Einordnung des Projektes in die Innovationsallianz Virtuelle Techniken Marco Schumann 2 Besonders deutlich wird dieser Ansatz der Innovationsallianz in der Kooperation der Projekte Angewandte virtuelle Technologien im Produkt und Produktionsmittel-Lebenszyklus (AVILUS) und Angewandte virtuelle Technologien mit Langfristfokus im Produkt- und Produktionsmittel-Lebenszyklus (AVILUSplus). Im Rahmen des Technologieverbundes AVILUS entwickelt ein Konsortium von 28 Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft leistungsstarke Technologien im Kontext virtueller und erweiterter Realität. Im Fokus des Projekts steht der Mensch. Er soll mit Hilfe virtueller Techniken in die gesamte Produktentwicklung eingebunden werden und Entscheidungen in unterschiedlichen Entwicklungsphasen deutlich schneller und zuverlässiger treffen können. Bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt soll der Entwickler die Rolle des späteren Nutzers oder Käufers einnehmen, um das virtuelle Produkt funktional bewerten und bei Bedarf optimieren zu können. Für die Lösung komplexerer Aufgabenstellungen müssen sowohl das virtuelle Produkt als auch seine Umgebung möglichst realitätsnah erleb- und bedienbar sein. Um dieses Ziel zu erreichen, werden im Projekt AVILUS die Technologien zu den Themen Informationsmanagement, Darstellung virtueller Informationen, Trackingsysteme, Systeme zur Visualisierung (Renderer), mobile Informationsaufnahme und Anzeigegeräte sowie Erstellung und Verarbeitung von Informationen (Engineering und Autorensysteme) weiterentwickelt und ganzheitlich verknüpft. Die im Projekt adressierten inhaltlichen Schwerpunkte bilden jedoch nur einen Teil der Basistechnologien die aus Sicht der Industrie mittelfristig produktivitätssteigernd eingesetzt werden können. Eine Übersicht dieser Technologien und deren M. Schumann (*) Früher: Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg, Deutschland E-Mail: marco.schumann73@gmx.de Springer-Verlag GmbH Deutschland 2016 M. Schenk und M. Schumann (Hrsg.), Angewandte Virtuelle Techniken im Produktentstehungsprozess, DOI 10.1007/978-3-662-49317-5_2 3
4 M. Schumann Abb. 2.1 Einsatz produktivitätssteigernder Basistechnologien im Lebenszyklus. ( Volkswagen Group) phasengerechte Zuordnung für das Arbeiten in digitalen und realen Umgebungen ist in Abb. 2.1 dargestellt. Die in AVILUS entstehenden Methoden und Technologien sollen dafür sorgen, virtuelle Technologien mit der realen Arbeitswelt in Deutschland zu verbinden. Sie sollen direkt und mit einem Zeithorizont von weniger als drei Jahren in den Arbeitsalltag integriert und anwendernah erprobt werden. Auszugsweise sind folgende geplante Anwendungen in den unterschiedlichen Teilprojekten zu nennen: Realistische Darstellung von Fahrzeugen in der frühen Entwicklungsphase unter Verzicht auf physische Prototypen Vergleich der digitalen Daten der Fertigungseinrichtungen mit den später realisierten Anlagen (Rückkopplung für die digitale Fabrik) Mitarbeiterunterstützung in der Kommissionierung oder im Service Produktpräsentation im Kundenumfeld Mit dem Start von AVILUS wurde schnell deutlich, dass auch ein Bedarf nach Technologien mit einem längerfristigen Forschungsbedarf über einen Zeithorizont von drei Jahren und mehr besteht. Da hier das Risiko für den wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Erfolg deutlich höher ist, haben sich für diese Aufgabe im Projekt AVILUSplus neun renommierte Forschungseinrichtungen mit einem Fokus auf Anwendungs- bzw. Grundlagenforschung zusammengeschlossen. Vorarbeiten bestanden hier durch das virtuelle
2 Einordnung des Projektes in die Innovationsallianz 5 Kompetenznetzwerk zur virtuellen und erweiterten Realität (ViVERA), deren Partner bereits auf eine erfolgreiche Zusammenarbeit auf diesem Gebiet zurückblicken können. Die Teilprojekte von AVILUSplus entsprechen in ihren thematischen Schwerpunkten den von den AVILUS-Partnern vorgegebenen Technologien. In direkter Abstimmung mit den AVILUS-Partnern wurden ergänzende Forschungsarbeiten identifiziert, die ein hohes zukünftiges Einsatzpotenzial erwarten lassen. Die Technologien in AVILUSplus sind fünf Themenschwerpunkten zugeordnet: Information im Produkt-Lebenszyklus-Management-Prozess: Das Thema virtuelle Realität wird vorrangig mit der Vorstellung von visuellen Darstellungen verbunden. Darüber hinaus sind jedoch Informationen notwendig, die das Verhalten der virtuellen Objekte sowie die Reaktionen auf die Interaktion des Benutzers beschreiben. Um diese Informationen zu erfassen und zu beschreiben ist nach heutigem Stand der Technik ein aufwendiger Autorenprozess notwendig. Ein wesentliches Ziel der Technologieentwicklungen ist deshalb, automatisierte Lösungen zu konzipieren, die in der Lage sind, multimediale Handlungsanleitungen zu erstellen. Zukünftig soll es möglich sein, anhand real durchgeführter Handlungsprozeduren virtuelle Abläufe automatisiert zu erstellen und damit den Entwicklungsaufwand deutlich zu reduzieren. Simulation und Rendering Inwieweit virtuelle Technologien produktiv einsetzbar sind und akzeptiert werden, hängt davon ab, wie realistisch, detailliert und physikalisch korrekt Simulationen von komplexen Modellen und von Objektverhalten in virtuellen oder teilweise realen Umgebungen dargestellt werden können. Dafür werden unter anderem Echtzeit-Simulationsverfahren für physikalisch korrektes Objektverhalten entwickelt [Juh08]. Um einen Produktionsprozess virtuell in Betrieb nehmen zu können, muss eine Lösung entwickelt werden, reale Steuerungskomponenten und virtuelle Szenarien zu verknüpfen [Böh09, Ken07]. Für das Rendering bedeutet das, Produkte und ihre Eigenarten wie z. B. lackierte Flächen physikalisch korrekt und möglichst hochwertig wiederzugeben. Ziel ist eine insgesamt realistischere und detailreichere Bildberechnung, die durch Verwendung von spektralen Reflexionsdaten erreicht werden sollen. Tracking Eine entscheidende Voraussetzung für die virtuelle und erweiterte Realität ist das Tracking, die Verfolgung von realen Objekten, um Informationen über den Verlauf ihrer Bewegung und ihrer Lage zu erhalten. Bisher arbeiten Tracking-Lösungen nur in speziell dafür markierten Umgebungen und unter eingeschränkten Beleuchtungsverhältnissen. Hier ist es ein wesentliches Ziel, insbesondere die Verfahren des markierungsfreien Trackings hinsichtlich ihrer Robustheit zu verbessern. Es werden Forschungsansätze zur Identifikation charakteristischer Bildmerkmale in einem 2D-Kamerabild [Hin08] untersucht. Für den industriellen Einsatz auf unebenen Untergrund werden von Inertialsensoren gemessene Bewegungen (Verwackelungen)
6 M. Schumann in die Bildauswertung einbezogen, um auf diese Weise die Genauigkeit zu erhöhen [Wal09]. In einem weiteren Teilprojekt werden sphärische Kameras verwendet, um gleichzeitig Navigation und Gestenerkennung durchführen zu können. Interaktion Im Bereich der Interaktionstechniken werden zwei Schwerpunkte verfolgt: Zum einen wird die Robustheit bekannter Interaktionstechniken erhöht. Zum anderen werden neuartige Eingabegeräte untersucht. Für Augmented-Reality-Anwendungen auf Basis von See-Through-Brillen muss für jeden Benutzer eine individuelle Kalibrierung durchgeführt werden, damit die in der Brille sichtbaren Überlagerungen der Realität lagerichtig eingeblendet werden. Bisherige Kalibrierungsverfahren bestehen aus mehreren Schritten, in denen der Benutzer eine reale Markierung aus verschiedenen Positionen mit einer eingeblendeten Überlagerung in Übereinstimmung bringen muss. Im praktischen Einsatz ist dies recht zeitaufwendig, wenn die Kalibrierung oft zu wiederholen ist. Daher beschäftigt sich ein Teilprojekt innerhalb von AVILUSplus mit der Optimierung der Kalibrierung zu einem Ein-Schritt- Verfahren. Da werden verschiedene Kalibrierkörper getestet und die erreichbare Genauigkeit sowie der zeitliche Aufwand gegen das bisher verwendete Verfahren getestet [Gru08]. Erforscht werden auch komplett neue Möglichkeiten der Interaktion zwischen Mensch und realen oder virtuellen Objekten wie z. B. die Entwicklung einer taktilen Haut. Die taktile Haut besteht aus Schaumstoffzellen verschiedenster Größe und Dicke, die aufgrund ihres Aufbaus sowohl zur Ortsauflösung als auch als kraftmessende Einheit dienen kann. In zwei Szenarien wird die taktile Haut zum Verformen virtueller Objekte sowie für die Interaktion zwischen Mensch und Roboter eingesetzt. In einem weiteren Teilprojekt werden Tangible User Interfaces betrachtet. Diese geben digitalen Funktionen und virtuellen Objekten eine physische Repräsentation. Es handelt sich um fühlbare Werkzeuge mit funktionsspezifischer Form, die Teile der Applikationslogik in sich tragen [Kra07]. Als potenzielle Anwendung wird das dreidimensionale Skizzieren in der Produktentstehungsphase untersucht. Geometrieerfassung Insbesondere um Planungsfehler bei der Überlagerung von CAD-Daten und realen Modellen aufzuspüren, ist es notwendig, die Geometrie realer Objekte schnell und präzise erfassen zu können. Dabei liegen die Forschungsschwerpunkte auf 3D-Messverfahren, die mit Technologien der Erweiterten Realität kombiniert werden können. Die modellbasierte Objekterkennung und -überprüfung im Nahbereich soll neue Technologien zur Geometrieerfassung und deren Auswertung bieten. Dazu wird a priori Wissen in Form von aus der digitalen Fabrik zur Verfügung gestelltem Modellwissen (Sollinformationen) genutzt. Die zu entwickelnden Technologien nutzen erfasste Bilddaten und Positionsinformationen der zum Einsatz kommenden Aufnahmekameras. Am Beispiel der Werkerassistenz in der variantenreichen Montage ist sowohl eine lagekorrekte Einblendung von Modellinformationen als auch eine Überprüfung jedes einzelnen Montageschrittes möglich. Damit lässt sich z. B. der korrekte Ablauf eines Wartungs- oder Montagevorgangs testen, um bei fehlerhaften Arbeitsschritten ein Warnsignal zu geben.
2 Einordnung des Projektes in die Innovationsallianz 7 Diese fünf Themenschwerpunkte bilden die Grundlage für die weitere Gliederung der Kapitel. Jedem Themenschwerpunkt ist ein eigenes Kapitel gewidmet. Die Kapitel folgen einer einheitlichen Struktur: Es wird zunächst der Stand der Technik dargestellt. Daraus werden die Herausforderungen an die Technologieentwicklungen abgeleitet. Ein weiteres Unterkapitel zeigt die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Technologieentwicklungen auf und erläutert, wie diese zur Lösung der Herausforderungen beitragen. Daran schließt sich eine detaillierte Beschreibung der jeweiligen Technologieentwicklung an. Die Referenzen zu weiterführenden Informationen bilden jeweils den Abschluss des Kapitels.
http://www.springer.com/978-3-662-49316-8