DISSERTATION WORKSPACE - VOM INTEGRIERTEN PLATTFORMKONZEPT FÜR DIE PRODUKTION ZUM EXEMPLARISCHEN 3D-USERINTERFACE

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1 DISSERTATION WORKSPACE - VOM INTEGRIERTEN PLATTFORMKONZEPT FÜR DIE PRODUKTION ZUM EXEMPLARISCHEN 3D-USERINTERFACE Ein Beitrag zur Entwicklung von 3D-Userinterfaces für die Produktion Vom Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Technischen Universität Kaiserslautern zur Verleihung des akademischen Grades "Doktor-Ingenieur" (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation Vorgelegt von Dipl.-Wirtsch.-Ing. Holger Andreas Oortmann aus Nordhorn, Deutschland Tag der mündlichen Prüfung: 26. Januar 2007 Dekan: Prof. Dr.-Ing. J. Aurich Promotionskommission: Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. R. Renz 1. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. D. Zühlke 2. Berichterstatter: Prof. Dr. H. Hagen

2 Inhalt 1 Einleitung 1 2 Räumliche Wahrnehmung und Kognition des Menschen Visuelles System Optischer Aufbau und Funktion des Auges Reizaufnahme mit Zapfen und Stäbchen Informationsverarbeitung und Wahrnehmung Tiefen-und Grölienwahrnehmung Kognition Architektur der menschlichen Kognition Struktur des menschlichen Gedächtnisses Mentale Modelle Raumkognition und Raum-Metapher 15 3 Benutzungsschnittstellen und der Weg in die dritte Dimension Hardware-Technologien und Rechenleistung Software-Technologien Wissenschaftlich-technische-Anwendungen Computerspiele Internet-Anwendungen Technologien der stereoskopischen Ausgabe Technologien zur räumlichen Interaktion Auswahl vorhandener 3D-Benutzungsschnittstellen REAL PLACES und REAL THINGS (IBM) TASK-GALLERY (MICROSOFT) WIN3D (CLOCKWISE 3D) Volumetrische Prozessvisualisierung (Beuthel) 33 4 Gestaltung menschengerechter Systeme und Produkte Wandel im soziotechnischen System der Produktion Soziotechnisches System der Produktion Einfluss neuer Technologien Mensch-Maschine-Systeme und Softwareergonomie Systematischer Useware-Entwicklungsprozess 43

3 4.2.1 Analyse Strukturgestaltung Gestaltung Realisierung Evaluierung Benutzungsmodell als zentrales Element der Useware-Entwicklung 47 5 Problemstellung, Zielsetzung und Vorgehensweise Problemstellung Zielsetzung Vorgehensweise 51 6 Integriertes Plattformkonzept für die Produktion Ausgangssituation Anforderungen an die Maschinenbedienung Trialität der Entwicklung Asynchrone Innovationszeiten Auswirkungen der zunehmenden funktionalen Integration Klassifizierung zukünftiger Anwendungen in der Produktion Bedeutung für den Nutzer Konzept zur Integration neuer Anwendungen in die Produktion Lösungsansatz: Teilung der Bediensysteme Primäres Bediensystem Sekundäres Bediensystem Tertiäres Bediensystem Eigenschaften der logischen Trennung der Systeme Beispielhafte Umsetzung 51 7 Workspace - Generisches Konzept für eine sekundäre Bedienplattform in der Produktion Rolle des Maschinenbedieners im Wandel Omnipräsenz von Information Aufgabenbereiche Kommunikationsanforderungen Informationsbedürfnisse Konsequenzen Workspace-Metapher als Grundlage der Entwicklung Interface-Metaphern als Basis der Entwicklung Anforderungen an den Einsatz einer Interface-Metapher Einsatz der Workspace-Metapher 51

4 7.3 Strukturierung des Systems Mentale Modelle als Grundlage der Entwicklung Räume als Träger von Information und Interaktionsmöglichkeiten Grundsätze bei der Entwicklung des Konzeptes Benutzungsmodell als Grundlage der Entwicklung Anwendungsobjekt als Bindeglied zwischen Raum- und Aufgabenorientierung Bedeutung einer raumorientierten Struktur Berücksichtigung der mentalen Modelleder Nutzer Konzeption des raumorientierten Workspacemodells Bereiche Raumobjekte Anwendungsobjekte (elementare Raumobjekte) Aufbereitung des Workspace 51 8 Virtual Workspace: Demonstration des Workspacekonzeptes anhand eines exemplarischen 3D-Userinterfaces Fokus für die Entwicklung des Virtual Workspace Analyse und Strukturgestaltung Raumorientiertes Workspacemodell Navigationsplan Grundriss des Virtual Workspace" Gestaltung und Umsetzung Entwicklungsplattform Grafische Aufbereitung des Virtual Workspace Navigation im Virtual Workspace Systematik der Interaktion mit den Anwendungsobjekten Relevanz für den Anwender in der Produktion Integration des Virtual Workspace in ein sekundäres Bediensystem (nicht implementiert) 51 9 Bewertung und Ausblick Integriertes Plattformkonzept für die Produktion Workspace Virtual Workspace Zusammenfassung Literaturverzeichnis Monografien und Artikel Studien- und Diplomarbeiten 51

5 Anhang A: Geschichte rechnergestützter Benutzungsschnittstellen 51 Anhang B: Technologien zur stereoskopischen Ausgabe 51 a. Head-Mounted Display 51 b. Virtual Retinal Display 51 c. Anaglyphen-Brille 51 d. Polarisation-Brille 51 e. Shutter-Brille 51 f. Linsenraster-Bildschirm 51 g. Multifrequenz-Bildschirm 51 h. Laserprojektion 51 Anhang C: Tiefekriterien 51 a. Okulmotorische Tiefekriterien 51 b. Querdisparität 51 c. Monokulare Tiefekriterien..: 51 d. Bewegungsinduzierte Tiefekriterien 51 Lebenslauf des Verfassers 51 IV