Innerhalb der Fachdomäne Logistik ist ein ausgeprägter Bedarf zur Unterstützung von immer komplexer werdenden und dynamischen Dienstleistungsprozessen durch mobile Informationssysteme festzustellen. Besonders neue Kommunikationstechnologien ermöglichen die Neugestaltung zugehöriger logistischer Wertschöpfungssysteme durch die Vernetzung von produzierenden Unternehmen, Dienstleistern und Endkunden entlang der Supply Chain. Für die Logistik wird die Technologie Augmented Reality (AR) als nutzenstiftendes Werkzeug zur Prozessunterstützung und Realisierung von zwischenmenschlichen Kollaborationen als auch Mensch-Maschine-Kollaborationen bewertet. Hierzu zählen besonders Datenbrillen, sogenannte „Smart Glasses“, die als Trägersystem für die augmentierte Prozessunterstützung zum Einsatz kommen. Zielsetzung dieser Forschungsarbeit ist die Gestaltung von logistischen Wertschöpfungssystemen mittels augmentierter Prozessunterstützung auf Basis Smart-Glasses-basierter Assistenzsysteme. Dazu werden zunächst (1) domänenspezifische als auch branchenübergreifende nutzenstiftende Anwendungsfälle identifiziert und aggregiert, (2) ein Vorgehensmodell zur Konzeption, Integration und Implementierung von entsprechen mobilen Informationssystemen erstellt und (3) Gestaltungsrichtlinien für mensch-zentrierte Assistenzsysteme und zugehörige Kollaborationsfunktionen mit Fokus auf die Gebrauchstauglichkeit (engl. Usability) etabliert. Mittels eines gestaltungsorientierten Vorgehens (Design Science Research) wird der identifizierte Forschungsbedarf mit Erkenntnissen aus einem in der Dienstleistungslogistik verorteten Konsortialforschungsprojekt als auch mehreren prototypischen Instanziierungen praktisch fundiert. Die vorliegende Arbeit erweitert durch die Gestaltung von gebrauchstauglichen Smart-Glasses-basierten Assistenzsystemen und die Schaffung entsprechender Kollaborationsfunktionen das Forschungsgebiet der Mensch-Computer-Interaktion und hier speziell den Forschungsbereich der Computer-Supported Cooperative Work. Zusätzlich wird der Bereich des Service Systems Engineering als Teildisziplin der Wirtschaftsinformatik mit Gestaltungswissen ergänzt. Zugleich wird die Wissensbasis der Fachdomäne Logistik (und hier speziell der Dienstleistungslogistik) um konkrete Anwendungsfälle für eine augmentierte Prozessunterstützung erweitert.

Logistikmitarbeiter können mit Augmented-Reality-Datenbrillen ausgerüstet werden, um relevante Daten in ihr Sichtfeld einblenden zu lassen. Mithilfe moderner Datenbrillen können Visualisierungen dabei aufgrund der Brennweitendifferenz zwischen dem menschlichen Auge und der Datenbrillenoptik meist nur auf definierte Entfernungen scharf dargestellt werden. Ein Angleich der Brennweite der Optik an die Brennweite des Auges ermöglicht eine scharfe Darstellung der Inhalte innerhalb des Griffbereiches des Mitarbeiters. Zur Realisierung dieses Ansatzes wird in dieser Arbeit ein multikamerabasiertes Verfahren zur automatischen Adaptierung der Optikbrennweite vorgeschlagen. Für die Brennweitenadaptierung wird ein Ansatz zur Pupillendetektion in Kombination mit einer 3D-Umgebungskamera vorgestellt. Da geläufige Algorithmen zur Pupillendetektion nicht für die Verwendung auf eingebetteten Systemen optimiert sind, wird der Schwerpunkt auf die Entwicklung eines geeigneten ressourcenarmen Algorithmus gelegt. Die nötige Relation zwischen dem menschlichen Auge und der 3D-Kamera wird dabei über einen Ansatz der mehrstufigen Ebenenkalibrierung realisiert. Die gewonnenen 3D-Tiefeninformationen werden anschließend mithilfe einer adaptiven Flüssiglinse zur Brennweitenjustierung der Optik genutzt. Da aktuell keine Datenbrillen mit den genannten Komponenten erhältlich sind, wurde eine eigenes Konzept realisiert. Die später beabsichtigte Anwendung soll dem Nutzer dabei Informationen zur Umsetzung aktueller Aufgaben anzeigen und diese direkt auf die Brennweite des Auges anpassen, um dessen kognitive Belastung zu reduzieren.:1 Einleitung 1 1.1 Aktueller Stand der Technik 2 1.2 Systemübersicht 6 1.3 Inhaltliche Gliederung 8 1.4 Wissenschaftlicher Beitrag 9 2 Theoretische Vorbetrachtungen 11 2.1 Augmentierte Realität 11 2.1.1 Übersicht 11 2.1.2 Videoaufnahme in Echtzeit 13 2.1.3 Tracking 13 2.1.4 Registrierung 15 2.1.5 Visuelle Ausgabemöglichkeiten 16 2.1.6 Eye-Tracking in AR 17 2.2 Das menschliche Auge 18 2.2.1 Anatomie 19 2.2.2 Das Auge als dioptrischer Apparat 22 2.2.3 Die Pupille 25 2.2.4 Verhaltensanalyse des Auges 26 2.2.5 Die retinale Signalverarbeitung 27 2.3 3D-Umgebungen 29 2.3.1 Kameramodell 29 2.3.2 Stereoskopie 32 2.3.3 Strukturiertes Licht 37 2.3.4 Time of Flight 39 3 Entwurf einer AR-Datenbrille mit blickpunktabhängiger Brennweitenadaptierung 42 3.1 Gesamtsystem 42 3.2 Infrarotbeleuchtung für die Eye-Tracking-Kamera 44 3.2.1 Gefährdung der Kornea durch IR-A Strahlen 47 3.2.2 Thermische Netzhautgefährdung – schwacher visueller Reiz 48 3.2.3 Überprüfung der Einhaltung der Grenzwerte der selektierten IR-LED 50 3.3 Optisches System 53 3.4 Adaptive Linse 55 3.5 3D-Umgebungskamera 56 3.6 Recheneinheit 58 4 Eye-Tracking 59 4.1 Einleitung 59 4.2 Voruntersuchungen 64 4.3 Eye-Tracking-Algorithmus „Fast Ellipse Fitting “(FEF) 67 4.3.1 Stand der Forschung 67 4.3.2 Übersicht 69 4.3.3 Schwellwertapproximation 70 4.3.4 ROI-Findung / hochaufgelöste Schwellwertsuche 72 4.3.5 Pupillendetektion 75 4.3.6 Anfälligkeiten 76 4.4 Validierung 81 4.5 Zusammenfassung 85 4.6 Diskussion 86 5 Blickpunktschätzung 87 5.1 Einleitung 87 5.2 2D-Blickpunktschätzung 89 5.2.1 Einleitung 89 5.2.2 Evaluierung 92 5.3 3D-Blickpunktschätzung 100 5.3.1 Stand der Technik 100 5.3.2 Aufnahme von Kalibrierungspunkten im 3D-Raum 103 5.3.3 Algorithmen zur 3D-Blickpunktschätzung 104 5.3.4 Evaluierung 108 5.4 Zusammenfassung 111 5.5 Diskussion 111 6 Blickpunktanalyse 113 6.1 Filterung der Augenbewegungen/Glint-Vektoren 113 6.1.1 Stand der Forschung 113 6.1.2 Glättung der Glint-Vektoren 116 6.2 Blickpunktauswertung 117 6.2.1 Display-Steuerung 119 6.2.2 Eye-Tracking zur Informationsergänzung 125 6.2.3 Validierung der 3D-Blickpunktschätzung 131 6.3 Zusammenfassung 135 6.4 Diskussion 136 7 Zusammenfassung 138 8 Ausblick 140 9 Literaturverzeichnis 142 A Anhang 151

Im Rahmen der Dissertation wurde Gestaltungswissen für Datenbrillen-basierte Informationssysteme erarbeitet. Dazu wurde primär dem gestaltungsorientierten Forschungsparadigma, welches von besonderer Relevanz für die konstruktionsorientierte deutsche Wirtschaftsinformatik ist, gefolgt. Die beiden Technologien Smart Glasses sowie Virtual Reality-Brillen wurden zur Untersuchung herangezogen und diverse Artefakte konstruiert, um vier Forschungsfragen beantworten zu können. Eine Sonderstellung nehmen die drei vorgestellten Implementierungen von Informationssystemen zur Aufnahme von Prozessen, der prozessorientierten Unterstützung von Technikern vor Ort und der Aus- und Weiterbildung von Technikern in virtuellen Lernszenarien ein.