Motion capture is the process to record the movement of a human. To accomplish this, a hybrid tracking system is used. It combines an optic tracking system with a magnetic one to compensate shortcomings and effectively use their advantages. Another part of this work copes with the conversion of the tracking data into skeletal information and related topics like skeleton definition, skeleton fitting or parameterization of joint rotations. / Mittels Motion Capture werden die Bewegungen eines Menschen in computerlesbare Form überführt. Dazu wird ein hybrides Trackingsystem verwendet, das durch Kombination eines optischen mit einem magnetischen System entsteht und die Schwächen der Einzelsysteme kompensiert. Neben der Realisierung dieses Hybridsystems steht die Übertragung der gewonnenen Bewegungsdaten auf ein Skelettmodell und damit verbundene Fragen, wie Skelettdefinition, Skelettanpassung oder Beschränkung der Gelenkrotationen im Vordergrund.

Kinematic approaches of motion generation use joint angles of a specified kinematic skeleton to describe poses and consider motions as sequences of poses. The progression functions, i.e. the functions describing the angular values of the joints over time are usually obtained by motion capturing. So far, approaches to synthesize these functions have only been able to create motions with strong artificial visual appearance. In this paper we present a novel method for generating gait motions from synthesized progression functions. Our method is based on the key observation that the progression functions of the joints involved in gait motions show certain characteristic shapes. Based on empirical evaluations we describe these shapes for all progression functions needed to generate walking movements. Furthermore, we analyze the variation of the described shapes depending on stride length and walking speed. Polynomial splines are used to define functions that mimic the shapes of progression functions and can be easily controlled via the spline parameters. We develop a model that describes how to change the parameters of the splines according to the rules of shape variation observed on empirical data in order to adjust stride length and walking speed. Our method can be used to generate walking motions of virtual characters with user provided stride length or walking speed. To evaluate our method we compare synthesized gait motions with recorded ones. A numerical evaluation shows that the maximal joint displacement between captured and synthesized motions lies within the range of variability of natural human walking.

Die Dissertation untersucht grundlegende psychologische Faktoren für die Nutzbarmachung der Potentiale von Virtueller Realität für die chirurgische Ausbildung und Medizinprodukteentwicklung.:I Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................................... 4 II Abbildungsverzeichnis..................................................................................................................... 5 1 Einführung in die Thematik ............................................................................................................. 6 1.1 Einsatz von Virtual Reality in Medizin und Chirurgie .............................................................. 6 1.1.1 Virtual Reality für chirurgisches Training und Telechirurgie ........................................... 6 1.1.2 Virtual Reality in der Therapie und Rehabilitation.......................................................... 7 1.2 Presence, User Experience und Usability ................................................................................ 8 1.2.1 Begriffe ............................................................................................................................ 8 1.2.2 Verwendete Messmethoden für Presence, User Experience und Usability ................. 10 1.3 Potentiale von Virtual Reality in der Medizinproduktentwicklung....................................... 11 1.4 Motivation und Ziele der Arbeit............................................................................................ 13 1.5 Experimenteller Aufbau ........................................................................................................ 16 1.5.1 Studienaufbau ............................................................................................................... 16 1.5.2 Experimentaltechnik...................................................................................................... 20 2 Publikationsmanuskripte............................................................................................................... 22 2.1 Brade, J., Lorenz, M. et al. (2017). Being there again – Presence in real and virtual environments and its relation to usability and user experience using a mobile navigation task..... 22 2.2 Lorenz, M. et al. (2018). Presence and User Experience in a Virtual Environment under the Influence of Ethanol: An Explorative Study....................................................................................... 35 2.3 Diskussion.............................................................................................................................. 51 3 Zusammenfassung der Arbeit ....................................................................................................... 53 3.1 Hintergrund ........................................................................................................................... 53 3.2 Ziele ....................................................................................................................................... 53 3.3 Methoden.............................................................................................................................. 54 3.4 Ergebnisse.............................................................................................................................. 54 3.5 Schlussfolgerungen................................................................................................................ 55 4 Literaturverzeichnis....................................................................................................................... 56 III Darstellung des eigenen Beitrags.................................................................................................. 64 IV Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit............................................................... 66 V Wissenschaftliche Veröffentlichungen und Vorträge ................................................................... 67 VI Danksagung ................................................................................................................................... 73

The analysis of heterogeneous, complex data sets has become important in many scientific domains. With the help of scientific visualization, researchers can be supported in exploring their research results. One domain, where researchers have to deal with spatio-temporal data from different sources including simulation, observation and time-independent data, is meteorology. In this thesis, a concept and workflow for the 3D visualization of meteorological data was developed in cooperation with domain experts. Three case studies have been conducted based on the developed concept. In addition, the concept has been enhanced based on the experiences gained from the case studies. In contrast to existing all-in-one software applications, the proposed workflow employs a combination of existing software applications and their extensions to make a variety of already implemented visualization algorithms available. The workflow provides methods for data integration and for abstraction of the data as well as for generating representations of the variables of interest. Solutions for visualizing sets of variables, comparing results of multiple simulation runs and results of simulations based on different models are presented. The concept includes the presentation of the visualization scenes in virtual reality environments for a more comprehensible display of multifaceted data. To enable the user to navigate within the scenes, some interaction functionality was provided to control time, camera, and display of objects. The proposed methods have been selected with respect to the requirements defined in cooperation with the domain experts and have been verified with user tests. The developed visualization methods are used to analyze and present recent research results as well as for educational purposes. As the proposed approach uses generally applicable concepts, it can also be applied for the analysis of scientific data from other disciplines. / In nahezu allen Wissenschaftsdisziplinen steigt der Umfang erhobener Daten. Diese sind oftmals heterogen und besitzen eine komplexe Struktur, was ihre Analyse zu einer Herausforderung macht. Die wissenschaftliche Visualisierung bietet hier Möglichkeiten, Wissenschaftler bei der Untersuchung ihrer Forschungsergebnisse zu unterstützen. Eine der Disziplinen, in denen räumlich-zeitliche Daten aus verschiedenen Quellen inklusive Simulations- und Observationsdaten eine Rolle spielen, ist die Meteorologie. In dieser Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Experten der Meteorologie ein Konzept und ein Workflow für die 3D-Visualisierung meteorologischer Daten entwickelt. Dabei wurden drei Fallstudien erarbeitet, die zum einen auf dem erstellten Konzept beruhen und zum anderen durch die während der Fallstudie gesammelten Erfahrungen das Konzept erweiterten. Der Workflow besteht aus einer Kombination existierender Software sowie Erweiterungen dieser. Damit wurden Funktionen zur Verfügung gestellt, die bei anderen Lösungsansätzen in diesem Bereich, die oft nur eine geringere Anzahl an Funktionalität bieten, nicht zur Verfügung stehen. Der Workflow beinhaltet Methoden zur Datenintegration sowie für die Abstraktion und Darstellung der Daten. Es wurden Lösungen für die Visualisierung einer Vielzahl an Variablen sowie zur vergleichenden Darstellung verschiedener Simulationsläufe und Simulationen verschiedener Modelle präsentiert. Die generierten Visualisierungsszenen wurden mit Hilfe von 3D-Geräten, beispielsweise eine Virtual-Reality-Umgebung, dargestellt. Die stereoskopische Projektion bietet dabei die Möglichkeit, diese komplexen Daten mit verbessertem räumlichem Eindruck darzustellen. Um dem Nutzer eine umfassende Analyse der Daten zu ermöglichen, wurden eine Reihe von Funktionen zur Interaktion zur Verfügung gestellt, um beispielsweise Zeit, Kamera und die Anzeige von 3D-Objekten zu steuern. Das Konzept und der Workflow wurden entsprechend der Anforderungen entwickelt, die zusammen mit Fachexperten definiert wurden. Des Weiteren wurden die Anwendungen in verschiedenen Entwicklungsstadien durch Nutzer getestet und deren Feedback in die Entwicklung einbezogen. Die Ergebnisse der Fallstudien wurden von den Wissenschaftlern benutzt, um ihre Daten zu analysieren, sowie diese zu präsentieren und in der Lehre einzusetzen. Da der vorgeschlagene Workflow allgemein anwendbare Konzepte beinhaltet, kann dieser auch für die Analyse wissenschaftlicher Daten anderer Disziplinen verwendet werden.

Weltweit führende Hersteller von Markenprodukten sind ihrem Anspruch verpflichtet, Benchmark der Branche für Qualität, Design, Innovation und Gebrauchswert ihrer Produkte zu sein. Dieses Ziel zu wettbewerbsfähigen Preisen und in immer kürzeren Innovationszyklen zu erreichen, ist kein zufälliges Ergebnis, sondern das Resultat visionärer Unternehmensstrategien, die schon früh auf standardisierte Produktentstehungsprozesse und durchgängige, unterstützende IT-Systeme im Rahmen eines konsequenten Product Lifecycle Management (PLM) setzen.

PLM-Strategien stehen heute vor der Herausforderung, immer größere und vor allem auch immer komplexer vernetzte Informationen über Produkte nicht nur, wie im Rahmen von klassischen PDM-Lösungen üblich, weitgehend auf mechanische Komponenten beschränkt für die Produktentwicklung zu verwalten, sondern Lösungen für den gesamten Produktlebenszyklus bereitzustellen. Dabei müssen zum einen vielfältige mechatronische Komponenten (Mechanik, Elektrik, Elektronik und Software), große Komponentenzahlen, tiefe Strukturen, große Variantenvielfalt sowie z.B. auch servicebezogene Informationen abgebildet werden. Zum anderen sind diese Informationen im Kontext einer verteilten Nutzung (collaborative engineering) von der Anforderungsdefinition über die frühen Entwicklungsphasen (front loading) bis zur Wartungsunterstützung bereitzustellen.

The explorative examination of constructed 3D models in immersive environments requires suitable user-centric interaction methods. Especially novel concepts for virtual camera control can offer advantages, e.g. for the analysis of model details. We extend the known concept of the camera-in-hand metaphor and implement a multidimensional viewport control technique that can be used with common head-mounted displays and VR-controllers. With our head-in-hand view the user is able to control the virtual camera directly by hand without losing the flexibility of head movements. To ensure convenient operation, the method restricts special rotation parameters and smoothes jerky gestures of the user hand. Inaddition, we discuss implications and improvement potential of the proposed concept as well as adverse effects on the user, such as motion sickness.

Im Rahmen des leitenden Themas „Kinder auf der Flucht“ soll der Film „In This World“ als ein geeignetes Medium dienen, eine Filmanalyse unter Betrachtung medienpädagogischer Mittel vorzunehmen. Die mehrfach prämierte Semi-Dokumentation vermag die Realität unserer politischen Welt so mit Fiktion und Inszenierung zu verbinden, dass eine klare Trennung vom Zuschauer nicht mehr eindeutig auszumachen ist. Die dadurch überzeugende Darstellung der globalen Wirklichkeit bezieht sich auf eine Problematik, die trotz gesellschaftlicher Kritik oft unausgesprochen bleibt: vom Krieg und dessen Folgen, die in erster Linie die Unschuldigen oder Unbeteiligten solcher Auseinandersetzungen betreffen.

Heutige industrielle Produktentstehungsprozesse basieren in weiten Teilen auf dem Einsatz digitaler Methoden, weshalb man oft von Virtuellen Produktentstehungsprozessen (VPE) spricht (Stark et al., 2011). In diesen Prozessen können häufig Elemente bekannter Vorgehensmodelle wie der VDI 2221 (VDI-2221, 1993) oder des V-Modells (Rausch, 2006; VDI-2206, 2003) wiedergefunden werden. Die im Rahmen der Produktentstehung getätigten Entwicklungsentscheidungen werden regelmäßig in sogenannten Design-Reviews geprüft und ggf. weiterentwickelt. Solche Design-Reviews sind typischerweise interdisziplinär z. B. mit Ingenieuren, Designern und Mitgliedern der Geschäftsführung besetzt (Fu & East, 1999). Sie dienen als Element der Qualitätskontrolle und können Ideengeber für konstruktive Lösungen und Entwicklungsimpulse sein. Dabei werden beispielsweise grundsätzliche Entscheidungen zur Auswahl von Varianten getroffen, die Gestaltung konstruktiver Details erörtert oder die Möglichkeit des Ein- und Ausbaus von Produktelementen im Servicefall getestet. Die Verwendung virtueller statt physischer Prototypen bietet dabei einen Zeit- und Kostenvorteil (Spur & Krause, 1997). In Teilbereichen des Produktentwicklungsprozesses, in denen Materialität eine wesentliche Rolle spielt, finden physische Modelle und Prototypen weiterhin Verwendung; zum Beispiel werden Tonmodelle nach wie vor im Fahrzeugdesign eingesetzt (Daimler-AG, 2008).

Augmented Reality (AR) Anwendungen finden zunehmend den Weg auf Smartphones und Tablets und etablieren sich stetig weiter in unseren Alltag. Bislang waren spezielle Drittanbieter-Entwicklungsumgebungen (SDKs) wie Vuforia für die Entwicklung von AR Anwendungen notwendig, um die teils komplexe Erkennung von Objekten und Umgebungen für eine positionsgetreue Darstellung von Texten und virtuellen 3D-Modellen zu ermöglichen. Heutet bieten die Hersteller der mobilen Betriebssysteme eigene SDKs, wie z.B. Google mit ARCore für eine Reihe von Smartphones und Tablets auf Android-Basis, an. Apple kaufte 2015 die Firma metaio, welche bis dato eines der leistungsstärksten AR-SDKs angeboten hat. Seit 2017 ist das SDK vollständig in das Betriebssystem integriert und lässt sich von jedem Entwickler wie jede andere Standardfunktionalität des Betriebssystems nutzen [...] Ermöglicht wird die virtuelle Positionierung über die visuell-inertiale Odometrie (VIO), bei den markanten Punkten in jedem einzelnen Kamerabild des Videostreams der Smartphone Kamera verglichen und zusätzlich mit den detektierten Bewegungen über die integrierte Bewegungs-und Beschleunigungssensoren des Smartphones abgleichen werden. Durch dieses Verfahren lassen sich digitale, dreidimensionale Abbilder der Umgebung erzeugen, ohne spezielle Kameras mit Tiefensensoren oder Stereokameras nutzen zu müssen. Die Nutzung von AR erfreut sich unter den Anwendern immer größerer Beliebtheit. Dabei ist den Anwendern häufig nicht klar, dass die anfallenden Daten, welche durch die VIO generiert werde, auch Auswertungen ermöglichen, die einen erheblichen Eingriff in die Privatsphäre bedeuten. [... aus der Einleitung]