Einsatz der Virtuellen Realität in der Fabrikplanung

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1 Virtuelle Fabrik Einsatz der Virtuellen Realität in der Fabrikplanung Begriffserläuterung Geschichte der VR-Technologie VR-Technik VR-Systeme Anwendungsgebiete der VR Einsatz der VR in der Fabrikplanung Ablauf 1

2 2 Cyberspace Virtual Reality (VR) Mixed Reality (MR) Augmented Reality (AR) Telepresence Synthetic Environments (SE) Virtual Environments (VE) Teleoperation Begriffe

3 3 Unter Virtueller Realität wird eine computergenerierte Umgebung verstanden, die ein Betrachter mit seinen natürlichen Sinnen als real erlebt und mit der er interagieren kann. Imagination Echtzeit - "verzögerungsfreie" Reaktion auf Interaktionen Immersion Interaktion Quelle: Kuhlen Begriffsbestimmung Virtuelle Realität (Virtual Reality)

4 4 Immersion [Eintauchen]:... bedeutet das Eintauchen in virtuelle Welten, wobei dem Anwender das Gefühl vermittelt wird, in diese Welt integriert zu sein. Dies wird mittels speziell für diese Aufgaben konstruierte Geräte realisiert. Zur Zeit werden der Seh-, Hör- und Tastsinn des Anwenders angesprochen. Interaktion [Wechselbeziehung]:... mit der virtuellen Welt bedeutet, dass der Anwender, wenn er sich in dieser befindet, Objekte in der VR verändern und benutzen sowie Ereignisse beeinflussen kann. Imagination [Einbildung, bildhaftes Denken]:... ist ein vom Anwender abhängiger Faktor. Er beschreibt dessen Vorstellungskraft, Teil einer virtuellen Welt zu sein, die lediglich im Rechner existiert. Zu beachten ist, dass die Imagination in hohem Maße abhängig von der Qualität der Immersion und der Interaktion ist. Charakteristik der Virtuellen Realität

5 5 Virtuelle Realität ist durch Erfüllung von mindestens 3 Merkmalen gekennzeichnet: Einsatz einer Echtzeitumgebung (Leistungsfähige Software und Grafikhardware) Vorhandensein von Immersion, hauptsächlich erzeugt durch stereoskopische Sichtbarmachung der jeweiligen Sachverhalte Interaktivität, also die Manipulierbarkeit der visualisierten Geometrien Aber: Einsatz der Hard- und Software sollte durch die Erfordernisse vorgegeben werden, nicht umgekehrt! Begriffsbestimmung Virtuelle Realität (Virtual Reality) Quelle: Hausstädtler

6 1965 Ivan Sutherland "The ultimate Display" 1968 erster Datenhelm Head Mounted Display 1984 Begriff "Cyberspace" von William Gibson im SF-Roman "Neuromancer" 1989 Begriff "Virtuelle Realität" von Jaron Lanier erste Vermarktung von VR-spezifischer Hard- und Software durch Firma VPL (DataGlove) anfangs wurde VR ausschließlich in Forschungsinstituten und beim Militär angewendet rasante Entwicklung der Computertechnologie ermöglicht den industriellen Einsatz der VR- Technologie in Unternehmen in den 80er und 90er Jahren entstanden wesentliche technische Entwicklungen der VR- Technologie (HMD, Stereoskopie, leistungsfähige Graphikhardware und VR-Software) Ende der 90er Jahre hat VR eine Einsatzreife für viele Anwendungsmöglichkeiten erreicht (VRCC) Geschichte der VR-Technologie 6

7 7 Quelle: Art & COM, Berlin Virtuelles Berlin

8 8 Fotorealistische Darstellung von Objekten

9 9 Quelle: Hausstädtler/2008 Sinnvoller Einsatz der VR-Technologie

10 Wichtigkeit 10 Sehen (visuell, 70 %) Hören (auditiv, 20 %) Fühlen (taktil, 5 %) Riechen (olfaktorisch, 4 %) VR Sinne sind physiologisch die Fähigkeit von Mensch und Tier, Reize diffus über den gesamten Körper oder mittels spezieller, den einzelnen Sinnen zugeordneter Sinnesorgane zu empfinden bzw. wahrzunehmen und gegebenenfalls spezifisch darauf zu reagieren. Schmecken (gustatorisch, 1 %) (c) Meyers Lexikonverlag Menschliche Sinne

11 11 Für das Ansprechen der menschlichen Sinne und zum Umsetzen der natürlichen Bewegungen des Menschen zur Interaktion werden entsprechende technische Ein-/Ausgabegeräte benötigt. VR-System Ausgabegeräte zur Darstellung der virtuellen Szenen Projektionssysteme Akustische Systeme Haptische Systeme Eingabegeräte zur Interaktion in den virtuellen Szenen Space-Mouse, 3D-Joystick Datenhandschuh Trackingsysteme Spracherkennung VR-Hardware (Rechentechnik - SGI, PC, Zusatzgeräte) VR-Software (Datenaufbereitung, Modellierung, Schnittstellen) Technische Systeme für VR

12 12 Computermonitor Head Mounted Display Tischsystem (Bench) und Powerwall CAVE Shutterbrillen für Stereoskopie Projektionssysteme

13 13 Vorteile: geringer Preis stereoskopische Darstellung über Shutterbrille Nachteile: geringe Abbildungsgröße eingeschränktes Gesichtsfeld nur für wenige Betrachter Quelle: stereographics.com Computermonitor

14 14 Vorteile: vollständige Immersion stereoskopische Darstellung durch zwei LCD-Bildschirme Nachteile: Tragekomfort Bildqualität Kommunikation Interaktion Großbildprojektion Quelle: nach Kuhlen Head Mounted Display

15 15 Monitorbasierte Projektion Augenposition Workbench: Großbild-Rückprojektion Augenposition Bildschirm Horizontal ausgerichtete Leinwand Holobench: horizontale und vertikale Rückprojektion vertikal ausgerichtete Leinwand Augenposition Horizontal ausgerichtete Leinwand Quelle: nach Kuhlen Verschiedene Arten von Großbildprojektionen

16 16 Rückprojektion auf eine Arbeitsfläche Vorteile: komplette Darstellung kleinerer Objekte gute 3D-Stereodarstellungsqualität Interaktion durch Eingabegeräte Projektor Projektionsfläche Spiegel 3D-Workbench

17 17 L-förmiger Projektionstisch mit zwei Projektionsflächen Vorteile: gute 3D-Stereodarstellungsqualität Interaktion durch Eingabegeräte preisgünstiger als Cave Projektionsflächen Projektoren Spiegel Konsul (Barco) L-Bench (Holobench)

18 18 Großbildprojektion (eben oder gewölbt) Vorteile: Darstellung ganzer Objekte im Maßstab 1:1 für größere Personengruppen geeignet Röhrenprojektor Projektionsfläche Projektoren Quelle: Hausstädtler/2008 Powerwall zur räumlichen Darstellung virtueller Umgebungen

19 19 Mehrseiten-Cave (3 bis 6 Seiten) Projektoren Spiegel Projektionsflächen begehbarer Würfel (Cube) aus Projektionsflächen Vorteile: 1:1 Raumgefühl sehr gute Immersion (Surround-Projektion und Sound)) CAVE (Computer Animated Virtual Environment)

20 20 LCD-Shutterbrillen (aktives Stereo) Es werden abwechselnd Bilder für das rechte und linke Auge auf der Projektionsfläche gezeigt, dazu synchron schaltet die Shutterbrille jeweils ein Augenglas transparent und das andere undurchsichtig. Die Synchronisation erfolgt über Kabel oder Infrarotsignal. Polarisationsfilterbrillen (passives Stereo) Die beiden Bilder für das rechte und linke Auge werden überlagert und in unterschiedlicher Richtung polarisiert auf der Projektionsfläche gezeigt, ihre Zuordnung zum jeweiligen Auge erfolgt mit Hilfe der Polarisationsfilterbrille. Hilfsmittel für die stereoskopische Projektion

21 21 Immersionsgrad von VR-Projektionstechnik

22 22 Spaceball und 3D-Maus Akustik Datenhandschuh/Haptik Trackingsysteme Videokamera Interaktionsgeräte für die virtuelle Welt

23 23 Steuerung von 6 Freiheitsgraden (3 translatorische Achsen x, y, z und 3 rotatorische Achsen u, v, w Spaceball und 3D-Maus

24 24 Kopfhörer Audioboxen Dolby Surround System 3D surround sound Akustische Geräte

25 25 größere Freiheit und Intuition (Erfassung der Fingerstellungen,, Gestenerkennung) mit taktilem Feedback möglich (virtuelle Berührung der Fingerspitzen) Datenhandschuh

26 26 kinesthätische Information taktile Information force feedback in Fabrikplanung eher untergeordnet Cybergrasp (Fa. Immersion Corp.) Haptische Informationsgeräte

27 27 mechanisch (veraltet) optisch (Standard) elektromagnetisch (zurückgedrängt) mit Ultraschall (teuer und wenig Einsatzfälle) elektromagnetisches Tracking optisches Ganzkörpertracking, Motion Capturing Trackingsysteme

28 28 hat sich zum Quasi-Standard entwickelt sehr umfangreicher Einsatz Nachteil: Trackingkamera und Ziele müssen immer in Sicht sein Genauigkeit i.a. höher als durch Bediener möglich Zur VR- Software Optisches Tracking

29 29 breites Einsatzspektrum Videokamera

30 30 Desktop VR Systeme Immersive Systeme Telepräsenz VR Mixed Reality Systeme Arten von VR-Systemen

31 31 Desktop-VR-System low cost System Desktop-VR-Systeme

32 32 Klassischer Aufbau eines VR-Systems

33 33 Betrachterstandpunkt wird in die VR mittels Trackingsystem eingerechnet exakte Betrachterperspektive nahe der des natürlichen Sehens Wahrnehmung der Modelle im Maßstab 1:1 Immersive Systeme

34 34 menschliche Steuerung über Eingabegeräte anhand eines aufgenommenen vergrößerten Bildes Telepräsenzsysteme

35 35 Real Reality Augmented Reality (AR) Augmented Virtuality (AV) Virtual Reality Mixed Reality (MR) (nach Milgram, Koshino) Optical see-through MR - mit semitransparenten Videobrillen Video see-through MR - HMD + Videokameras On-/Offline Telepräsenz MR - Videokameras, Monitor, Steuerung Von der Realität zur Virtual Reality

36 36 Visualisierung mit Mixed Reality

37 37 Dienstleistungen 23% Unterhaltung 11% Forschung 19% Entwicklung und Produktion 21% Training und Ausbildung 26% Quelle: CyberEdge Information Services, New York, USA Einsatzbereiche der VR-Technologie weltweit

38 38 Beispiele für VR-Anwendungen

39 39 Quelle: Kuhlen (VRCA) VR in der Automobilindustrie

40 40 Crashsimulation Universität Erlangen und BMW AG

41 41 Design des Cockpits

42 42 3D-Layout einer Fabrik

43 43 Grundlage: - Zeichnungen - 3D-Dateien - Prospekte - Fotos Ergebnis: 3D-Datei (z.b. *.dxf, *.max oder *.wrl) 3D-Modellierung einer Maschine

44 44 Probleme bei der 3D-Modellierung wenn digitale 3D-Daten vorhanden sind, ist meist deren Detaillierungsgrad zu hoch oder es kommt zu Schnittstellenproblemen je höher der Detaillierungsgrad desto höher ist die Anzahl der Polygone und desto geringer die Darstellungsgüte (Performance) des eingesetzten Grafiksystems sehr zeitaufwendig Lösungsansätze Reduktion der Polygone durch Einsatz von Texturen Einsatz neuer Methoden, z.b. 3D-Laserscanning Erhöhung der Rechenleistung Modellierung einer Werkzeugmaschine

45 45 2D-Visualisierung 3D-Visualisierung Nachteile: - hoher Modellierungsaufwand - Detaillierungsgrad ist noch stark von der Leistungsfähigkeit der Hardware abhängig VR-Visualisierung Vorteile: Animation - hohe Akzeptanz der Planungslösung - Steigerung der Qualität der Planungslösung durch die Modellierung Visualisierung des Produktionssystems

46 46 3D- Modelle bevor in Echt gebaut wird Immersion Eintauchen in die Modelle Interaktion (Bewegung und Verschieben) Anlageninformationen, Fabrikmodell, Produktund Produktionsinformationen, ablauforganisatorische Informationen liegen digital vor Die Fabrik und deren Abläufe können so im Vorfeld erheblich schneller geplant und unter Realbedingungen getestet werden. Ziel: Digitale Fabrik Methodischer Zugewinn von VR

47 47 Adam Opel AG VR als Entwicklungsstufe auf dem Weg zur Digitalen Fabrik