Virtual Reality und 3D-Anwendungen im Kontext Geodaten Heidelberg, 29. Oktober 2014

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1 Virtual Reality und 3D-Anwendungen im Kontext Geodaten Heidelberg, 29. Oktober 2014 Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Christoph Runde Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach Auberlenstr Fellbach Kompetenzzentrum Virtuelle Realität und Kooperatives Engineering w. V. Virtual Dimension Center VDC

2 Agenda 13:45 Uhr Status-Quo Virtual Reality Dr.-Ing. Christoph Runde, VDC Fellbach 14:00 Uhr Impulsvortrag 3D-Geodaten, Interoperabilität und Konzepte zur nahtlosen Outund Indoornavigation in Smart Cities Prof. Dr.-Ing. Reiner Jäger, Hochschule Karlsruhe 14:15 Uhr Impulsvortrag BIM-Dokumentation aus Vermessungsdaten und virtuellen Techniken zur realen Visualisierung von Planungskonzepten" Benjamin Sattes, Zimmermann & Meixner 3D Welt GmbH 14:40 Uhr Worldcafé Vision, Chancen, Hemmnisse für den Einsatz von Virtual Reality und 3D-Anwendungen im Kontext Geodaten 15:30 Uhr Ende der Veranstaltung 2

3 Status Quo Virtual Reality Heidelberg, 29. Oktober 2014 Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Christoph Runde Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach Auberlenstr Fellbach Kompetenzzentrum Virtuelle Realität und Kooperatives Engineering w. V. Virtual Dimension Center VDC

4 Überlegungen Das richtige Mensch-Maschine-Interface (MMI) für die richtige Aufgabe WIMP-Systeme sind nicht optimal für räumlich-geometrische Aufgabenstellungen z.t. auch schwierig einsetzbar bei anderen Hardware-Aufbauten (wohin mit der Maus bei einer Projektionswand, wie Tastatur bedienen bei einem Datenhelm?) 4

5 Überlegungen Das richtige Mensch-Maschine-Interface (MMI) für die richtige Aufgabe welche Interaktionsmethoden und -geräte benötigen wir?? 5

6 Virtual Reality Virtual Reality ist eine vom Computer geschaffene, interaktive, dreidimensionale Umwelt, in die eine Person eintaucht. in VR verhält sich der Bildschirm wie der Rahmen einer Fensterscheibe, vor der wir uns bewegen. die Perspektive hängt am Standpunkt, Objekte könne sogar heraustreten. VR Computergraphik: Computergraphik muss nicht multimodal sein Computergraphik ist nicht immersiv Obwohl die imaginären Objekten nicht real existieren, interagieren wir mit ihnen, als wären sie real. Psychologisch bedeutet dieses eine radikale Änderung, da der Mensch nicht auf ein Bild schaut, sondern zu einem Teil der virtuellen Welt geworden ist. 6

7 Virtual Reality Eine 3D-Rechnerumgebung wird nur dann als eine Virtuelle Umgebung angesehen, wenn der Benutzer ein Teil des Virtual Environment ist. Der Benutzer kann nur dann zum Teil eines Virtual Environment (VE) werden, wenn seine Handlungen auf das Rechnersystem rückgekoppelt werden. Beispiel: Der Benutzer steht vor einer Rückprojektion. Um die rechte Seite des projizierten virtuellen Objekts betrachten zu können, bewegt sich der Benutzer nach rechts. Diese Bewegung wird erfasst (getrackt). Das projizierte Objekt ändert seine Lage nun so, dass eine Perspektive entsteht, die auch in der Realität entstünde, wenn der Benutzer sich auf die rechts Seite des Objektes bewegte. 7

8 Sinn und Zweck von VR Räumliche Wahrnehmung: verbesserte räumliche (3D-)Wahrnehmung erleichtert Verständnis des Gesehenen Räumliche Interaktion: 6DOF (degree of freedom Freiheitsgrade), räumliche Intaktion mit räumlichen (3D-)Daten Bedienung des Computer-Systems tritt in Hintergrund, Aufgabe in den Vordergrund Das Handeln von Menschen und Maschine berührt sich an den sogenannten Schnittstellen, und Virtuelle Realität ist nur die vorläufig letzte und modernste einer langen Reihe von Schnittstellen. 8

9 Aufbau von VR-Systemen VR/AR-Technologien werden zu einem VR-System kombiniert. Ein VR/AR-System ist ein Rechner-basiertes System, um eine Virtuelle Umgebung (VE) zu erzeugen, zu warten und darzustellen. 9

10 Anwendungen von VR Grundvoraussetzung für sinnvollen Einsatz von VR räumlich-geometrisches Problem oder verräumlichtes Problem -> beliebige Werte in 3 Koordinaten aufgetragen (z.b. Statistik-Daten: Visual Analytics ) je komplexer, desto sinnvoller Mensch als Entscheidungsinstanz (sonst könnte man das Problem ja auch algorithmisch lösen): subjektive Einschätzung Fraunhofer IGD, 2010

11 Anwendung von Virtual Engineering Entlang von Branchen Anlagenbau Automobil-/Fahrzeugbau Bauwesen Energietechnik Luft- & Raumfahrt Maschinenbau Schiffbau Entlang von Anwendungsfeldern Geometrie & DMU Gestaltung, Design Materialfluss & Logistik Produzierbarkeit Robotik & Automatisierung Servicability Berechnungsvisualisierung Usability & Ergonomie xxxxx

12 Anwendungen von VR Ranking der VR-Anwendungen in der Produktentwicklung Umfrage des VDC bei 9 VR-Intensivnutzern

13 Anwendungen von VR Ranking der VR-Anwendungen in der Fertigungsplanung Umfrage des VDC bei 9 VR-Intensivnutzern

14 Styling, Design, Interieur: Design Reviews Bild: LumoGraphics Bild: Volvo Bild: Volvo realistische Designvisualisierung große Powerwall zur 1:1-Visualisierung Halle mit Möglichkeit zum Einfahren von NKW Aspekte fotorealistische Abbildungen Entwicklung alternativer Produktkonzepte Betonung früher Entwicklungsphasen frühes Ergebnisfeedback schnelle Entwicklungszyklen als aktives Prozesselement Spezifikation des Produkts entscheiden realistische 1:1-Präsentation: echte Abmessungen Vergleichsmöglichkeit Realfahrzeug virtueller Prototyp

15 Design Reviews Designreview Landmaschine John Deere in einer 4-Seiten-CAVE Bild: Hochschule Mannheim

16 Berechnungsvisualisierung Bild: Lauer & Weiss Bild: HLRS Belastungsrechnung Verschraubung Getriebe LKW mit AR-Marker Aspekte Darstellung und interaktive Analyse der Ergebnisse der Simulation von CFD (Computational Fluid Dynamics)- und von FEM (Finite Elemente Methode)-Daten über VR verbesserte räumliche Darstellungsund Interaktionsmöglichkeit Diskussionsplattform für interdisziplinäre Zusammenarbeit direkte Anzeige der Daten auf physischen Prototypen/Produkten: Erweiterte Realität (Augmented Reality AR) Bild: HLRS LKW mit übergeblendeter Strömungsvisualisierung

17 Ergonomie Bild: HS Mannheim Bild: ESI IC.IDO Bild: Fraunhofer IAO Untersuchung mit digitalem Menschmodell plus Motion Capturing Prüfung Sicht- und Erreichbarkeit mit Sitzkiste vor der Powerwall Überprüfung Bewegungsfreiheit rechter Arm am Modell Aspekte Frühe Überprüfung der Erreich- und Sichtbarkeit von Bedienelementen Absicherung Sichtbarkeit sicherheitsrelevanter Bedienund Display-Elemente. Virtuelle Prüfung des Komforts Betrachtung der ergonomischen Aspekte für Altersklassen, Perzentile, Somatotypen (Absicherung Produktfunktionalität für großen Bevölkerungsteil) Betrachtung des Menschen als physische Einflussgröße

18 Erprobung Assistenzsysteme und Mensch-Maschine-Schnittstelle Bild: ESI IC.IDO Bild: TU Dresden Sicht im Fahrsimulator Bedienung Betonspritzmaschine Aspekte gefahrloses Ausprobieren und Optimieren von Assistenzsystemen (etwa Bremsassistent) Test neuartiger Mensch-Maschine-Schnittstellen Bedienerschnittstelle: Fahrerverhalten, Fahrverhalten, Maschinensimulation, Umweltsimulation Design Informationsschnittstelle Bild: TU Dresden Informationsschnittstelle im Schaufelradbagger

19 Bild: Lauer & Weiss Bild: Jaguar-Landrover Bild: ESI IC.IDO Review E-Maschine, Getriebe, Getriebehalter DMU-Review in CAVE Prüfung Schlauch- Verhalten bei Demontage Tank Digital Mock-Up (DMU) und Servicability Aspekte Konstruktionsvisualisierung geometrisches Gesamtmodell inklusive aller Teilgewerke (etwa Elektrik, Hydraulik..) Prüfung auf Servicebarkeit und Vermeidung von Spezialwerkzeugen Bauraumoptimierung und gleichzeitiger Prüfung der Montier- und Servicebarkeit Flexible Bauteile (Schläuche, Kabel, etc.) berücksichtigbar

20 Digital Mock-Up (DMU) und Servicability DMU-Review an Powerwall, Untersuchung Ein-/Ausbau Batterie

21 Montageplanung Bild: ESI IC.IDO Bild: ESI IC.IDO Virtuelle Montage- Prüfung Tank vor der Powerwall Ein-/Ausbauuntersuchung beidhändig vor der Powerwall mit taktilem Feedback Aspekte Überprüfung De-/Montierbarkeit Test und Evaluation von Montagehilfen (Führungslinien, abgekantete Ecken, etc.) für manuelle Montage Festlegung Montagereihenfolgen Kollisionsanzeige akustisch, graphisch oder haptisch Bild: Haption Demontageuntersuchung mit Force-Feedback

22 Fabrikplanung und Fertigungsprozesse Bild: Fraunhofer IPA Bild: TU München Blick in 3D-Modell Rohbaumontage Logistik: AR-Einplanung neuer Fördertechnik in Bestand Aspekte geometrische Einplanung aller Gewerke in ein Gesamtfabrikmodell Simulation und Animation Concurrent Engineering Virtual Walkthrough innerbetriebliche Logistik: weiteres VDC-Whitepaper Fertigungsverfahren: gesondertes Thema Bild: Visenso Fertigungsverfahren: Druckgusswerkzeug

23 Training Simulatoren Bild: GlobalSim.com Bild: TU Dresden Blick auf Arbeitsplatz Kransimulator Blick auf Bagger auf Rampe Aspekte spezielle Fahrzeugkinematiken spezielles Fahrzeugverhalten große Fahrzeuge, hohe Sitzpositionen unübersichtliche Fahrzeugbereiche Analyse von Fahrerhaltungen und -sicht Bild: RIF Training Holzvollernter

24 Bild: RIF Bild: Fraunhofer IAO Interaktives 3D-Modell Holzvollernter Kran: Unterschreitung Mindestabstand führt zu visueller Warnung Training Simulatoren Aspekte Trainingsaufgaben - Bewältigung Trainingsparcour - Erkennen Gefahrensituationen - korrekte Kommunikation mit gefährdeten Personen Abfangen pendelnder Last, Anschlaggefahr Aufenthalt von Personen im Gefahrenbereich Überraschender Eintritt von Personen in Verfahrweg Bild: Fraunhofer IAO Kran: Person im Gefahrenbereich

25 Training Simulatoren Blick in Fahrsimulator an der TU Dresden Blick auf Fahrsimulator Bild: TU Dresden Bild: TU Dresden

26 Bild: Visenso Bild: Visenso Bild: Visenso Gießsimulation: Strömung, Temperatur Gießsimulation: Abkühlphase Gussteil: Lunkersuche Urformen: Gießen Aspekte Simulationsziel: gewünschte Bauteileigenschaften (Festigkeit, Toleranzen, Vermeidung von Lunkern) bei optimalem Gießprozess (Prozesssicherheit, Prozessgeschwindigkeit) erreichen VR-Anwendungen für die Gießsimulation zeigen den Gießprozess selbst und das Resultat Betrachter betrachtet Fluss der Schmelze im Zeit- und Temperaturverlauf mit oder ohne Form Temperaturverlauf beim Abkühlen Bereiche freischneiden Proben nehmen Partikelquellen setzen

27 Urformen: Gießen Maschinenbau Aspekte Funktionsweise des Gießwerkzeugs Kinematiken Kollisionen/ Freigängigkeit Druckgusswerkzeug Bild: Visenso GmbH

28 Umformen Bild: Visenso Bild: Visenso Bild: RWTH Aachen Tiefziehsimulation: Motorhaube Simulation Fließpressen Simulation Gesenkformen (Schmieden) Aspekte Fertigen durch bildsames (plastisches) Ändern der Form eines festen Körpers Masse als auch der Zusammenhalt beibehalten zu den Fertigungsverfahren des Umformens zählen Druckumformen (wie Walzen, Gesenkformen, Fließpressen) und das Tiefziehen Simulationsziel: gewünschte Bauteileigenschaften (etwa Geometrie, Toleranzen, Dicke, Festigkeit) bei optimalem Umformprozess (etwa Prozesssicherheit, Prozessgeschwindigkeit) erreichen Analyse des Umformprozesses in der Zeit Materialbeanspruchung/Spannungen Temperaturentwicklungen Werkstück als Umformresultat selbst

29 Umformen: Tiefziehen Maschinenbau Aspekte Funktionsweise des Presswerkzeugs Beanspruchungen Kinematiken Digital Mock-Up Physik, Steuerungstechnik Prozess-Simulatoren Tiefziehpresse mit Motorhaube Bild: Visenso GmbH

30 Anlagenbau Rohrleitungsbau, Detail Engineering Bild: VRMMP Bild: Fraunhofer IPA Rohrleitungsbau Zentrale Pumpstation im Bergwerk: Passiermöglichkeit für Seitenkipplader? Konstruktionsunterstützung Geometrieplanung, Clash Detection (Sicherstellung Kollisionsfreiheit) Vermeidung Mehrfachbelegung Bauraum Ein-/Ausbauuntersuchungen: Reihenfolgen, Hebezeuge, Berücksichtigung biegeschlaffe Materialien (Schläuche, Kabel) geometrische Integration verschiedener Gewerke: Virtual Mock-Up Transportmittel, Fördertechnik Variantenplanung Bild: ESI IC.IDO Review an Produktionsanlage, Gabler GmbH, Ettlingen

31 Bild: Scantec 3D Bild: Scantec 3D Bild: metaio Laser-Scan Mischdatenverarbeitung: Laserscan plus 3D-Geometrie AR-Einplanung in Bestand: Infrastruktur Anlagenbau - Retrofit Rückführung des Realisierungsstands in Planungsunterlagen Laserscan Fotographie Unterstützung Projektcontrolling Änderungsmanagement Kombination Laserscan und Geometrie für Transportstudien Mischdatenverarbeitung Augmented Reality (AR) Abgleich Realität & digitale 3D-Daten: Einplanen neu konstruierter Objekte in Bestand Überprüfung der digitalen Dokumentation

32 Weitere VR-Anwendungsgebiete außerhalb des Engineerings Visualisierung von Atomen Geologiedaten- Visualisierung Visual Analytics: Data Mining und graphische Datenverarbeitung Militär Bergbau Tele-Anwendungen Visual Analytics Chemie Unterhaltung Bild: Fraunhofer IPA Infanterie- Übungsumgebung Jack Bild: Financial Times Echtzeit-Tracing Bergbaumaschinen über Projektion in Leitzentrale bei Rio Tinto Bild: NPSNET

33 Weitere VR-Anwendungsgebiete außerhalb des Engineerings Bild: ESI IC.IDO VR-Messestand Motek 2011 Besprechung Architekturvorhaben mit Bauhherrn Virtuelle Archäologie an Fundstelle Marketing Medizin Fashion & Textil Archäologie Kunst & Kultur Architektur Bild: KOP Kulturerbe- Visualisierung mit VR Bild: Fraunhofer IAO Fashion-Prototyping Bild: The Medical News (2010): virtuelle Operation mit der haptischer Schnittstelle Bild: Wurzel-Medien

34 Fotomontage [Quelle: Büro Kramer, Hannover] Film Immersive Virtual Reality Google Earth 34

35 Manipulation durch unterschiedliche Brennweite Brennweiten v.l.n.r: 18 mm, 24 mm, 35 mm, 55 mm (Quelle: 35

36 Visualisierung Bauvorhaben Zusammenhang Field-of-View zu Brennweite 36

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38 Neue Technologien: Head Mounted Displays Produktankündigungen (Juli 2014)

39 Neue Technologien: Tiefenbildsensoren Produkte und Ankündigungen Microsoft Kinect Google Projekt Tango Leap Motion Intel Real Sense 3D Primesense Carmine ASUS Xtion Pro Live Space Glasses PMD Argos 3D Softkinetics

40 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Christoph Runde Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach Auberlenstr Fellbach Kompetenzzentrum Virtuelle Realität und Kooperatives Engineering w. V. Virtual Dimension Center VDC