur im Labor, sondern wurde bereits in der Praxis erfolgreich erprobt. Das zeigten schon die am AR-Leitprojekt „ARVIKA“ beteiligten Firmen – wie Siemens, VW und Ford. Mit Hilfe von AR wurde der Ventilstellmotor eines PKW ausgebaut und der Defekt eines Schiebedachs durch Anweisungen des Computers gefunden. Dadurch können deutlich kürzere Stillstandzeiten und beschleunigte Prozesse realisiert werden. Zum Beispiel bei Reparatur- und Wartungsarbeiten: Mit Hilfe eines PDA's kann sofort geprüft werden, ob Ersatzteile verfügbar sind. Diese könnten Bergleute dann umgehend über andere Kommunikationsmedien anfordern. Des Weiteren können alle zur Reparatur erforderlichen Informationen in kürzester Zeit auf mobilen Endgeräten erscheinen. Sollten unerwartete Probleme auftreten, stehen Experten in einem Call-Center bereit, die auf ihren Monitoren genau das sehen, was der Bergmann unter Tage auch sieht – aufgenommen durch eine Mini-Kamera am Helm des Bergmanns. Montageanleitungen werden "over the air" aus der Leitwarte auf die Datenbrille gesendet ^[33]. Auf Grund der politischen Entscheidung den deutschen Bergbau mittelfristig einzustellen, wird AR leider wohl nie in einem deutschen Steinkohlebergwerk breiten Einsatz finden.

5.1.3 Architektur und Bauwerke

In der Architektur wird AR größtenteils für die Visualisierung von Planungsständen im Städtebau, bei Umbaumaßnahmen sowie bei der Rekonstruktion von antiken Bauwerken eingesetzt. Mittels eines AR-Systems können Planungsstände im Gebäudebau dargestellt oder digitale und reale Modelle verglichen werden. Besonders der Aspekt von Bau- bzw. Umbaumaßnahmen ist interessant, da die durch Verkleidungen versteckte Gebäudestruktur direkt durch eine AR-Überlagerung angezeigt werden kann. Dies ermöglicht eine bessere Darstellung und Überprüfung unterschiedlicher Planungsstände und bietet für alle Betroffenen eine dreidimensionale sowie einfach aufzunehmende Präsentations- und Diskussionsgrundlage. Anhand dieses Systems können Möbel oder Einrichtungsgegenstände direkt aus einem digitalen Katalog ausgewählt werden und als virtuelles Objekt in ein von einer Videokamera aufgenommenes Bild in Echtzeit überlagert werden. Der Anwender kann diese Objekte dann mit einer 3D-Maus frei in dem Videobild platzieren und darüber hinaus die Kamera in eine gewünschte Position bewegen. Mittels spezieller Softwarearchitekturen, auf die im weiteren Verlauf detaillierter eingegangen wird, können einfach gehaltene Oberflächen durch Bilder einer Digitalkamera überlagert werden. Die aufgenommenen Bilder müssen einen einfachen Papiermarker enthalten, der von dem integrierten Bilderkennungsprogramm erkannt wird, so daß in das Bild die gewünschten virtuellen Objekte geladen werden können. Die Funktionalitäten sind auf ein Minimum beschränkt worden, um eine besonders einfache Bedienung zu gewährleisten. Mit Hilfe der AR-Technologie können in alten Gebäuden während einer Videokonferenz bestimmte Bauteile näher und exakter betrachtet werden. Dies ermöglicht eine schnelle Begutachtung bezüglich ihrer Schädigung, Materialien und den strukturellen Zusammenhängen. Als verlinkte Informationen können diese Details dann in das Datenmodell des untersuchten Gebäudes integriert werden ^[14].

Die Technologie der AR bereichert unsere reale Umgebung hauptsächlich mit digitalen Informationen und virtuellen Objekten. Zum allergrößten Teil werden diese Objekte und Informationen heute schon mit dem Computer oder den neuen Kommunikationsmedien bereitgestellt. Somit sind spezielle Szenarien für die Anwendung der AR auch für alle Bereiche der Architektur denkbar. Dabei liegt der größte Vorteil in den dreidimensionalen Darstellungsmöglichkeiten, die diese neue Technologie bietet. Anstatt die Computermodelle, Diagramme und Simulationen hinter der Glasscheibe eines Monitors zu betrachten, können die verschiedenen Entwürfe in Echtzeit und Kooperation mit den Entwurfspartnern bearbeitet werden. Darüber hinaus bietet es uns die Möglichkeit, entworfene Strukturen an Ort und Stelle auf ihre Wirkungen zu untersuchen oder sie sogar den Gegebenheiten anzupassen. Diese neuen Möglichkeiten konkurrieren jedoch nicht mit den althergebrachten Werkzeugen wie der Handskizze oder dem Modellbau. Sie stellen vielmehr eine Ergänzungen dieser Methoden dar. Die AR-Technologie birgt das Potential, bauliche Projekte, Gebäude oder innenarchitektonische Konzepte den Investoren und zukünftigen Nutzern näher zu bringen. Virtuelle Modelle könnten direkt in bestehende Strukturen hinein projiziert werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass gleichzeitig mehrere Betrachter die noch in der Planung befindlichen Projekte umwandern und erleben können. Verschiedene Konzepte, Materialien und Farben könnten dann in Kooperation mit den Beteiligten beraten und diskutiert werden.

Anschauliches Beispiel stellt hierbei der viel diskutierte Bau der Dresdner Waldschlösschenbrücke dar. Hier wurden immer wieder die Argumente bezüglich der Landschafts- und Stadtbildzerstörung als besondere Kritikpunkte genannt. Dabei können sich die Dresdener eigentlich nur auf einige Bilder des aktuellen Entwurfes aus dem Internet beziehen. Verfolgt man dennoch den aktuellen Diskussionsstand wird schnell deutlich, dass der Bedarf an Informationen über das wirkliche Erscheinungsbild der Brücke enorm hoch ist. Mit Hilfe der AR-Technologie könnte man hier besonders für die Dresdener Bürger, Befürworter, wie auch Skeptiker ein reelles Bild der zukünftigen Brücke erzeugen ^[25].

5.1.4 Flugzeugbau

Auch im Bereich des Flugzeugbaus hat die AR-Technologie bereits Anwendung gefunden und trägt dazu bei, dass der Innenausbau als Konstruktionsprozess effizienter gestaltet werden kann. Die Konfektionierung von Kabelbäumen ist hier ein enorm wichtiger und vor allem auch sicherheitsrelevanter Bestandteil der Montage. Durch den Einsatz der modernen AR-Technologie kann dieser Vorgang beschleunigt und vor allem störungsunempfindlicher gestaltet werden.

Die vorbereiteten Kabel werden an meterlangen Montagebrettern befestigt, zu Kabelsträngen gebündelt und mit Steckern versehen. Anschließend wird der gesamte Kabelbaum elektrisch auf Funktionsfähigkeit geprüft. In den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde einer der ersten Prototypen für die Unterstützung derartiger Tätigkeiten gestaltet. Im Laufe der Jahre wurden jedoch zunehmend Schwachstellen bei den Ausgabegeräten festgestellt, so dass bei neueren Entwicklungen bereits deutliche Verbesserungen hinsichtlich der Displaytechnologie vorgenommen wurden.

Der Arbeiter trägt bei der Montage nun ein HMD, über das er alle nötigen Informationen erhält. Zunächst wird ihm eine Liste von Kabeln in das Sichtfeld eingeblendet. Durch Aussprache der Kabel-ID, die vom System erkannt und ausgewertet wird, kann der Anwender ein Kabel auswählen. Nachdem Bestätigung dieser Eingabe wird ihm genau angezeigt, wo er das Kabel anzusetzen und entlangzuführen hat. Nach Bestätigung der Montage wird das Kabel als erledigt in der Datenbank gekennzeichnet. Die Software die hierfür maßgeblich zum Einsatz kam ist ARVIKA, die im weiteren Verlauf der Fallstudie dargestellt wird. Durch das Projekt sollte zum einen die technische Machbarkeit und zum anderen die Interface-Usability überprüft werden ^[36].

5.2 Anforderungen

Der Konstruktionssektor ist ein sehr facettenreiches und breit gefächertes Arbeitsgebiet, so dass sich die Anforderungen an ein entsprechendes AR-System trotz dieser Einschränkung stark unterscheiden. Entscheidend hierfür sind vor allem die vielfältigen Einsatzszenarien und die verschiedenen Displaytechnologien. Anwendungsübergreifend lassen sich jedoch eine Reihe von Anforderungen festhalten, die man nach J.P. Rolland in technische Anforderungen, die die Wahrnehmung des Nutzers betreffen, unterscheiden kann ^[39]. In Abbildung 15 sind die Anforderungen und deren Beziehungen untereinander grafisch veranschaulicht. Die daraus abgeleiteten Anforderungen sowie weitere Kriterien die speziell in den hier diskutierten Teilbereichen der Konstruktion von besonderer Bedeutung sind, werden in den folgenden Abschnitten näher betrachtet.

5.2.1 Systemechtzeit

Eine essentielle Anforderung an ein AR-System ist die Fähigkeit, bei Kopfbewegungen des Anwenders die ins Sichtfeld projizierten Daten relativ zur realen Umgebung an derselben Stelle verharren zu lassen. Somit entsteht der Eindruck eines beständigen Gesamtbildes. Dafür muss dem System zum einen bekannt sein wo genau sich der Anwender und die betroffenen Objekte befinden, zum anderen muss der Rechner leistungsfähig genug sein um die neuen Positionen schnell genug zu errechnen. Bei Konstruktionstätigkeiten in Entwicklung, Produktion und Service, wie der Kontrolle von Montagesequenzen im Fahrzeug- und Fertigteilbau oder bei Diagnose- und Instandsetzungsprozessen im Fahrzeugbau sowie beim Facility-Management und der Gebäudewartung kommt in der Regel ein mobiles Darstellungssystem wie ein HMD oder ein RSD zum Einsatz ^[40]. Dem Nutzer werden animierte Markierungen für Bohrlöcher, spezielle Werkzeughinweise oder Erläuterungen zu erforderlichen Arbeitsschritten eingeblendet. Während der Arbeit mit einem solchen System kommt es also zwangsläufig zu Kopfbewegungen, die einen hohen Rechenaufwand nach sich ziehen. Ist die Performance des Systems zu gering, gleiten die virtuellen Objekte aus ihrer vorherigen Lage im Raum heraus und führen zu fehlerhaften Einblendungen oder ungenügender Übereinstimmung zwischen virtueller und realer Welt, die das System unbrauchbar machen.

5.2.2 Überlagerungsgenauigkeit

Bei der Wahrnehmung der Umwelt und der Identifizierung bestimmter Objekte orientiert sich der Mensch vorwiegend an Linien und Kanten. Geringe Unstimmigkeiten zwischen virtueller und realer Welt fallen dem Anwender sofort ins Auge. Soll also ein augmentiertes Objekt in das Sichtfeld des Nutzers eingeblendet werden, die Optik eines Objektes durch Überlagerung einer Grafik verändert oder eine Postitionsanzeige eingefügt werden, muss das künstliche Objekt mit dem realen Objekt in Form und Lage übereinstimmen. Insbesondere im Bereich der Konstruktion ist diese Anforderung von enormer Bedeutung. Betrachtet man die Einsatzszenarien in der Automobilindustrie, der Verkehrstechnik oder auch der Architektur stellt man fest, dass die Position des Objektes und die Darstellung der vom System generierten Bilder äußerst genau ermittelt bzw. errechnet werden müssen, um fehlerhafte Entwürfe zu vermeiden. So könnte beispielweise bei der Fahrzeug- oder Flugzeugentwicklung eine Abweichung von wenigen Millimetern in der Innenraumgestaltung, der Unterstützung von Erstaufbauten sowie bei Ergonomie- und Zugänglichkeitsuntersuchungen zu teuren Produktionsfehlern und erneuten Entwicklungskosten führen. Um derartige Umstände zu vermeiden, muss die Position des HMD von einem Trackingssystem genau bestimmt werden und die Kalibrierungsparameter dürfen nicht außerhalb einer vorgegebenen Genauigkeit liegen. Gleichzeitig müssen die Kalibrierungen auch dann korrekt wiederhergestellt werden, wenn das HMD auf dem Kopf verrutscht ^[41].

5.2.3 Mobilität

Durch die erzielten Ergebnisse bei der Forschung und Entwicklung von AR-Systemen, hat das Interesse an AR in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Die rasanten Entwicklungen auf dem Gebiet „Mobile Computing“ haben zudem enorme Leistungssteigerungen bei Pocket-Computern, PDA's und Smartphones bewirkt und somit die Einsetzbarkeit und Akzeptanz von mobilen AR-Anwendungen schon heute erheblich gesteigert. Die industrielle Produktion, Montage und Konstruktion umfasst ebenfalls ein umfangreiches Repertoire an Tätigkeiten, die hohe Anforderungen an die Mobilität des Systems stellen. Praktisch alle beschriebenen Einsatzszenarien lassen sich nicht vollständig automatisieren und erfordern zusätzlich menschliche Handarbeit. Insbesondere bei mobilen Tätigkeiten werden entsprechende Kompetenzen der Mitarbeiter vorausgesetzt. Dazu gehören Aufgaben wie die elektrische Verkabelung von Flugzeugen die außerhalb an meterlangen Tafeln erledigt wird oder auch der Ersatz von Montagehandbüchern bei mobil tätigen Monteuren im Fahrzeugbau ^[42]. Am deutlichsten wird das Kriterium der Mobilität jedoch bei Anwendungen im Bergbau oder auf dem Gebiet der Architektur. Denkt man an den Schachtausbau unter Tage, Vor-Ort Ansichten für Gebäudekonstruktionen oder die Innenraumgestaltung wird schnell klar, dass ein tragbares System nicht mehr wegzudenken ist.

5.2.4 Interaktivität

Entscheidend für viele Szenarien ist auch die Möglichkeiten der Zusammenarbeit und Interaktion. In einer typischen nicht stationären AR-Umgebung steht dem Anwender in der Regel keine Tastatur und Maus zur Verfügung. Jegliche Eingaben oder Anweisungen müssen über anderweitige Interaktionssysteme vorgenommen werden. Dabei sollte das Interaktionsgerät iedalerweise kabellos sein, um möglichst viel Bewegungsfreiheit während der Arbeit zu garantieren ^[43]. Hierfür können die unterschiedlichsten Komponenten zum Einsatz kommen, wie beispielweise ein Datenhandschuh der auf bestimmte Handbewegungen reagiert oder eine Art Joystick, mit dem man durch virtuelle Menüs navigieren und Befehle absetzen kann. Aber auch die Erkennung von Gesten und Handbewegungen ohne zusätzliche Geräte oder die Unterstützung von Spracheingaben und -ausgaben sind denkbare Varianten. Man unterscheidet Interaktion oft in Bezug auf Selektion, Manipulation und Dateneingabe ^[44]. Häufig wird im Bereich der Konstruktion auch mit mehreren Personen zeitgleich an einem Projekt gearbeitet. Die Software sollte also optimalerweise auch in der Lage sein, multiple Ansichten auf dasselbe Objekt durch verschiedene Nutzer zu koordinieren und die kooperative Interaktion zu ermöglichen.

5.2.5 Sonstige

Weitere mögliche Problemstellungen, wie die Anpassung der Informationen an neue Umgebungsbedingungen (Adaption) und die Einhaltung der Schärfentiefe seien hier nur erwähnt, sind allerdings im Fokus eines ganz individuellen Anwendungsfalls zu bewerten und nur schwierig für den gesamten Konstruktionsbereich zu beurteilen.

Ergänzende Kriterien, die in erster Linie die Handhabbarkeit eines AR-Systems beeinflussen, können nach Olaf Öhme folgende Punkte aufweisen ^[45]:

• geringes Gewicht,
• gute Schwerpunktslage,
• hoher Tragekomfort,
• handhabbar bzw. leichtes Auf- und Absetzen,
• brillentauglich / fehlsichtkorrigierbar,
• justierbar (Einfachheit & Stabilität),
• kabellos,
• äußere Ansteuerung (Kopfhörer, Mikrofon oder haptische Geräte) und
• Arbeitszeittauglichkeit.

5.3 Software

Die Software zeigt sich dafür verantwortlich die Positionen aller Objekte zu errechnen und koordiniert diese zusammen mit der Ausgabe auf einem geeigneten Display. Sie bildet das Rückgrat jeder AR Anwendung und die Anforderungen sind dementsprechend hoch. Neben der Unterstützung unterschiedlicher Input- und Outputgeräte muss sie auch die Zusammenarbeit und Interaktion steuern ^[25].

AR-Software kann man unterscheiden in sogenannte Rahmensysteme (Frameworks) und in konkrete Anwendungen. Es gibt zur Zeit mehrere Softwarelösungen, die speziell für AR konzipiert wurden. In den folgenden Abschnitten werden sowohl Frameworks als auch Anwendungen vorgestellt, die den zuvor definierten Anforderungen weitestgehend gerecht werden und sich somit für einen Einsatz im Konstruktionsbereich anbieten.

5.3.1 Frameworks

In den letzten Jahren ist die Frage, wie man AR-Anwendungen effizient entwickelt, zunehmend in den Fokus des wissenschaftlichen Interesses geraten. Der Grund dafür liegt in der Erkenntnis, dass es zwar eine Vielzahl von AR-Projekten mit vielversprechenden Ergebnissen gibt, aber die Ergebnisse dieser Projekte praktisch immer nur Einzelstücke sind, die lediglich auf einen speziellen Anwendungsfall zugeschnitten sind. Dieser Zustand behindert offensichtlich den Fortschritt sowie den praktischen Einsatz von AR-Systemen. Aus diesem Grund legt man verstärkt den Fokus auf die Software-Architektur. Von der Vielzahl der im Laufe der Jahre entwickelten AR-Rahmensysteme werden vier von ihnen hier genauer vorgestellt: ARToolkit, Studierstube, MORGAN und CoSpaces ^[46].

5.3.1.1 ARToolkit

Die Softwarebibliothek AR-Toolkit ist kein Framework im eigentlichen Sinne. Aufgrund der Verbreitung und wichtigen Bedeutung ist die Bibliothek jedoch Ausgangsebene für viele Forschungen und Prototypen auf dem Gebiet der AR und stellt den Standard für markerbasiertes Tracking dar. ARToolkit wurde von Hirokazu Kato und Mark Billinghurst an der Washington University in Seattle und der Osaka Universität in Japan entwickelt und basiert auf der Programmiersprache C und C++. Es entstand als Abfallprodukt, in dem die Tracking-Engine eines Vorgängerprojekts herausgebrochen und als eigenständige Bibliothek veröffentlicht wurde. Aufgrund der Lizensierung unter der General Public License (GPL) war es möglich, die Bibliothek weiterzuentwickeln und den Bedürfnissen anderer AR Projekte anzupassen. Derzeit wird das ARToolkit von über 300 AR Projekten verwendet. Das gesamte Programm beinhaltet eine vollständige Arbeitsumgebung für AR und ist auf Grund des frei verfügbaren Quellcodes bereits auf alle wichtigen Betriebssystemplattformen portiert worden.

Das Tool erlaubt es dem Anwender relativ einfach eigene AR Applikationen zu entwickeln. Die Positionsbestimmung erfolgt über optische Marker, die selbst am heimischen Drucker problemlos ausgegeben werden können. Ein Marker ist eine quadratische Fläche die von einem schwarzen Rahmen begrenzt ist, der die Segmentierung der Marker im Bild erlaubt. Der schwarze Rahmen beinhaltet ein beliebiges Muster, das mittels Musterabgleich (Pattern Matching) die Identifikation verschiedener Marker ermöglich. Auch eine zeitgleiche Verwendung mehrerer unterschiedlicher Marker ist möglich, hat jedoch mit zunehmender Anzahl negativen Einfluss auf die Performance und Erkennungsrate des Systems ^[46].

Die einzublendenden Grafiken werden bei diesem Programm mittels der Open Graphics Library (OpenGL) erstellt und können dann künstlich in die reale Umgebung eingebettet werden. Die Ausgabe kann sowohl auf ein monitorbasiertes als auch auf ein brillenbasiertes Darstellungssystem erfolgen. Die Berechnungen des Programms können in Echtzeit, also mit einer geringen Zeitverzögerung von nur wenigen Zehntelsekunden durchgeführt werden. Selbst mit einer handelsüblichen Webcam können so am heimischen PC erste Expeditionen in die Welt der AR gemacht werden ^[25].

5.3.1.2 Studierstube

Studierstube ist ein aktuelles Projekt des Institute of Computer Graphics and Vision der Technischen Universität Graz. Es ist eines der bekanntesten AR-Rahmensysteme und bereits in mehreren Versionen verfügbar. Der Fokus des ursprünglichen Systems liegt dabei auf neuen User-Interface-Konzepten für AR-Anwendungen und auf der Fragestellung, wie mehrere Anwender gleichzeitig in einer virtuellen Umgebung zusammenarbeiten können. Neuere Versionen konzentrieren sich auf die Problematiken der mobilen AR auf Low-End-Geräten wie PDA's und Mobiltelefonen.

Studierstube ist in C++ geschrieben und basiert auf OpenInventor, eine freie objektorientierte C++ - Programmbibliothek zur Erstellung von 3D-Grafiken unter Verwendung von OpenGL. Das Rendering-Toolkit basiert wiederum auf dem Konzept des Szenengraphen und stellt eine Reihe von vorgefertigten Knoten zur Verfügung, aus denen die Anwendung den Szenengraphen zusammenbaut. Knoten besitzen Felder in denen Daten gespeichert werden und sie können untereinander kommunizieren. Der Szenengraph kann in einer Inventor-Datei abgelegt und zur Laufzeit wieder aus dieser Datei rekonstruiert werden. AR-Anwendungen für Studierstube werden in Form von neuen Szenengraphen-Knoten entwickelt. Dabei erbt die Anwendungsklasse von einer abstrakten Studierstube-Basisklasse. Alle Daten der Anwendung werden in den Feldern des Knotens abgelegt. Die graphische Repräsentation der Anwendung wird von Kind-Knoten erzeugt, die unterhalb des Anwendungsknotens in den Szenegraph eingehängt werden und als Plugin auf der Festplatte abgelegt und von der Studierstube-Laufzeitumgebung zur Laufzeit nachgeladen werden. Dieses Konzept wurde gewählt, so dass auch mehrere Anwendungen gleichzeitig laufen können (Multitasking). Des Weiteren ist Studierstube netzwerktransparent und erlaubt es, das System auf mehreren Rechnern verteilt laufen zu lassen ^[46].

Studierstube basiert auf über 10 jähriger Entwicklung von AR Software und bietet einen reichhaltigen Funktionsumfang sowie hohe Performance zur Entwicklung von kommerziellen und forschungsrelevanten Applikationen. Dabei stellt die Software dem Anwender Grafik, Video, Tracking, Multimedia, persistente Speicherung, Mehrbenutzer-Synchronisation und Entwicklungswerkzeuge zur Verfügung. Ein speziell entwickelter Emulator vereinfacht die Entwicklung von Applikationen, so dass Studierstube sowohl zur Entwicklung von Einzelnutzer als auch für Mehrbenutzer-Applikationen, welche Client-Server Kommunikationen benötigen, verwendet werden kann ^[49].

5.3.1.3 MORGAN

Die Verwendung eines Frameworks ist von existenzieller Bedeutung für die Entwicklung AR und VR-Projekten. Während Eigenschaften wie Skalierbarkeit, Plattformunabhängigkeit, Unterstützung mehrerer Benutzer, Verteilung der Komponenten und eine leistungsfähige sowie hoch entwickelte Wiedergabe die Schlüsselanforderungen der gegenwärtigen und zukünftigen Anwendungen sind, sprechen vorhandene Frameworks häufig diese Punkte nur teilweise an. MORGAN stellt ein erweiterbares, zusammengesetztes AR und VR Framework dar und ermöglicht anspruchsvolle und dynamische Multiuser-Projekte. Das MORGAN-Framework ist bereits erfolgreich in vielen nationalen und internationalen Entwicklungsprojekten eingesetzt worden ^[51].

Das MORGAN Framework ermöglicht Entwicklung und Einsatz verteilter multi-modaler Mehrbenutzer Applikationen, die speziell auf die Anforderungen des jeweiligen Anwendungsszenarios angepasst werden können. Somit bietet es sowohl Anfängern als auch Experten eine erhebliche Beschleunigung bei der Entwicklung von AR und VR Applikationen. Es wurde zur vollen Unterstützung von heterogenen verteilten Umgebungen und individuellen Eingabe- und Ausgabegeräten entwickelt, wie beispielsweise High-End Workstations mit mehreren Bildschirmen, Notebooks, Tablet PC's, Ultra Mobile PC oder Handheld Geräte wie PDA's oder Smartphones. MORGAN bildet die Grundlage für die einfache Verwendung und Auswechslung einer großen Anzahl von Eingabe- und Ausgabegeräten, einschließlich Maus und Tastatur sowie Objekt-Tracking- und Navigationssystemen bis hin zur Spracherkennung und Sprachsynthese, Wind- und Temperatursensoren, Webcams und stationären/tragbaren Head-Worn Displays. Dies unterstützt die schnelle Entwicklung multi-modaler Benutzerschnittstellen und fördert den schnellen sowie einfachen Austausch einzelner Geräte bei wechselnder Hardwarekonfiguration.

Außerdem bietet MORGAN eine speziell auf Echtzeitdarstellung und komplexen 3D Szenen zugeschnittene Render Engine mit automatischer Szenengraph-Synchronisation. Sie bietet neben den Standardfunktionen wie Kollisionserkennung, Picking und Echtzeit CSG (Constructive Solid Geometry) zusätzlich Eigenschaften, die sie von anderen abhebt: die Trennung von interner Szenenrepräsentation und 3D-grafikformatspezifischen Daten. Alle gängigen Bild- und Videoformate sowie Webcams und Videostreams können beliebig als Texturen verwendet werden. Passende Soundquellen können in der 3D Umgebung platziert werden und sorgen für die Erzeugung des Raumklangs. Die MORGAN Render Engine kann sowohl OpenGL als auch Direct3D zur Grafikausgabe verwenden.

Neben der starken Render Engine verfügt das MORGAN Framework über einen stereoskopischen AR und VR Viewer: Marvin. Entwickelt auf Basis des Frameworks, erlaubt er dem Benutzer Fähigkeiten von MORGAN individuell zu erleben. Marvin dient zum einen als Ausgabe für die Render Engine bietet gleichzeitig eine Schaltstelle für die verwendeten Ein- und Ausgabegeräte. Marvin profitiert von dem komponentenbasierten Aufbau von Morgan, da sich alle Komponenten und externe Applikationen über einen Plugin-Mechanismus hinzu laden lassen. Entwickler können sogar ihre eigenen Plugins entwickeln, um die Funktionalität von Marvin zu erweitern ^[52].

5.3.1.4 CoSpaces

Die Automobilindustrie in Europa hat, ebenso wie Luftfahrt und Bauwirtschaft, den Ruf, hinsichtlich Design und Produktion innovativ, zuverlässig und qualitativ hochwertig zu sein. Das erklärte Ziel von CoSpaces ist es diesen Status trotz steigenden Kostendrucks auch in Zeiten globaler Marktanforderungen aufrecht zu erhalten.

Durch CoSpaces soll durch neueste Erkenntnisse der Ubiquitous-Computing-Forschung ein Rahmenkonzept entwickelt werden, das bei der gemeinschaftlichen Bearbeitung unterschiedlicher Themenbereiche Hilfestellung leisten soll. Die Zielgruppe sind insbesondere Nutzer aus den Bereichen Ingenieurdesign und –konstruktion, die durch CoSpaces die Möglichkeit erlangen sollen, ihr spezifisches Arbeitsumfeld bedarfsgerecht herzustellen. Um eine möglichst große Anzahl verschiedenster kollaborativer Szenarien und Produktzyklen zu unterstützen, wird auf diverse Interfaces zurückgegriffen. Diese sind in erster Linie innovativ, kontextbezogen und natürlicher Herkunft.

Das Ziel von CoSpace ist es, benutzerfreundliche, kollaborative Applikationen zu entwickeln die simpel, aber dennoch innovativ sind. Hierbei wird auf die Entwicklung organisatorischer Modelle und Technologien zurückgegriffen. Um sicherzustellen, dass das Rahmenkonzept die Anforderungen in der Praxis erfüllt, sollen drei verschiedene Demonstratoren entwickelt werden. Die ausgewählten Bereiche hierfür sind die Automobilindustrie, Luftfahrt und Bauwirtschaft. Für jeden Bereich wird jeweils folgendes simuliert:

• Distributed Design Workspace (kooperative Entwicklung an mehreren Orten),
• Co-located Design Workspace (kooperative Entwicklung an einem Ort) und
• Mobile Maintenance Workspace (mobile Wartungsarbeiten).

Unter Nutzung stationärer oder mobiler Systeme soll Distributed Design die Kooperation zwischen mehreren, multifunktionalen Teams von Entwicklern im industriellen Bereich verbessern.

Die Unterstützung spontaner und zuvor koordinierter Sitzungen von multifunktionalen Ingenieurteams, die am gleichen Ort tätig sind, wird im Bereich Co-Located Design erforscht. Ziel ist eine tiefere Immersion und ein höherer Grad an Flexibilität, was wiederum durch verbesserte Visualisierungs- und Interaktionsmethoden erreicht werden soll.

Sollen Wartungsingenieure vor Ort durch simple aber dennoch intensive Kollaboration mit Experten unterstützt werden, ist Mobile Maintenance Workspace zu empfehlen. Hierbei werden Fachkräfte via Mobile Computing und AR von anderen Orten zugeschaltet. Möglich gemacht wird dies durch Trackingtechnologien, kontextbezogene Informationsmanagementsysteme sowie adaptive Ambient Interfaces. Mobile Support findet in zwei Arbeitsbereichen Anwendung:

• Unterstützung von Arbeiten auf einer Großbaustelle sowie
• Unterstützung von Wartungsingenieuren in der Luftfahrtindustrie.

In beiden oben genannten Szenarien wird auf AR-Technologie zurückgegriffen. Hierzu ist es erforderlich, dass der Ingenieur ein Head-Mounted Display oder ein ähnliches AR-fähiges Gerät trägt. Dieses Gerät muss kompatibel sein und die Einblendung kontextbezogener Hilfen zuzulassen. Zusätzliche Grafiken, Bilder, computergenerierte 3D-Modelle oder auch Anweisungen eines aus der Ferne zugeschalteten Experten sind Beispiele hierfür ^[54].

5.3.2 Anwendungen

Die Grundlage beim Entwickeln von Virtual Environments sind Frameworks. Aufbauend auf der Entscheidung für ein bestimmtes Framework können Anwendungen entwickelt werden, die viele Entwicklungsbereiche in der Industrie verbessern können. Die durch AR ermöglichte schnelle Präsentation und Untersuchung von Produkten, ohne das physisches Modell erstellt zu haben, spart oft hohe Kosten ein. Es erlaubt beispielsweise dem Produkt-Design, Materialtests oder der Automobilindustrie, Crash-Tests zu simulieren. An den virtuellen Modellen können auch kinematische, ergonomische und aerodynamische Analysen vorgenommen werden. Dieser Vorteil wird beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt genutzt ^[55]. Im Rahmen dieser Fallstudie sollen daher Anwendungsbeispiele dargestellt werden, die die Verwendung in den beschriebenen Einsatzszenarien aufzeigen.

5.3.2.1 ARC

Neue Fortschritte im Computerschnittstellenentwurf und der ständig steigende Bedarf an minimalem Energieverbrauch sowie die Miniaturisierung von Computerhardware haben dazu beigetragen, dass der Gebrauch von AR bei Simulationen für Hochbau, Wartung und Erneuerung populärer wurde. Eine der ersten AR-Anwendungen die ihren Fokus speziell auf den Konstruktionsbereich gesetzt hat, ist das ARC-Projekt des Computer Graphics & User Interface Lab der Columbia University. Mit Hilfe der AR-Technologie soll bei diesem Projekt der Aufbau eines Raumtragwerkes angeleitet werden.

Raumtragewerke bestehen typischerweise aus einer Vielzahl von Komponenten unterschiedlicher Größe und Form (meist zylinderförmige Gestänge und kugelförmige Knoten). Auch wenn die Ausmaße aller Komponenten dieselben sind, haben sie dennoch unterschiedliche Kräfte zu tragen und variieren deshalb in ihrer inneren Struktur. Aus diesem Grund bleiben falsch montierte Gestänge meist unentdeckt und die Konstruktion besitzt nicht die nötige Stabilität. Genau hier setzt die Anwendung ARC an. Der Konstrukteur bekommt über ein HMD konkrete Anweisungen, die sicherstellen, dass die Bauteile an der richtigen Stelle positioniert und befestigt werden.

Dabei wird immer nur ein Teil, entweder Strebe oder Knoten, zur selben Zeit montiert. Für jeden Schritt des Konstruktionsprozesses geht das System wie folgt vor ^[57]:

• Es leitet den Arbeiter zu einem Haufen von Teilen und fordert ihn auf, ein bestimmtes Teil aufzuheben. Dies geschieht durch ins Sichtfeld eingeblendete Textanweisungen und passende Sound-Dateien die abgespielt werden.
• Durch einen Barcode-Scan des Teils bestätigt das System, dass das richtige Stück aufgenommen wurde.
• Es fordert den Arbeiter auf die Komponente zu montieren. Ein virtuelles 3D-Bild des Bauteils zeigt an, wo man die Komponente zu installieren hat. Verbale Anweisungen über eine Sound-Datei erklären zusätzlich wie es zu installieren ist.
• Anschließend stellt das System sicher, dass die Komponente richtig installiert wurde. Das Bauteil wird erneut mit einem Barcode-Scanner erfasst und die richtige Identität und Position des Teils überprüft.

5.3.2.2 ARVIKA

ARVIKA ist eines der für die Industrie wesentlichen Forschungsprojekte für AR. Der Projektname ARVIKA bedeutet: "Augmented Reality for Development, Production and Service". Das Projekt bildete im Bereich „Mensch-Technik-Interaktion“ das Leitprojekt und wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Zwischen 1999 und 2003 haben mehrere renommierte Unternehmen den Einsatz der AR-Technologie hauptsächlich in den Anwendungsbereichen des Automobil- und Flugzeugbaus sowie des Maschinen- und Anlagenbaus untersucht ^[59]. Im Juli 1999 startete ARVIKA mit dem Ziel, mobile AR-Technologien zur Unterstützung von Arbeitsprozessen in Entwicklung, Produktion und Service benutzer- und anwendungsorientiert zu erforschen und zu realisieren. Ein Konsortium aus 20 Partnern trug das Leitprojekt, die sich hauptsächlich aus der Großindustrie, mittelständisch strukturierten Unternehmen sowie den führenden Instituten aus Forschung und Wissenschaft unter der Leitung durch die Siemens AG (Bereich: Automation & Drives) zusammensetzten. Die anwendungsbezogenen Themenschwerpunkte von ARVIKA bildeten die Basis für eine Anforderungserhebung zur Systemgestaltung und zielten auf die praktische Erprobung mobiler AR-Technologien ab. Grundlage waren die zu erforschenden AR-Basistechnologien, die zum einen High-End-Anwendungen in der Entwicklung, aber auch den Low-End-Einsatz am Gürtel des Facharbeiters in der Fertigungsumgebung unterstützen sollten. Aus diesem Grund erfolgte die Realisierung auf einer offenen Systemplattform, die unterschiedliche Leistungsabstufungen und insbesondere den portablen Einsatz erlaubte. Ziel war die marktgerechte Unterstützung von produkt-, fertigungs- und serviceorientierten Informations- und Kommunikationstechnologien für die Verwendung durch Facharbeiter, Techniker und Ingenieure ^[14].

In Wolfsburg tüftelte beispielsweise ein kleines, aber hochspezialisiertes Team an komplizierten Programmen, die die Berechnungen eines simulierten Crashs in einer Datenbrille anzeigen sollten. Parallel dazu soll man den realen Zusammenstoß sehen, um die millimetergenauen Unterschiede nach der Simulation zu vergleichen. Hauptproblem dabei war die Datenverarbeitung, denn der echte sowie der simulierte Crash mussten im Format dreidimensional übereinstimmen. Die Volkswagen AG investierte rund 1,2 Millionen Euro in neue AR-Technologien, eine Investition, die sich für die Industrie bezahlt macht. Die neu entwickelten Technologien können vielseitig eingesetzt werden und ebenfalls in der sogenannten Sitzkiste, dem Cockpit, den Konstrukteuren wichtige Daten liefern und die Arbeit erleichtern. Durch den Einsatz einer Datenbrille können weitere Instrumente in das Feld des Anwenders projiziert werden.

Nach Abschluss des Projektes ARVIKA beschäftigten sich, im ebenfalls vom BMBF geförderten ARVIKA-Nachfolgeprojekt ARTESAS, von 2004 bis 2006 neun Partner speziell mit der Entwicklung und Erprobung technischer Komponenten. Diese umfassten beispielsweise industriell brauchbare, markerlose Trackingverfahren sowie verschiedene HMD-Gerätetechniken. Nachdem in ARVIKA und ARTESAS sowohl technische als auch anwendungsorientierte Fragestellungen bearbeitet wurden, stellt das derzeit aktuelle BMBF-geförderte Projekt AVILUS (Laufzeit bis 2011) die konsequente Fortsetzung dar. Die Ergebnisse der ersten Projekte wurden aufgegriffen, Fragestellungen auf den gesamten Produkt- und Produktionsmittellebenszyklus erweitert und Forschungsarbeiten der Technologielieferanten und Anwendungspartner kombiniert ^[24].

5.3.2.3 ARTHUR

ARTHUR - der Augmented Round Table for Architecture and Urban Planing - ist ein System, das 2004 auf der Cebit in Hannover vorgestellt wurde. Es basiert auf dem zuvor beschriebenen Framework MORGAN und erlaubt Architekten gemeinsam an einem „runden Tisch“ an virtuellen Gebäudemodellen zu arbeiten. Bisher wurden für Gebäudeentwürfe meist Modelle aus Holz, Styropor, Plexiglas, oder Papier erstellt, die dann kooperativ an einem Tisch diskutiert werden können. Die Anfertigung solcher Entwürfe ist sehr zeitaufwendig und kostenintensiv. Auch die Anpassungsfähigkeit physischer Modelle ist ein großes Problem. Vereinbarte Änderungen am Gebäude können zunächst nur aufgenommen werden und erst beim nächsten Treffen anhand neuer Modelle betrachtet werden. Verzögerungen in großen Bauprojekten sind da praktisch vorprogrammiert.

Bei ARTHUR sollen mit Hilfe semitransparenter Spezialbrillen die dreidimensionalen Gebäude direkt auf einen Planungstisch projiziert werden. Einzelne Elemente des Modells können dann mit speziell dafür konzipierten Eingabegeräten oder durch Fingerbewegungen bearbeitet werden. Der Anwender kann dabei das Objekt aus beliebiger Perspektive betrachten, wobei seine Position vom System stets berücksichtigt wird. Zudem sind an den Spezialbrillen kleine Kameras angebracht, die die Benutzeroperationen vollkommen berührungs- und sensorlos erfassen ^[61].

Bestehende CAD-Systeme sollen durch ARTHUR nicht ersetzt, sondern vielmehr sinnvoll in die Arbeit integriert werden und zsuätzliche Hilfestellungen leisten. So können beispielweise Objekte, die durch ein bereits vorhandenes CAD-System an einem Desktoprechner erzeugt wurden, ebenfalls auf dem Tisch platziert, bewegt und skaliert werden. Selbst ein späterer Wechsel zwischen dem CAD-System und der ARTHUR-Umgebung ist problemlos möglich und gewährleistet so eine getrennte Beurteilung der einzelnen Entwicklungsstadien.

Geforscht wird zudem auch an Möglichkeiten dreidimensionale Objekte direkt und aktiv in der Augmented Reality Umgebung zu erzeugen. Mit den Fingerspitzen könnten so Linien gezeichnet werden oder gar durch Handbewegungen ganze Objekte generiert werden. Die Architekten könnten häufig benötigte 3-D Elemente aus einer Art Baukasten abrufen und verarbeiten. Bisher sind Eingabegeräte und Visualisierung noch relativ unausgereift, dennoch wird das Konzept laut Forschern bereits heute, selbst von ungeübten Anwendern, sehr positiv aufgenommen ^[25].

5.3.2.4 Unifeye

Mit Hilfe der AR-Technologie können Automobilhersteller virtuelle CAD-Prototypen in reelle Baugruppen oder Fahrzeuge integrieren, um noch vor dem Fertigungsstart Einbauprobleme zu entdecken und zu lösen. Durch die Anwendung Unifeye, die von der Firma metaio entwickelt wurde, ist dies möglich. Die Anwendung ermöglicht es, 3D-Animationen in einen Live-Videostream bzw. Bilder der realen User-Umgebung, nahtlos zu integrieren. Dabei hat Metaio für verschiedene Anwendungsszenarien unterschiedliche Softwareprodukte im Portfolio. Für das Umfeld des Automobilbaus findet das Metaio Produkt Unifeye Prototyping bereits bei verschiedenen Automobilherstellen erfolgreich Anwendung. Mit diesem System können Konstrukteure bzw. Ingenieure virtuelle CAD-Prototypen mit reellen Elementen vermessen. Dadurch kann bereits in einer frühen Phase der Entwicklung geprüft werden, ob sich beispielsweise die zukünftigen Komponenten in das existierende Fahrzeug einbauen lassen. Dies ermöglicht den Konstrukteuren eine frühzeitige Fehlererkennung und vermeidet hohe Zusatzkosten bei späteren Produktionsanpassungen.

Bestehend aus einem speziellen Messarm, an dem eine Digitalkamera befestigt ist, lässt sich der physische Prototyp im Raum mithilfe von Unifeye genau orten und vermessen. Die Kamera liefert einen Live-Videostream des Objekts. Unifeye bearbeitet die Videodaten indem das virtuelle 3D-Element passgenau in das reelle Bild gerendert wird. Die genaue Positionierung der Kamera durch den Messarm macht es möglich, die 3D-Bilder in Echtzeit dem wechselnden Blickwinkel anzupassen und sie präzise mit dem Livestream zu überlagern. Mit Hilfe dieser Lösung können die Konstrukteure schnell erkennen, ob Bauteile nicht optimal aufeinander abgestimmt sind oder eine virtuelle Schraube im reellen Bauteil fehlt. Dadurch können Fehler ausgeschlossen werden, die sonst erst mit dem ersten physikalischen Prototyp des neuen Komponenten entdeckt worden wären.

Unifeye Prototyping wird bereits bei vielen Automobilherstellern wie Volkswagen oder Audi erfolgreich eingesetzt. AR liefert dabei die perfekte Schnittstelle zwischen Theorie und Praxis. Mit dem Unifeye-Tool kann man die CAD-Entwicklungsarbeit mit der Realität der echten Fahrzeuge und Prototypen und ihren Toleranzen abgleichen. Durch die Früherkennung von Einbauproblemen spart man Zeit und Geld und identifiziert Montageschwierigkeiten bevor sie sich negativ auf die die Qualität auswirken können ^[63].

5.4 Potentiale & Grenzen

Bereits in Kapitel 5.2 wurden eine Reihe technischer Anforderungen definiert, die es für einen erfolgreichen Einsatz der AR-Technologie im Bereich der Konstruktion zu erfüllen gilt. Neben den bereits existierenden Systemen, sind Anwendungen für die Unterstützung jeglicher Aktivitäten im Rahmen des Konstruktionsprozesses denkbar. Die Potentiale für diesen Bereich hängen jedoch auch stark von der allgemeinen Durchsetzungsfähigkeit und einer flächendeckenden Verbreitung der Technologie in unserer Gesellschaft ab. Sie lassen sich durch fünf wesentliche Sachverhalte beschreiben. Die folgenden Ausführungen zu diesen Sachverhalten sollen lediglich einen Trend aufzeigen und auf die großen Potentiale der Technologie hinweisen. Sie sind weder wissenschaftlich fundiert, noch umfangreich durch technische Konzepte untermauert oder umgesetzt.

• AR kann die Möglichkeit einer neuen Displaytechnologie und grafischen Benutzeroberflächen schaffen.

Bereits heute liegt die Grenze in der Nutzung neuer Geräte häufig im Display. So können beispielweise auf aktuellen Handys, Funktionen wie der mobile Internetzugang nur unzureichend ausgeschöpft werden. Mit Einführung von AR wäre dies anders. Klassische Displays verschwinden und werden ersetzt durch virtuelle Elemente, wie Schaltflächen, Fenster und Menüs die frei im Raum angeordnet und in die reale Welt eingebettet werden. Die Größe von Monitoren oder Leinwänden spielt dabei keine Rolle. Zudem sind echte dreidimensionale Anwendungen umsetzbar, die ganz neue Formen der Informations- und Datendarstellung ermöglichen.

• AR kann in kleinen, tragbaren und handlichen Bauformen umgesetzt werden.

Bislang befinden sich viele der im Rahmen von AR eingesetzten Technologien noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Forschungsarbeiten konzentrierten sich in erster Linie auf die Funktionalität, weniger auf Handlichkeit und Ergonomie der Systeme. Nun, da die technologischen Grundsteine soweit vorhanden sind, verschiebt sich die Aufmerksamkeit immer mehr auf eine sinnvolle Kombination aller Komponenten. Computerwissenschaftler gehen davon aus, dass die Technologie innerhalb der nächsten 10 Jahre, bei entsprechender Nachfrage und Entwicklungsarbeit, einen ähnlichen Quantensprung wie die Mobilfunksparte vollziehen kann. Dabei ist es wichtig, dass ein brillenbasiertes Darstellungssystem nur noch unter 20 Gramm wiegen könnte und alle sonst nötigen Komponenten für Energieversorgung und Berechnung in einem Gerät untergebracht werden, das nicht größer als ein gewöhnliches Mobiltelefon ist ^[64]. Sollten diese Behauptungen zutreffen, könnten wir bereits in naher Zukunft problemlos ein komplettes 3D-Interface für den Netzzugang, zum Arbeiten und Spielen jederzeit mit uns führen.

• AR-Anwendungen benötigen vergleichsweise wenig oder gar keine zu installierende Infrastruktur.

Noch heute gehen viele Computerwissenschaftler davon aus, dass uns dreidimensionale Informationswelten künftig in telefonzellenähnlichen, sogenannten Virtual Reality Caves, präsentiert werden. Betrachtet man dagegen die Möglichkeiten von AR, erscheint dies eher unwahrscheinlich. AR-Systeme könnten von den Nutzern ständig am Körper getragen werden und bräuchten für die Darstellung virtueller Elemente weder zusätzliche Kameras, noch eine extra Energieversorgung. Mit GPS, und in Zukunft Gallileo, existieren zudem Möglichkeiten, mit denen die Umgebung an die Anforderungen des Trackings angepasst werden können. Auch der flächendeckende Einsatz von WLAN-Hotspots in Großstädten bietet für mobile AR-Systeme ganz neue Möglichkeiten und damit auch eine höhere Akzeptanz in der Gesellschaft.

• AR kann sich durch einen dezentralisierten Bottom-Up Prozess der Entwicklung und Verbreitung schnell & effektiv auf dem Markt behaupten.

Im Internet beobachten wir eine, durch die Nutzer geschaffene, steigende Vielfalt und Größe. Dienste werden zunehmend für mobile Endgeräte optimiert und fördern damit die Akzeptanz von portablen Geräten. Von diesem Trend kann auch ein auf die mobile Nutzung ausgelegtes AR-System profitieren. Portale und neuartige Dienste könnten, anstatt auf dem Handy oder auf tragbaren Mediaplayern, direkt vor dem Auge des Anwenders dargestellt werden. Das Internet und seine vielfältigen Dienste könnten an jedem Ort ansprechend präsentiert werden. Eine steigende Nachfrage, vor allem der heutigen Generation Web 2.0, ist bei dem Gedanken eines solchen Szenarios bereits abzusehen.

• AR bietet neue Potentiale der effektiven Zusammenarbeit mehrerer Personen oder Personengruppen.

Aktuelle Forschungsprojekte im Bereich AR, insbesondere auf dem Gebiet der Konstruktion, konzentrieren sich zunehmend auf bessere Möglichkeiten der Zusammenarbeit und Interaktion in AR-Umgebungen. Die virtuelle Umgebung soll nicht mehr nur für einen Nutzer zugänglich, sondern von mehreren Nutzern im Raum gleichzeitig einsehbar sein. Dies ermöglicht eine wesentlich intensivere Zusammenarbeit als die Arbeit an einem Monitor, bei dem die Informationsdarstellung und Interaktionsmöglichkeiten für eine einzelne Person optimiert wurden. Bei AR können unterschiedliche Systeme gekoppelt werden und so mehreren Benutzern das gleiche visuelle Erlebnis ermöglichen. Zudem könnten alle Nutzer kollaborativ in der virtuellen Umgebung zusammenarbeiten und in Echtzeit mit dem System interagieren.

Für das Vorankommen der AR-Technologie ist es zudem immens wichtig, dass sich die Forschung weniger auf individuelle Anwendungen konzentriert und dafür sorgt, dass AR in allen Bereichen unseres täglichen Lebens als ernstzunehmende Alternative für unsere bekannten zweidimensionalen Displaykonzepte verstanden wird. In absehbarer Zeit werden wir es leid sein, noch relativ große Geräte wie Notebooks mit uns herumzutragen. Mobile Endgeräte durchdringen heute schon unseren Alltag und stillen unser Bedürfnis nach ständiger Informationsversorgung. Der nächste logische Schritt wären Datenbrillen, die uns die nötigen Informationen direkt in unserem Sichtfeld anzeigen. Im Zeitalter des Ubiquitous Computing (allgegenwärtiger Rechner) könnten wir durch eine derartige Datenbrille auf vollkommen neue Welten zugreifen. Eine Welt von jederzeit und überall verfügbaren Daten und Informationen ^[25]. Wenn die AR-Technologie wie heute das Handy oder der Computer zu unserem täglichen Leben gehört, ist ein flächendeckender Einsatz im Bereich der Konstruktion nur eine Frage der Zeit.

In vielen Anwendungsbereichen stößt AR jedoch noch auf bisher nicht überwundene Grenzen. Während bei der Fahrzeug- und Flugzeugentwicklung bereits produktiv AR-Systeme zum Einsatz kommen, sind vor allem im Bereich Architektur der Einsetzbarkeit noch Grenzen gesetzt. Alle heutigen Systeme zur Architekturvirtualisierung arbeiten vorwiegend nicht-immersiv und Vor-Ort sowie Echtzeitvisualisierungen sind nur selten. Die Echtzeitverarbeitung enormer Datenmengen verursacht, durch den hohen Detailierungsgrad und die Größe bei der Darstellung von Gebäuden, ein gigantisches Datenaufkommen. In Verbindung mit den Anforderungen an Mobilität und Nutzbarkeit konnte ein entsprechendes System technisch bisher nicht umgesetzt werden. Zudem bereitet auch die immersive Darstellung große Probleme. Gebäude werden in der Regel nur verkleinert und mit einem geringen Detailierungsgrad dargestellt. Hier gilt es, geeignete Trackingsysteme zu finden, um auch eine maßstabsgetreue Präsentation zu ermöglichen ^[40].

6 Fazit

Die Konstruktionswissenschaft bildet eine stark fächerübergreifende Disziplin mit einem breit gefächerten Arbeitsgebiet. Daraus resultieren eine Vielzahl von individuellen Anforderungen, deren Umsetzung entscheidend für den erfolgreichen Einsatz einer AR-Technologie ist. Bei der Betrachtung von AR innerhalb der Fallstudie wurde verdeutlicht, dass der derzeitige Stand der Technologie als ein technisches Hilfsmittel bezeichnet werden kann. So werden Konstrukteure aus unterschiedlichen Fachgebieten im Bereich der Konstruktion durch Anwendungen unterstützt, die die Bereitstellung bedarfsgerechter Informationen realisieren. Die Darstellung ist durch unterschiedliche Systemaufbauten möglich, die sich hauptsächlich durch die Art der Anzeigegeräte unterscheiden und im Grundlagenkapitel dargestellt wurden.

Im Verlauf der Fallstudie wurde deutlich, dass die heutigen AR-Technologien bereits seit vielen Jahren für spezielle Einsatzszenarien bestehen und produktiv genutzt werden. Meist handelt es sich jedoch um individuelle, auf ein ganz konkretes Einsatzszenario zugeschnittene Anwendungen. Im Gegensatz zur AR-Technologie im Consumer Bereich, die derzeit einen großen Boom erfährt, stellt der Bereich Konstruktion höhere Anforderungen an ein AR-System, die in Kapitel 5.2 ausführlich betrachtet wurden. Durch frühe Leitprojekte der Industrie wie ARVIKA oder dem Nachfolgeprojekt ARTESAS konnten bereits vor zehn Jahren AR-Anwendugszenarien erforscht und bis zur produktiven Nutzung weiterentwickelt werden. Speziell bei Konstruktionsprozessen in der Automobil- und Flugzeugindustrie hat AR einen hohen Reifegrad erreicht und konnte sich bei vielen Herstellern zum produktiven Einsatz etablieren. So konnte beispielsweise durch den Einsatz von AR im Prototypenbau die Anzahl der kostenintensiven Prototypen deutlich reduziert und Kosten eingespart werden ^[65].

Auch im Umfeld der Konstruktion von Bauwerken oder ganzen Siedlungen findet die Technologie bereits Einsatz. Sie unterstützt sowohl Architekten und Designer, als auch Kunden während des frühen Konstruktionsprozess. Im Fokus stehen hier vor allem Möglichkeiten der Zusammenarbeit und Interaktion. Während es AR im Bereich der Automobilindustrie und der Luftfahrt bereits zum produktiven Einsatz gebracht hat, handelt es sich auf dem Gebiet der Architektur in der Regel noch um Forschungsprojekte. Die Grenzen liegen hier vor allem bei der Echtzeitverarbeitung enormer Datenmengen und der immersiven und detailreichen Darstellung von Gebäuden. Sollten jedoch in naher Zukunft die technischen Anforderungen hinsichtlich Mobilität und korekter Darstellung erfüllt werden und die Akzeptanz von AR steigen, werden diese Barrieren sicherlich schnell ausgeräumt.

Insgesamt bleibt festzuhalten, dass AR große Potentiale für jegliche Unterstützung von Konstruktionsaktivitäten bietet. Derzeit sind AR-Lösungen vor allem dort sinnvoll, wo komplexe Produktionsvorgänge und -zusammenhänge dargestellt werden müssen oder eine große Bauteilanzahl, Positions- oder Variantenvielfalt gewünscht ist. Ein hohes Einsparpotential besteht vor allem in der Reduzierung des Abstraktionsgrads zur Erfassung der Informationen. Die kontextabhängige Darstellung der Informationen, in Kombination mit der Filterung von Informationen, reduziert die Menge an Daten und stärkt den Fokus auf die wesentliche Aufgabe. Somit sind die Informationen für den Anwender besser zu erfassen und zu bewerten. Dies führt im allgemeinen zur Kostenreduzierung durch Verringerung von Entwicklungszeiten, Aufwendungen für Prototypen und des Dokumentationsaufwands. Die Potentiale zeigen, dass AR zur Zeit ein vielversprechender Trend ist und die Technologie zahlreiche Chancen aufweist. Aufgrund positiver Synergien und der bereits bestehenden und funktionierenden Hardware kann bei entsprechender Fortsetzung der Forschung in naher Zukunft die Akzeptanz und Verbreitung erhöht werden.

7 Fußnoten

1. ↑ Vgl. Alt, T. (2002), passim
2. ↑ Vgl. Oehme, O. (2003), passim
3. ↑ ^{3,0 3,1} Vgl. Wikipedia (2009), passim
4. ↑ Vgl. Pahl (2006), S. 1
5. ↑ Pahl (2006), S. 2
6. ↑ Vgl. Verbeck, A. (2001), S. 12
7. ↑ Vgl. Wapedia (2009), passim
8. ↑ Vgl. Frei, N. (2002), passim
9. ↑ Vgl. Milgram, P. (1994), S. 283
10. ↑ Vgl. Moritz, E. F. (2008), passim
11. ↑ Vgl. Pahl (2006), passim
12. ↑ Vgl. Klein, B. (2007), S. 10
13. ↑ Vgl. Bertsche, B. et al. (2007), passim
14. ↑ ^{14,0 14,1 14,2 14,3 14,4} Vgl. Tegtmeier, A. (2006), passim
15. ↑ Vgl. Milgram, P. et al. (1999), passim
16. ↑ Vgl. Azuma, R. (1997), S. 2
17. ↑ Milgram, P. et al. (1994), S. 283
18. ↑ Tegtmeier, A. (2006)
19. ↑ ^{19,0 19,1} Vgl. Schilling, T. (2007), passim
20. ↑ Vgl. Schwarzbauer, C. (2008), passim
21. ↑ ^{21,0 21,1 21,2 21,3} Schwarzbauer, C. (2008)
22. ↑ Vgl. Blümchen, K. (2002), passim
23. ↑ Vgl. Techchannel (2009), passim
24. ↑ ^{24,0 24,1} Vgl. Tümler, J. (2009), passim
25. ↑ ^{25,0 25,1 25,2 25,3 25,4 25,5} Vgl. Kranich, M. (2007), passim
26. ↑ Huschka, C. (2003)
27. ↑ Vgl. Huschka, C. (2003), passim
28. ↑ Friedrich, W. (2003)
29. ↑ Vgl. Ganchev, H. (2006), passim
30. ↑ Katzenbach, A. (2008)
31. ↑ Vgl. Katzenbach, A. (2008), passim
32. ↑ Walter, A. (2004)
33. ↑ Vgl. Walter, A. (2004), passim
34. ↑ Kranich, M. (2007), Seite 26
35. ↑ EADS (2009)
36. ↑ Vgl. Schmidt, L. et al. (2005), passim
37. ↑ Vgl. Suthau, T. (2006)
38. ↑ Rolland, J.P. et al. (2001)
39. ↑ Vgl. Rolland, J.P. et al. (2001), passim
40. ↑ ^{40,0 40,1} Vgl. Höhl, W. (2006), passim
41. ↑ Vgl. Suthau, T. (2006), passim
42. ↑ Vgl. Rügge, I. (2002), passim
43. ↑ Vgl. Nölle, S. (2006), passim
44. ↑ Vgl. Ecker, R. (2006), passim
45. ↑ Vgl. Oehme, O. (2004), passim
46. ↑ ^{46,0 46,1 46,2} Vgl. Dähne, P. (2007), passim
47. ↑ Lamb, P. (2007)
48. ↑ Schmalstieg, D. (2009), passim
49. ↑ Vgl. Schmalstieg, D. (2009), passim
50. ↑ Broll, W. et al. (2007)
51. ↑ Vgl. Ohlenburg, J. et al. (2004), passim
52. ↑ Vgl. Broll, W. (2009-2), passim
53. ↑ Broll, W. (2009-1)
54. ↑ Vgl. Broll, W. (2009-1), passim
55. ↑ Vgl. Groß, H. (2004), passim
56. ↑ Webster, A. (1996)
57. ↑ Vgl. Webster, A. et al. (1996), passim
58. ↑ Alt, T. (2006)
59. ↑ Vgl. Friedrich, W. (2003), passim
60. ↑ Broll, W. (2009-3)
61. ↑ Vgl. Broll, W. (2009-3), passim
62. ↑ Näther, I. (2009)
63. ↑ Vgl. EyesOnVision (2009), passim
64. ↑ Vgl. Hainich, R. (2006), passim
65. ↑ Vgl. Gaertling, K. (2009), passim

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