Web-basierte Anwendungen Virtueller Techniken

Ziel des BMBF-geförderten Verbundprojektes ARVIDA war die anwendungs- und nutzerorientierte Forschung, Entwicklung und Evaluation von zukunftsorientierten Technologien im Kontext der Virtuellen Techniken in Verbindung mit neuen und modernen Ansätzen des Semantic Web, mit dessen Hilfe Virtuelle Techniken über Dienste verbunden werden können, um zukünftig ein großes Maß an Interoperabilität unter Berücksichtigung von Echtzeitanforderungen sicherzustellen.

Virtuelle Techniken (VT) haben schon seit vielen Jahren in der Industrie in vielfältiger Weise Eingang gefunden. Ebenso gibt es durchaus umfangreiche, interoperable Anwendungen in anderen Fachdomänen, die auf etablierten, standardisierten Web-Technologien beruhen. Daher liegt es nahe, die unbestreitbaren Vorteile von semantischen Web-Technologien für den Aufbau interoperabler VT-Anwendungen zu nutzen. In diesem Kapitel werden daher grundlegende Elemente und der aktuelle Entwicklungsstand virtueller Techniken sowie auch die Grundkonzepte semantischer Web-Technologien beschrieben. Im Überblick wird deutlich, dass zahlreiche Einzelkomponenten für komplexere VT-Anwendungen zusammenarbeiten müssen und dass neben der Interoperabilität die erreichte Gesamtperformanz einer Anwendung eine essentielle Anforderung für die ARVIDA-Referenzarchitektur ist. Die gewünschte Kapselung der hier beschriebenen Einzelelemente in Web-Dienste ist bisher noch im Forschungsstadium. Eine detaillierte Beschreibung, wie semantische Web-Technologien aus dem ARVIDA-Projekt heraus für VT-Anwendungen angewendet werden, ist in den Folgekapiteln zu finden.

Die ARVIDA-Referenzarchitektur ist ein zentrales Element und Ergebnis des ARVIDA-Projektes. Sie ermöglicht es, mit etablierten Technologien und Konzepten aus dem Web-Umfeld heterogene VT-Systemlandschaften in integrierten, sehr weitgehend plattformunabhängigen VT-Anwendungen effizient zu nutzen. Die Referenzarchitektur nutzt und adaptiert das Prinzip der RESTful-Web-Services sowie die darauf aufbauenden Linked-Data Konzepte, um interoperable, leicht erweiterbare und modulare VT-Anwendungen zu bauen. Die nachfolgenden Abschnitte beschreiben die Grundprinzipien und spezifischen Erweiterungen im Detail.

Dieses Kapitel beschreibt Technologien im Kontext von ARVIDA, die über die allgemeine Beschreibung von Technologien aus Kap. 2 hinausgehen. Eine der Hürden für den produktiven Einsatz von VT ist der Mangel an robusten, markerlosen Trackingsystemen. Hier wurden im Rahmen des Projektes essentielle Fortschritte gemacht. Auch bei der Gestenerkennung konnten im Rahmen der Interaktion in einer Sitzkiste wesentliche Verbesserungen erzielt werden. Die Vermessung von Geodaten ist eine Grundvoraussetzung für Anwendungen im Digitalen Fahrzeugerlebnis. Hier wurden ebenfalls deutliche Fortschritte erzielt. Schließlich ist zu erwähnen, dass die vorgestellten Technologien als Dienste der Referenzarchitektur bereitgestellt werden, um den Austausch von Technologien einfach zu gestalten.

Motion Capture Technologien werden in vielen unterschiedlichen Bereichen eingesetzt, wie zum Beispiel der Filmindustrie, der Sportrehabilitation, der Spieleentwicklung oder im industriellen Umfeld. Die Technologie ermöglicht es, Bewegungen aufzuzeichnen und diese auf eine digitale Repräsentanz (Avatar) eines Menschen (Digital Human Model) zu applizieren. Über ein generisches Menschmodell bzw. mit Hilfe der im Projekt ARVIDA entwickelten Referenzarchitektur ist eine universelle Anwendung möglich und verschiedene Expertensysteme lassen sich derart nutzen, dass ein ganzheitlicher Prozess durchgeführt werden kann. Für Ergonomie-Untersuchungen im Nutzfahrzeug können allgemein gültige digitale Bewegungsbausteine entwickelt werden, die sich nachträglich an neue, ähnliche Szenarien anpassen lassen. In der Produktionsabsicherung wird bereits in den frühen Phasen ein höherer Reifegrad ermöglicht, indem Motion Capturing für die Echtzeitsimulation von manuellen Arbeitsvorgängen in virtuellen Umgebungen eingesetzt wird.

Das Ziel des Anwendungsszenarios ist eine präzise Digitalisierung und die Erforschung effizienter Verfahren zur Integration dieser Umgebungsdaten in Mixed Reality Anwendungen. Einsatzgebiete für die Erfassung großer Messvolumina liegen im Bereich der Fabrik-, Produktions- und Montageplanung, bei denen ein realistisches digitales Abbild der vorhandenen Arbeitsumgebung eine wichtige zusätzliche Informationsquelle darstellt. Für kleine Messvolumina liegen die Einsatzbereiche in der Produktabsicherung entlang des gesamten Produktlebenszyklus. Das Anwendungsszenario „Soll/Ist-Vergleich“ zeigt das Potential der Referenzarchitektur, weil hier zahlreiche existierende Technologien und ARVIDA-Entwicklungsergebnisse unterschiedlicher Partner über die Referenzarchitektur integriert wurden. Das Teilprojekt betrachtet zum einen die Umfelderkennung und Umfelderfassung in kleinen und großen Messvolumina, zum anderen wurden projektionsbasierte AR-Lösungen realisiert, durch die Verfahren für den Soll/Ist-Abgleich realisiert werden konnten.

Es werden Szenarien beschrieben, die sich mit Aufgabenstellungen der Mitarbeiterführung und der Mitarbeiter-Assistenz in der Industrie befassen. Im Anwendungsszenario „MR-Engineering“ wurden Systemlösungen erforscht, mit denen Planer, Arbeitsvorbereiter und In-Betrieb-Nehmer mit Hilfe von virtuellen Techniken und individuellen Software-Lösungen in Zukunft unterstützt werden können. Im Szenario „3D-Bauplanung“ wird die automatische Verknüpfung von Generalplan und Daten zur Auftragsabwicklung dargestellt. Ziel ist es, die Arbeit des Planers mit effizienteren und anschaulicheren Folgen von Arbeitsschritten zu vereinfachen. In den weiteren Szenarien „3D-Bauanleitung“, „Intelligentes Schema“ und „Fertigen ohne Zeichnung“ wird die Planung von Rohrleitungen und die Ableitung von Bauanleitungen unterstützt. Hier werden Daten zusammengeführt und über Augmented Reality visualisiert. Im Unterkapitel „Mobile Projektionsbasierte Assistenzsysteme“ werden in vier Anwendungsszenarien Systeme entwickelt und beschrieben, die den Mitarbeiter bei der Bewältigung verschiedener Arbeitsaufgaben durch Augmented Reality mobil unterstützen. Diese AR Komponenten sind im Wesentlichen Projektionssysteme, die durch optisches Tracking mobilisiert werden. Der Schwerpunkt liegt hier in der Integration von Tracking-Systemen und Datendiensten durch die ARVIDA-Referenzarchitektur. Der Forschungsschwerpunkt im Anwendungsszenario „Instandhaltung und Training“ war das schnelle und einfache Trainieren von komplexen wiederkehrenden Arbeitsabläufen. Durch vielfältige und variantenreiche Produkte ist die klassische Erstellung von Trainingsszenarien nicht mehr zu bewältigen. In drei aufeinander aufbauenden Phasen entstand in diesem Teilprojekt eine Trainingsapplikation, mit der es einem Trainer möglich ist, eigenständig und schnell Trainingsmodule ohne Programmier- oder VR-Kenntnisse zu erstellen. Im Training werden dem Trainee die Informationen als sowohl statische wie auch kongruente Überlagerungen mittels Datenbrille direkt im Sichtfeld angezeigt.

Das Ziel des Anwendungsszenarios ist die Erforschung von Verfahren zur Absicherung und zum möglichst realistischen Erleben zukünftiger Produkte in verschiedenen Phasen des Produktlebenszyklus. Im Fokus stehen das komplexe Produkt des Automobils, das im Szenario teilweise oder vollständig durch digitale Modelle abgebildet wird und die Interaktion des Menschen mit diesem Produkt. Fahrzeuge verfügen über komplexe Benutzerschnittstellen wie z. B. im Fahrzeugcockpit, die sowohl seitens sicherheitsrelevanter als auch ästhetischer Gesichtspunkte aufwendig abgesichert werden müssen. Vor allem die menschliche Benutzung eines Fahrzeugs in realen Einsatzumgebungen und in verschiedenen Fahrsituationen spielt in den unterschiedlichen Phasen der Produktentwicklung eine große und entscheidende Rolle. In diesem Kontext wurden im Szenario virtuelle Technologien und darauf aufbauende Verfahren erforscht, um virtuelle Produktmodelle oder Modelle von Produktvarianten in Interaktion mit einem Benutzer abzusichern und erlebbar zu machen. Dazu wurden projektionsbasierte Lösungen zur Absicherung verschiedener Produktvarianten in einem Fahrzeugcockpit und Verfahren zum Erleben eines Fahrzeugs in weitestgehend automatisch erzeugten komplexen und realitätsnahen 3D-Fahrerlebnisumgebungen realisiert. Durch Nutzung der ARVIDA-Referenzarchitektur konnten die entwickelten Lösungen im Anwendungsszenario integriert und das Potenzial der Referenzarchitektur aufgezeigt werden.

ARVIDA wurde neben den für öffentlich geförderte Projekte üblichen Statustagungen weiterhin national und international auf Messen undTagungen vorgestellt. Die Referenzarchitektur wurde darüber hinaus durch die Veröffentlichung der Vokabulare im Netz bekannt gemacht, sodass es Interessenten möglich ist, daraus eigene Erweiterungen zu generieren.

Die Verwertung der Projektergebnisse ist bei öffentlich geförderten Projekten ein wichtiges Element. In diesem Kapitel wird die wissenschaftliche und wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse thematisiert.

Das Projektmanagement besteht aus der Verbundprojekt-Koordination für die operativen Aufgaben des Gesamtprojektes und die Vertretung nach Außen und gegenüber dem Fördergeber sowie aus dem Lenkungskreis für die Beschlussfassungen innerhalb der Projektlaufzeit. Der Lenkungskreis tagt alle 6 Monate, um den Fortschritt im Projekt zu begutachten und eventuell notwendige Korrekturen vorzunehmen. Das Management der Teilprojekte wird von Teilprojektleitern übernommen (siehe Abb. 11.1), die innerhalb der Teilprojekte die spezifischen Aufgaben koordinieren und steuern. Für die Berichtspflicht gegenüber dem Zuwendungsgeber sind die Partner für ihre jeweils eigenen Projekt-Beiträge verantwortlich, die Konsortialleitung zusammen mit den Teilprojektleitern für die übergeordneten Berichte.