I Inhaltsverzeichnis II

II Abbildungsverzeichnis IV

III Tabellenverzeichnis VI

1 Einleitung 1

1.1 Problemstellung 1

1.2 Zielsetzung der Diplomarbeit 4

1.3 Gang der Diplomarbeit 5

2 Theoretische und praktische Grundlagen der Arbeit 6

2.1 Grundlagen der Virtual Reality 6

2.2 Elemente der Virtual Reality 7

2.3 Der Produktentstehungsprozess 31

2.4 Die Nutzwert-Kosten-Analyse 41

3 Nutzenuntersuchung von Virtual Reality für die Phasen des

Produktentstehungsprozesses 52

3.1 Potenzielle Einsatzgebiete für VR in den verschiedenen Prozessschritten 53

3.2 Nutzwertanalyse für VR im Produktentstehungsprozess

IV

3.2.5 Ergebnisse der Nutzwertanalyse 80

3.2.5.1 VR-Nutzwerte nach den ausgewählten Einsatzgebieten des PEP 80

3.2.5.2 Gesamtnutzwerte der VR-Systemkonfigurationen im

Produktentstehungsprozess 82

3.3 Aufwandsanalyse für VR im Produktentstehungsprozess 84

3.3.1 Bewertung des kostenmäßigen Aufwandes von VR 85

3.3.2 Bewertung des Personalaufwandes von VR 94

3.3.3 Zusammenfassung der Ergebnisse der Aufwandsanalyse 96

3.4 Zusammenführung von Nutzwerten und Aufwänden 97

3.4.1 Aufstellen der Nutzen-Aufwand-Matrix 97

98 3.4.2 Bilden des Nutzen-Aufwand-Quotienten

3.4.3 Bilden des Aufwand-Risiko-Diagramms

3.5 Zusammenfassende Ergebnisinterpretation der Nutzenuntersuchung

4 Fazit und Ausblick 109

V Eidesstattliche Erklärung I

VI Quellenverzeichnis II

VII Anhänge VI

V

II.  Abbildungsverzeichnis  

Abbildung  1: Veränderung der Entwicklungszeit, Quelle: Westkämper  

Abbildung  2: Produktentwicklungszeit früher und heute  

Abbildung  3: VR-Elemente  

Abbildung  4: Eintauchen in die virtuelle Realität.  

Abbildung  5: Räumlicher Tiefeneindruck des virtuellen Modells, Quelle: IC IDO  

Abbildung  6: Querdisparation  

Abbildung  7: Konvergenz.  

Abbildung  8: Polarisiertes Licht  

Abbildung  9: Infitec-Verfahren, Quelle: Eberhardt, Bernhardt  

Abbildung  10: Head-Mounted-Display (HMD), Quelle: RWTH Aachen  

Abbildung  11: Anaglyphen-Brille, Quelle: RWTH Aachen  

Abbildung  12: Autostereoskopische Verfahren, Quelle: Eberhardt, Bernhardt  

Abbildung  13: Tracking-Targets, Quelle: RWTH Aachen  

Abbildung  14: Bewegungsmöglichkeiten im dreidimensionalem Raum  

Abbildung  15: Space-Mouse, Quelle: RWTH Aachen.  

Abbildung  16: VR-Zeigergerät, Quelle: RWTH Aachen.  

Abbildung  17: Data-Glove, Quelle: RWTH Aachen  

Abbildung  18: Data-Glove mit Exoskellett, Quelle: RWTH Aachen  

Abbildung  19: CAVE, 3-seitig, Quelle: ESC Japan  

Abbildung  20: VR-Powerwall, Quelle: TU Dresden  

Abbildung  21: VR-Workbench, Quelle: Loughborough University  

Abbildung  22: Desktop-VR, Quelle: Virtual Simulations Inc.  

Abbildung  23: Phasen des Produktentstehungsprozesses, Quelle: Seiffert, Ulrich  

Abbildung  24: Phasen der Produktplanung, Quelle: Westkämper  

Abbildung  25: Produkt-Auswahlverfahren der operativen Produktplanung, Quelle: Meffert,  

Heribert   

Abbildung  26: Beeinflussbarkeit und Beurteilung der Kosten im Produktenstehungsprozess,  

Quelle  : Westkämper.  

Abbildung  27: Ablauf der Nutzwert-Kosten-Analyse, Quelle: Rinza und Schmitz  

Abbildung  28: Teilnutzwerte als Bestandteil des Gesamtnutzwertes, Quelle: Rinza und Schmitz  

Abbildung  29: Entscheidungsraumdiagramm zur Bestimmung potenzieller Einsatzgebiete für  

VR,  Quelle: Rinza und Schmitz  

Abbildung  30: Zuordnung potenzieller VR-Einsatzgebiete  

Abbildung  31: Zielsystem der Nutzwertanalyse  

Abbildung  32: VR-Systemkonfiguration: Desktop VR(1)  

Abbildung  33: VR-Systemkonfiguration: Desktop VR(2), Quelle: Virtual Simulations Inc.  

Abbildung  34: VR-Systemkonfiguration: Powerwall, Quelle: CAD Lab  

Abbildung  35: Nutzwertergebnisse der VR-Systemkonfigurationen in den VR-Einsatzgebieten  

Abbildung  36: Zusammenfassung der Kostenbewertung der VR-Systemkonfigurationen nach  

Anschaffungskosten   

VI

Abbildung 37: Zusammenfassung der Kostenbewertung der VR-Systemkonfigurationen nach

Anschaffungskosten .................................................................................................................. 91

Abbildung 38: Zusammenfassung der Kostenbewertung der VR-Systemkonfigurationen nach

Anschaffungskosten ...................................................................................................................92

Abbildung 39: Nutzen-Aufwand-Diagramm der VR-Systemkonfigurationen im PEP ................. 99

Abbildung 40: Einstufung der Risikogruppen nach KMU-Profilen ........................................... 101

Abbildung 41: Aufwand-Risiko-Diagramm ............................................................................... 106

Abbildung 42: Aufwand-Risiko-Diagramm der VR-Systemkonfigurationen ............................. 106

VII

II.  Tabellenverzeichnis  

Tabelle 1:  Verfahren zur stereoskopischen Visualisierung, Quelle: aus Hausstädtler, Uwe  11

Tabelle 2:  Wirkprinzipien von Trackingsystemen in VR, Quelle: Hausstädtler, Uwe  17

Tabelle 3:  VR-Softwaresysteme, Quelle: Hausstädtler  22

Tabelle 4:  VR-Systemvarianten, Quelle: Hausstädtler  25

Tabelle 5:  VR-Systemvariante CAVE, Quelle: Hausstädtler  27

Tabelle 6:  VR-Systemvariante Powerwall, Quelle: Hausstädtler  28

Tabelle 7:  VR-Systemvariante Workbench, Quelle: Hausstädtler, Uwe  29

Tabelle 8:  VR-Systemvariante VRML Desktop VR, Quelle: Hausstädtler, Uwe.  30

Tabelle 9:  Wertetabelle zur Bestimmung des Erfüllungsgrades, Quelle: Rinza und Schmitz  46

Tabelle 10:  Bewertung der Alternativen nach Erfüllungsgraden, Quelle: Rinza und Schmitz  46

Tabelle 11:  Berechnung der Nutzwerte, Quelle: Rinza und Schmitz  47

Tabelle 12:  Gegenüberstellung der Nutzwerte und Kosten, Quelle: Rinza und Schmitz  51

Tabelle 13:  Prozessschritt Forschung als potenzielles Einsatzgebiet für VR  56

Tabelle 14:  Prozessschritt Produktplanung als potenzielles Einsatzgebiet für VR  57

Tabelle 15:  Prozessschritt Produktentwicklung als potenzielles Einsatzgebiet für VR  59

Tabelle 16:  Prozess Produkterprobung als potenzielles Einsatzgebiet für VR  60

Tabelle 17:  Zielkriterium 1: Steigerung der Produktqualität  65

Tabelle 18:  Zielkriterium 2 Reduktion der Entwicklungszeit  66

Tabelle 19:  Zielkriterium 3: Bessere Unterstützung des Marketing  67

Tabelle 20:  Zielkriterium 4: Verbesserung des Produktservice  68

Tabelle 21:  Zielkriterium 5: Reduktion der Kosten  69

Tabelle 22:  Zielkriterium 6: Steigerung der Außenwirkung des Unternehmens  70

Tabelle 23:  Absolute Gewichtung der Zielkriterien für jedes VR-Einsatzgebiet  71

Tabelle 24:  Absolute Gewichtung der Teilzielkriterien Z ij  72

Tabelle 25:  Gewichtetes Zielsystem Nr.1 Visualisierungseigenschaften  73

Tabelle 26:  Übersicht aller Knoten- und Stufengewichte des Zielsystems der  

Nutzenuntersuchung  von VR für die Phasen des PEP  74

Tabelle 27:  Beispiel Wertetabelle 2.1.1 Räumlicher Tiefeneindruck  75

Tabelle 28:  VR-Systemkonfiguration 1 Desktop VR(1)  77

Tabelle 29:  VR-Systemkonfiguration 2 Desktop VR(2)  78

Tabelle 30:  VR-Systemkonfiguration 3 Powerwall  80

Tabelle 31:  Absolute Gewichtung und Erfüllungsgrade  81

Tabelle 32:  Nutzwert-Rangfolge der VR-Systemkonfigurationen in den VR-Einsatzgebieten  83

Tabelle 33:  Gewichtung der VR-Einsatzgebiete  84

Tabelle 34:  Gesamtnutzwerte der VR-Systemkonfigurationen im PEP  84

Tabelle 35:  Rangfolge der VR-Systemkonfigurationen nach Nutzwerten im PEP  84

Tabelle 36:  Kostenbewertung VR-Systemalternative 1  87

Tabelle 37:  Kostenbewertung VR-Systemalternative 2  88

Tabelle 38:  Kostenbewertung VR-Systemalternative 3  89

Tabelle 39:  Rangfolge der VR-Systemkonfigurationen nach Kostenkategorien im PEP  93

Tabelle 40:  Aufwandskategorisierung der VR-Systemkonfigurationen nach Kosten  94

VIII

Tabelle 41:  Rangfolge der VR-Systemkonfigurationen nach Kostenaufwänden  94

Tabelle 42:  Aufwandskategorisierung der VR-Systemkonfigurationen nach Personal  96

Tabelle 43:  Rangfolge der VR-Systemkonfigurationen nach Personalaufwänden  96

Tabelle 46:  Gesamt- und Mittlerer Gesamtaufwand der VR-Systemkonfigurationen  97

Tabelle 47:  Nutzen-Aufwand-Matrix der VR-Systemkonfigurationen  98

Tabelle 48:  Rangfolge der Nutzen-Aufwand-Quotienten der VR-Systemkonfigurationen  100

Tabelle 49:  KMU-Profil 1 Risikogruppe 1: geringes Risiko  102

Tabelle 50:  KMU-Profil 2 Risikogruppe 2: mittleres Risiko  103

Tabelle 51:  KMU-Profil 3 Risikogruppe 3: hohes Risiko  104

Tabelle 52:  Aufwand-Risiko-Matrix nach KMU-Profilen  105

Die produzierenden Unternehmen sind heute bei der Entwicklung ihrer Produkte einem

der Komplexitätsgrad der Produkte stetig erhöht (siehe Abbildung 1). Um im Wettbewerb auf den Märkten bestehen zu können, sind die Unternehmen gezwungen, Produktinnovationen bei gleichbleibend hoher Qualität immer schneller und kostengünstiger zu

entwickeln. 1

Die langwierige sequenzielle und kostenintensive Entwicklung einer Vielzahl von physischen Produktprototypen bis zur Serienreife des Produkts bietet hierbei ein großes Optimierungspotenzial. Mithilfe neuer Entwicklungsmethoden wird das Ziel angestrebt, dass bereits der erste entwickelte Prototyp sofort die geplanten Produktanforderungen

erfüllt, um so möglichst schnell die Serienreife zur Markteinführung zu erreichen. 2

In diesem Zusammenhang hat sich die virtuelle Produktentwicklung als Werkzeug zur Unterstützung des Produktentstehungsprozesses etabliert. Der Begriff virtuelle Produktentwicklung meint dabei die digitalisierte Entwicklung von Design- oder Konzeptproto-

¹ Vgl.Seiffert 2008, S.6

² Vgl. Seiffert 2008, S.6-9

2

typen des neuen Produktes am Computer unter Verwendung von entsprechenden Infor-

mationstechnologien (IT) als Werkzeug. 3

Ein wesentlicher Bestandteil der IT-Werkzeuge sind CAD-Systeme (Computer Aided Design). CAD-Systeme ermöglichen die Entwicklung von zwei- bzw. dreidimensiona-len Produktmodellen vollständig am Computer. ⁴ Sogenannte Digital Master enthalten dabei alle wesentlichen Informationen über das zukünftige Produkt, vom Produktdesign, über die Produktfunktionen, bis hin zu den physikalischen Eigenschaften des Produktes. Damit dient das Mastermodell nicht nur der reinen Geometriemodellierung, sondern auch als Grundlage der technischen Absicherung der Entwicklungsergebnisse. Anhand des Digital Master werden physikalische Eigenschaften des realen Produkts, wie beispielsweise die Festigkeit, vorausberechnet und simuliert. Berechnungswerkzeuge dazu sind die Finite-Elemente-Methode (FEM), die Mehrkörpersimulation (MKS), oder die Simulation von Strömungsvorgängen (CFD). Mithilfe dieser Werkzeuge lassen sich beliebige technische Modelle, zuverlässig und schnell, den im realen Nutzen entstehen-

den Anforderungen gerecht, simulieren und optimieren. ⁵ Demnach werden durch die Verwendung virtueller Prototypen zur virtuellen Produkterprobung, physische Produkterprobungen vielfach eingespart. So sind im Idealfall nur noch wenige physische Proto-typen notwendig, um die Ergebnisse der virtuellen Produkterprobung zu validieren. 6

Durch die Einsparung von physischen Prototypen, ist es möglich, zeitlich nachgelagerte Entwicklungsschritte zu parallelisieren. Wurden zuvor Produktkomponenten in physischen Prototypen erst gegen Ende des Entwicklungsprozesses aufeinander abgestimmt, ist dies heute schon relativ am Anfang möglich. Durch die Vernetzung der Softwaresysteme und der Austauschbarkeit der Datenformate stehen virtuelle Produktmodelle, sogenannte Digital Mock Up (DMU), interdisziplinär allen anderen Ingenieurbereichen der Produktentwicklung als zentrales Arbeitsmedium zur Verfügung, was eine Verkür-zung des Produktentwicklungsprozesses bewirkt (siehe Abbildung 2). 7

³ Vgl. Seiffert 2008, S.8-9

⁴ Vgl. Vajna 2009, S. 161-162

⁵ Vgl. Vajna 2009, S. 159

⁶ Vgl. Seiffert 2008, S.27-28

⁷ Vgl. Sendler 2009, S. 11-12

Ein neueres Werkzeug zur Unterstützung der virtuellen Produktentwicklung ist die virtuelle Realität (VR). Die VR beschreibt eine vom Computer simulierte künstliche Wirklichkeit, in der unter anderem virtuelle Produktmodelle und das Produktumfeld visuali-

siert werden. ⁸ Die VR kommt ganz besonders dann zum Tragen, wenn komplexe Sachverhalte und Zusammenhänge des Produktmodells durch eine Visualisierung des Modells begreifbar und erlebbar gemacht werden sollen. Die VR bewirkt dabei eine Verbesserung des Vorstellungsvermögens von komplizierten und unübersichtlichen Zusammenhängen des Produktes. Der Anwender hat dabei das Gefühl, sich tatsächlich in

der virtuellen Produktumgebung zu befinden. 9

Verantwortlich für das Eintauchen in die virtuelle Realität ist der Effekt der Immersion, der durch die Beeinflussung optischer, akustischer, haptischer und olfaktorischer Sinnesreize erzeugt wird. Wichtigster Aspekt der immersiven Darstellung virtueller Produktmodelle ist der räumliche Tiefeneindruck des gesehenen Objekts, sowie die Möglichkeit mit der virtuellen Umgebung zu interagieren oder diese manipulieren zu kön-

nen. 10

Das Nutzenpotenzial dieser Technologie ist im Produktentstehungsprozess durch verschiedene Forschungsprojekte und durch den großflächigen Einsatz in der Automobilin-

⁸ Vgl.Brill 2009, S.6

⁹ Vgl. Brill 2009, S.6

¹⁰ Vgl. Brill 2009, S.6-7

4

dustrie oder der Luft- und Raumfahrt erkannt und nachgewiesen worden. Jedoch ist eine breite Marktdiffusion gerade bei den kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) noch

nicht zu erkennen. 11

Barrieren bei der Einführung von VR sind zum einen die hohen Anschaffungskosten und das damit verbundene Risiko für die Unternehmen. Zum anderen steht einer Anschaffung der VR-Technologie die konservative Haltung vieler KMU's entgegen. So sind viele dieser Unternehmen der Meinung, dass klassische Formen der Entwicklung und Vermarktung ihrer Produkte einer Anwendung von VR entgegen stehen. In ihren Augen ist für sie kein klarer Wettbewerbsvorteil durch den Einsatz von VR erkennbar. Dies ist dadurch begründet, dass das Wissen um den Nutzen der Anwendung von VR größtenteils nicht gegeben ist. Demnach fehlt ein konkreter Beleg, der für , wo die VR im Produktentstehungsprozess tatsächlich einen realen Nutzen bringt. 12

1.2 Zielsetzung der Diplomarbeit

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Übersicht zu erstellen, die aufzeigt, wo VR einen Zusatznutzen pro Prozessschritt innerhalb der Produktentstehung für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) erbringt. Für die Zielerreichung ist es notwendig:

1. den Stand der derzeitigen der Technik bezüglich der Hard- und Software von VR zu dokumentieren;

2. die einzelnen Prozessschritte der Produktentstehung zu definieren;

3. die potenziellen Einsatzgebiete der VR in der Produktentstehung herauszuarbeiten;

4. den Nutzen von VR in den Einsatzgebieten zu ermitteln

¹¹ Vgl. Becker 2002, S.72

¹² Vgl. Becker 2002, S.76

In Kapitel 1 wird die Problemstellung dieser Arbeit herausgearbeitet, indem die Trends innerhalb der Produktentwicklung in Bezug auf die heutige Marktsituation der Unternehmen erfasst wurden. Daraus werden schließlich die Ziele zur Problemlösung definiert und in diesem Abschnitt wird beschrieben, wie diese Ziele erreicht werden.

In Kapitel 2 werden die praktischen und theoretischen Grundlagen dieser Arbeit beschrieben. Dabei geht es zum Einen um den grundlegenden Aufbau und das Funktionieren der Hard- und Software Elemente von VR und deren Anwendungsmöglichkeiten. Zum Anderen werden die Phasen des Produktenstehungsprozesses als potenzielles Einsatzgebiet für VR erläutert. Abschließend werden die Methoden vorgestellt und erklärt, nach denen der Nutzen von VR für die Phasen des Produktentstehungsprozesses ermittelt werden.

In Kapitel 3 wird die Nutzenuntersuchung von VR in den Phasen des Produktentstehungsprozesses durchgeführt. Hierzu werden anhand bestimmter Einsatzkriterien potenzielle Einsatzgebiete für VR ermittelt und ausgewählt. Für diese Einsatzgebiete wird mithilfe einer Nutzwert-Aufwand-Analyse, der Nutzen von unterschiedlichen VR-Systemen ermittelt und den Kosten und Aufwänden des jeweiligen VR-Systems gegenübergestellt. So wird erarbeitet, welches VR-System in den Phasen des Produktentstehungsprozesses, in Bezug auf dessen Nutzen und dem damit verbundenen Aufwand, das vorteilhafteste VR-System ist. Abschließend wird anhand einer Aufwand-Risiko-Bewertung erarbeitet, wie hoch das finanzielle Risiko, durch eine VR-Investition, für bestimmte Unternehmenstypen ist. Dadurch wird gezeigt, welches VR-System für welchen Unternehmenstyp am ehesten geeignet ist.

Kapitel 4 gibt in einem Fazit abschließend einen Ausblick über die Möglichkeiten einer VR-Anwendung im Produktentstehungsprozess.

6

2. Theoretische und praktische Grundlagen der Arbeit

2.1 Grundlagen der Virtual Reality

Der Begriff der virtuellen Realität wird im Brockhaus folgendermaßen definiert:

Virtuelle Realitätee- 13

ding 15

Abbildung 3: VR-Elemente

Eine VR-Anlage setzt sich nach Abbildung 3 aus folgenden Komponenten zusammen:

Ausgabegerät zur Visualisierung von am Computer generierten 3D-Modellen. In den meisten Fällen sind die Ausgabegeräte in der Lage, die 3D-Modelle mit dem Eindruck von räumlicher Tiefe abzubilden. Zusätzlich glaubt der Anwender durch eine entsprechende Displaygröße des Ausgabegeräts und einer hohen Grafikqualität, sich in der visualisierten 3D-Umgebung zu befinden. Dieser Effekt wird Immersion genannt.

Hardware zur Positionsverfolgung. Durch die Verwendung sogenannter Trackingsysteme werden beispielsweise die Position der Hand des Anwenders und sein Kop-Software, wo sich der An- ¹³ Vgl.Der Brockhaus 2003, S. 957

¹⁴ Vgl. Wikipedia 2010, Realität

¹⁵ Vgl. Der Brockhaus 2003, S. 726

Intuitive Eingabegeräte zur Interaktion und Manipulation der 3D-Modelle und der 3D-Umwelt.

Softwaresysteme zur Berechnung der Bildwiedergabe und Modellinformationen, sowie als Ein- und Ausgabeschnittstelle zwischen Bediener und VR-Hardware.

Die Ausführungsformen der VR-Systeme unterscheiden sich nach der Art und der Qualität der Visualisierung, sowie dem Anwendungsgebiet, für das sie eingesetzt werden sollen. Die Elemente der VR-Systeme werden in den folgenden Abschnitten näher erläutert.

VR-Bildausgabegeräte sind ein wesentlicher Bestandteil von VR-Systemen, da sie für die Visualisierung von am Computer generierten Geometriemodellen zuständig sind. Die Besonderheit von VR-Bildausgabegeräten ist, dass sie in der Lage sind, bei der Visualisierung einen räumlichen Tiefeneindruck bei der Wahrnehmung der Abbildung zu erzeugen. Die Wahrnehmung des räumlichen Tiefeneindrucks beeinflusst wiederum sehr stark den Immersionsgrad in VR.

Mit Immersion ist der Effekt gemeint, welcher dem Betrachter das Gefühl gibt, in die und sich wahrhaftig in ihr zu befinden. Wie stark

der Effekt der Immersion ist, bzw. wie sehr der Betrachter , dass er in die virtuelle Umgebung eingetaucht ist, hängt stark vom Grad der Übereinstimmung zwischen

virtueller und realer Umgebung ab. ¹⁶ Das bedeutet in Bezug auf die VR-Bildausgabegeräte, dass je stärker der Betrachter das visualisierte virtuelle Modell für real hält, desto stärker hat er das Gefühl in die virtuelle Umgebung eingetaucht zu sein. (siehe Abbildung 4)

¹⁶ Vgl. Brill 2009, S.6

8

Abbildung 4: Eintauchen in die virtuelle Realität, Quelle: TU Aachen

Visualisierungen auf herkömmlichen Ausgabegeräten, wie beispielsweise auf PC-Monitoren, sind zwar ebenfalls in der Lage, bei entsprechender Rechenleistung der Hard- und Softwareelemente, gewisse Aspekte einer räumlichen Wahrnehmung der Abbildung zu erzeugen. Diese sind beispielsweise eine exakte perspektivische Darstellung dreidimensionaler Körper, eine korrekt abgebildete gegenseitige Verdeckung von mehreren Körpern oder Geometrieebenen sowie eine möglichst reale Darstellung von Beleuchtung und Schatten. Jedoch wird bei einer herkömmlichen Visualisierung immer

nur ein einziges ebenes Bild in der Wahrnehmung erzeugt. 17

Um in der Wahrnehmung ein dreidimensionales, räumliches Abbild des virtuellen Modells zu erzeugen (siehe Abbildung 5), verwenden VR-Ausgabegeräte das Verfahren der sogenannten Stereoskopie. Der Begriff der Stereoskopie, oder des

beim Betrachten mit entsprechenden Hilfsmitteln einen Raum Stereo bedeutet dabei körperlich oder räumlich, ein Stereobild ist demnach ein Bild,

. ¹⁸ Dieses Verfahren

liefert für das rechte und das linke Auge des Betrachters je einen Bildausschnitt des Gesamtbildes eines Objektes. Das menschliche Gehirn setzt diese Bilder wieder

zusammen und interpretiert diesen visuellen Sinnesreiz als räumliche Tiefe. ¹⁹ Im

¹⁷ Vgl. Schmitz 2007, S.86

¹⁸ Vgl. Der Brockhaus 2003, S. 859

¹⁹ Vgl. Schmitz 2007, S.86

folgenden Exkurs in Abschnitt 2.2.1.1 werden zum besseren Verständnis diese Vorgänge näher erläutert.

Einflussmöglichkeiten auf die Sinne des Menschen bestehen durch die Verwendung von

visuellen, akustischen, haptischen und olfaktorischen Signalen. ²⁰ Das menschliche Auge ist mit etwa 70 Prozent an der Wahrnehmung der Umgebung für den Menschen verant-wortlich. Die Fähigkeit des Menschen, über visuelle Hinweisreize einen räumlichen Tiefeneindruck des Gesehenen wahrzunehmen, ist demnach, wie in Abschnitt 2.2.1 bereits erwähnt, ein bedeutender Einflussfaktor für den Effekt der Immersion von VR-

Systemen. 21

Die Hinweisreize für die Wahrnehmung des räumlichen Tiefeneindrucks bestehen aus okulumotorischen und visuellen Hinweisreizen. Die wichtigsten Aspekte beider Kategorien werden in diesem Abschnitt zum besseren Verständnis beschrieben.

²⁰ Vgl. Schmitz 2007, S.84

²¹ Vgl. Brill 2009, S.6-7

10

Den größten Einfluss auf die Tiefenwahrnehmung der Umgebung, hat der Vorgang der

Der Eindruck der räumlichen Tiefe wird durch den Vorgang der Konvergenz weiter verstärkt. Ist ein Objekt dem Betrachter nahe, so bewegen sich die Sichtachsen der Augen aufgrund des horizontalen Abstandes aufeinander zu (Konvergenz) und die Augenmus-

kulatur erzeugt eine gewisse Spannung. ²³ Ist ein Objekt weiter vom Betrachter entfernt, so liegen die Sichtachsen nahezu parallel zueinander und die Muskulatur entspannt sich (Divergenz). Das Gehirn interpretiert die Spannung der Muskulatur als Nähe und eine

Entspannung als Ferne (siehe Abbildung 7). 24

²² Vgl. Campenhausen 1993

²³ Vgl. Campenhausen 1993

²⁴ Vgl. Campenhausen 1993

Ein weiterer wichtiger Hinweisreiz für die Wahrnehmung räumlicher Tiefe, ist die gegenseitige Verdeckung von Objekten, welche der Gruppe der Bildhaften Hinweisreize angehört. Das verdeckende Objekt wird dabei immer als das näher liegende interpretiert als das verdeckte Objekt. Weitere Einflüsse sind die geometrische Perspektive und Dar-

stellungsgröße, sowie das Zusammenspiel von Licht und Schatten. 25

Tabelle 1 zeigt die Verfahren zur stereoskopischen Visualisierung, welche nachfolgend ausführlich erklärt werden:

Tabelle 1: Verfahren zur stereoskopischen Visualisierung, Quelle: aus Hausstädtler, Uwe

²⁵ Vgl. Campenhausen 1993, S.

12

Passiv-Stereobildverfahren

Polarisationsverfahren

Der Begriff Polarisation bedeutet, dass Licht - unter der Annahme, dass es eine elektromagnetische Welle ist, die sich senkrecht zu ihrer Fortpflanzungsachse bewegt, durch eine Spiegelung unter einem bestimmten Einfallswinkel oder einer Doppelbrechung in Kristallen (Polarisator) nur in einer bestimmten Ebene zur Fortpflanzungsachse vorkommt. Trifft das polarisierte Licht auf einen zweiten Spiegel oder Kristall (Analysa-tor), wird es bei gleicher Polarisation hindurch gelassen oder bei abweichender Polarisa-

tion ausgelöscht (siehe Abbildung 8). 26

Das Polarisationsverfahren ist ein mehrkanaliges passives Stereobildverfahren. Das bedeutet, dass das Polarisationsverfahren für jedes Stereohalbbild einen Projektor benötigt. Je für das rechte und das linke Auge. Die Projektoren sind mit Polarisatoren unterschiedlicher Polarisation versehen. Der Betrachter muss zur Stereobildtrennung eine sogenannte Polarisationsbrille tragen, deren Brillengläser entsprechend dem linken oder rechten Bildausschnitt polarisiert sind. So lässt das linke Brillenglas nur das Bild für das linke Auge durch und umgekehrt. Man unterscheidet zwischen linearer und zirkularer Polarisation. Bei linearer Polarisation sind die Polarisationsebenen in einem Winkel von 90° zur Bildachse verdreht. Bei einer Kopfdrehung gelingt die Bildtrennung nicht mehr. Bei zirkularer Polarisation drehen sich Polarisator und Analysator zueinander, was die

Bildtrennung auch bei einer Kopfdrehung aufrechterhält. 27

²⁶ Vgl. Der Brockhaus, S.695

²⁷ Vgl. Schmitz 2007, S.88

Ein Nachteil des Polarisationsverfahrens ist das sogenannte Kanalübersprechen. Kanalübersprechung tritt durch toleranzbedingte Ungenauigkeiten bei der Herstellung der Polarisationsfilter auf und führt dazu, dass sich die beiden Bildkanäle überlagern. Das bedeutet, dass ein geringer Anteil der Bildinformation für das rechte Auge zum linken

Auge gelangt und umgekehrt. 28

Infitec-Verfahren

Das Infitec-Verfahren, auch Wellenlängen-Multiplex-Verfahren genannt, gehört ebenfalls zu den passiven Stereobild-Verfahren. Der Aufbau dieses Verfahrens entspricht dem des Polarisationsverfahrens, mit dem Unterschied, dass statt der Polarisationsfilter, Interferenzfilter zur Bildtrennung verwendet werden. Das Verfahren beruht auf dem Prinzip, dass der Farbeindruck bei farbigen Anzeigeräten durch die Kombination von den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) erzeugt wird. Werden die Wellenlängen der Grundfarben durch Interferenzfilter verschoben, so kann durch eine veränderte Kombination der Grundfarben trotzdem derselbe Farbeindruck erreicht werden (siehe

Abbildung 9). 29

Filterbrillengläser. Der linke Filter lässt nur das linke Bild mit dem entsprechenden Wel-lenlängenspektrum durch und umgekehrt. 30

²⁸ Vgl. Hausstädtler 2010, S.38

²⁹ Vgl. Schmitz 2007, S.88-89

³⁰ Vgl. Schmitz 2007, S.88-89

14

Aktiv-Stereobildverfahren

Zeit-Multiplex-Verfahren

Zeit-Multiplex-Verfahren Das gehört zu den sogenannten Aktiv-Stereoprojektionsverfahren. ³¹ Bei der Anwendung dieses Verfahrens werden dem Betrachter auf dem verwendeten Bildschirm oder Projektor die Stereobilder abwechselnd in hoher Frequenz für das linke und das rechte Auge gezeigt. Eine sogenannte Shutter-Brille (aktives Element) dunkelt synchronisiert durch einen Infrarot-Emitter, jeweils eines der beiden Brillengläser durch Flüssigkristalle in den Brillengläsern ab. Die Pro-jektoren oder Monitore arbeiten dabei mit einer Bildwiederholrate zwischen 100 bis

120Hz. ³² Aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges nimmt der Betrachter die Bildausschnitte gleichzeitig, jedoch mit dem Eindruck eines leichten Flimmerns wahr. Bei der Verwendung von Bildausgabegeräten mit einer Bildwiederholfrequenz unter

100Hz, kann die Anwendung ein Betrachter schnell zu starken Kopfschmerzen führen. ³³ Nachteilig ist zudem eine relativ geringe Nutzungsdauer der Shutter-Brille, von etwa

einer halben Stunde. 34

Sonstige Stereobildverfahren

HMD-Verfahren (Head-Mounted Display)

Beim HMD-Verfahren werden vor das rechte und das linke Auge zwei kleine Bildschirme platziert, die das jeweilige Halbbild des abzubildenden Objektes zeigen. Um ein störendes Umgebungslicht fernzuhalten, sind die Bildschirme in einer Art Helm untergebracht (siehe Abbildung 10). Durch die Kopplung von Audiosystemen über Kopfhörer im Helm und einer Positionsverfolgung, wird der Immersionsgrad weiter gesteigert, wodurch der Benutzer jedoch völlig von der Umgebung abgeschottet ist. HMD-s waren eines der ersten Geräte zur stereoskopischen Visualisierung von virtuellen Realitäten. Große Nachteile dieses Verfahrens zur stereoskopischen Bilderzeugung sind, dass die Helme mitunter sehr schwer und unhandlich sind, und dass die relativ rasche Ermüdung der Augen zu einer kurzen Nutzungszeit der Anwendung führt. Eine

³¹ Vgl. Hausstädtler 2010, S.39

³² Vgl. Brill 2009, S. 22

³³ Vgl. Jansen 2009, S.1-2

³⁴ Vgl. Hausstädtler 2010, S.39

gleichzeitige Betrachtung der virtuellen Umgebung durch mehrere Benutzer ist zudem

nicht möglich. 35

Anaglyphen-Verfahren

Die Stereobilder werden bei dem sogenannten Anaglyphen-Verfahren nicht nebeneinander dargestellt, sondern überlagert. Dabei werden die Stereohalbbilder mit komplemen-

dass die Farbfilter für das rechte und linke Auge, mit einer sogenannten Anaglyphen-Brille (siehe Abbildung 11), beispielsweise nur die grünen oder die roten Bilder durchlassen. Vorteile dieses Verfahrens sind seine Einfachheit und günstige Herstellungskosten der Anaglyphen-Brille und dass für dieses Verfahren keine speziellen Monitore oder Projektoren benötigt werden. Nachteile sind der Verlust der Farbe in der Wahrnehmung und dass bestimmte farbige Gegenstände nur für ein Auge abgebildet werden. Dadurch

kommt das Anaglyphen-Verfahren für einen industriellen Einsatz nicht in Frage. 37

³⁵ Vgl. Brill 2009, S. 24

³⁶ Vgl. Brill 2009, S.21

³⁷ Vgl. Brill 2009, S.21

16

Autostereoskopische Verfahren

Das autostereoskopische Verfahren ist speziell für Bildgrößen handelsüblicher Desk-topmonitore entwickelt worden und benötigt zur stereoskopischen Visualisierung keinerlei Hilfsmittel wie Filterbrillen. Für verschiedene Blickrichtungen und Blickwinkel werden mehrere Ansichten eines Objekts gleichzeitig dargestellt. Die Augen des Betrachters erhalten für jede beliebige Position zum Bildschirm den zugehörigen Bildausschnitt. Dies wird erreicht, indem jeder Bildpixel in mehrere Subpixel unterteilt wird.

Durch geeignete Linsenraster wird sichergestellt, dass für eine bestimmte Sichtrichtung auch nur ein bestimmter Pixel für das entsprechende Auge sichtbar ist (siehe Abbildung

12). 38

Nachteilig ist bei diesem noch nicht voll ausgereiften Verfahren, dass, um eine annähernde Bildqualität wie bei den zuvor beschriebenen Verfahren zu erreichen, eine Unterteilung des Pixels in bis zu 100 Subpixel nötig ist. Die erforderliche Subpixelgröße ist zum jetzigen Zeitpunkt jedoch technisch noch nicht umsetzbar. Außerdem steht die zur Datenübertragung der Bildinformation notwendige Bandbreite noch nicht zur Verfügung. Derzeitige Displays arbeiten daher mit einer Unterteilung von bis zu 7 Subpi-

xeln. ³⁹ Das Verfahren ist weder für Großprojektionen noch für mehrere Betrachter geeignet. 40

³⁸ Vgl. Eberhardt 2007, S.90

³⁹ Vgl. Eberhardt 2007, S.90

⁴⁰ Vgl. Hausstädtler 2010, S.40

Ins deutsche übersetzt, bedeutet der Begriff des Trackings ⁴¹ Der Zweck des Trackings ist die Lagebestimmung und Positionsverfolgung von Punkten im dreidimensionalen Raum. Für immersive VR-Anwendungen wird das Tracking dazu benutzt, die Kopf- und Handposition des Bedieners zu erfassen. Aus der ermittelten Kopfposition des Bedieners wird der projektionsgerechte Bildblickpunkt berechnet. Indem sich die Abbildung des Modells dem Blickwinkel des Betrachters anpasst, erhöht sich für den Betrachter die Übereinstimmung zwischen realer und virtueller Umgebung, was wiederum eine Steigerung des Immersionsgrads in VR bewirkt. Weiterhin ermittelt die VR-Software aus der Handposition des Anwenders, die Position des virtuellen Zeigers in der VR-Anwendung, welcher wie die PC-Maus für den Desktop PC als Bedienungselement der Softwarefunktionen dient. 42

Tabelle 2 zeigt die Trackingsysteme nach ihren unterschiedlichen Wirkprinzipien:

Tabelle 2: Wirkprinzipien von Trackingsystemen in VR, Quelle: Hausstädtler, Uwe

Optisches Tracking

zwischen einer Hand als Zeigegerät oder dem Kopf zu unterscheiden. Aus den aufge-

⁴¹ LEODeutsch-Englisches Wörterbuch 2010

⁴² Vgl. Hausstädtler 2010, S.48

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zeichneten Kamerabildern erfolgt die Positionsberechnung durch die Trackingsoftware. Diese gibt die Informationen schließlich in Echtzeit an die VR-Software weiter. Das optische Tracking ist sehr weit verbreitet und zeichnet sich durch eine sehr genaue Positionsbestimmung und einfache Nutzbarkeit aus. Nachteilig wirken sich der relativ hohe Preis gegenüber anderen Trackingsystemen, sowie eine gewisse Störanfälligkeit durch

UV-Licht aus. 43

Elektromagnetisches Tracking

Beim elektromagnetischen Tracking strahlt ein Sender an den zu trackenden Objekten ein Magnetfeld niederer Frequenz aus, welches von Empfängern an festen Positionen im Raum empfangen wird. Die Positionsberechnung und Orientierung des zu trackenden Objekts erfolgt über die Bestimmung des relativen Abstandes zwischen Sender und Empfänger. Dieses Trackingsystem zeichnet sich durch einen vergleichsweise niedrigen Preis und eine geringe Verzögerungszeit bei der Positionsbestimmung aus. Allerdings ist dieses System sehr störanfällig, sobald sich elektronische Geräte und diverse metalli-

sche Bauteile im Trackingbereich befinden. 44

Akustisches Tracking

Beim akustischen Tracking senden, ähnlich dem elektromagnetischen Tracking, Ultraschallsender am zu trackenden Objekt Ultraschallsignale an fest im Raum positionierte Empfänger aus. Entsprechend dem Echolotprinzip erfolgt die Positions- und Orientierungsbestimmung mit Hilfe der Laufzeitunterschiede der Ultraschallsignale. Vorteil die-

ses Verfahrens ist eine schnelle Positionsermittlung. 45

Dem gegenüber steht allerdings die relative Ungenauigkeit bei der Positionsbestimmung gegenüber den anderen Systemen. Weiterhin zählen eine geringe Reichweite, sowie eine gewisse Störanfälligkeit durch Fremdgeräusche zu den Nachteilen dieses Verfahrens. Das Ultraschall Tracking ist in Reinform selten anzutreffen und kommt hauptsächlich in

Kombination mit anderen Verfahren zum Einsatz. 46

Inertial Tracking

Beim Inertial Tracking erfolgt die Orientierungs- und Lagebestimmung durch die Verwendung von Gyroskopen und Beschleunigungsmessungen am zu trackenden Gerät. Es

⁴³ Vgl. Hausstädtler 2010, S.49

⁴⁴ Vgl. Hausstädtler 2010, S.50

⁴⁵ Vgl. Hausstädtler 2010, S.51

⁴⁶ Vgl. Hausstädtler 2010, S.51