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]

Die Erinnerung an die Lebensgeschichte der Gräfin Cosel verdanken wir den Literaten. Wie bei nur wenigen Personen der sächsischen Geschichte vermischen sich dabei Mythos und Wahrheit, Legenden und Wirklichkeit. Der ausführliche Aufsatz zeichnet den Weg dieser Überlieferung von den Anfängen noch zu Lebzeiten der Gräfin bis in die Gegenwart nach und zeigt, wie sich jede Epoche ihre Cosel schuf.

Virtuelle Umgebungen werden seit einigen Jahren erfolgreich für die motorische Rehabilitation von PatientInnen nach einem Schlaganfall eingesetzt. Moderne Sensoren erfassen die Bewegungen der PatientInnen und stellen die Informationen digitalisiert für die weitere Verarbeitung bereit. In einer computergenerierten Welt wird dann die Durchführung motorischer Übungen visualisiert und mit motivierenden, spielerischen Elementen angereichert. Heute verfügbare Systeme zeigen vor allem natürlich anmutende Umgebungen an, in denen mit realistischen Objekten interagiert wird. Beispielsweise kann die Aufgabenstellung für die PatientInnen sein, heranfliegende Spielbälle über die Steuerung virtueller Arme zu fangen. Das Potential des digitalen Mediums für die Gestaltung virtueller Welten wird bislang jedoch noch nicht vollständig ausgenutzt. Neuere Erkenntnisse über die neurologischen Prozesse motorischer Aktionen führten zur Entwicklung eines therapeutischen Verfahrens, bei dem die visuelle Wahrnehmung von Bewegungen die betroffenen Hirnregionen von SchlaganfallpatientInnen trainiert. Hierfür ist die Verwendung virtueller Umgebungen besonders vielversprechend, weil die Bewegungsvisualisierungen durch algorithmische Transformationen beliebig gestaltet werden können. Abstrakte und ästhetisch ansprechende Darstellungsformen können die wesentlichen Bewegungsinformationen enthalten und die Durchführung der Übungen gleichzeitig interessant und motivierend erscheinen lassen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher ein Therapiesystem entwickelt, welches abstrakte visuelle Effekte als Reaktion auf Bewegungen anzeigt. PatientInnen nach einem Schlaganfall trainieren mit diesem System die motorischen Fähigkeiten ihrer oberen Extremitäten. Die virtuelle Umgebung kann dabei die Effekte sowohl entsprechend der Bewegungen der beiden Körperseiten anzeigen oder aber die Bewegungen der gesunden Körperseite im Sinne einer Spiegelung zusätzlich für die Darstellung auf der betroffenen Seite verwenden. Bei der zweiten Variante, der Spiegelung, wird eine Illusion von korrekter Bewegungsausführung auf der betroffenen Seite erzeugt. Diese unterstützt die motorische Rehabilitation. In einer Pilotstudie im klinischen Kontext erwies sich das Therapiesystem als einsetzbar und die Ergebnisse deuteten auf positive Effekte des Trainings auf die motorische Rehabilitation, die Motivation und das Selbstbewusstsein der PatientInnen hin. Damit demonstriert die Arbeit das Potential einer an den intrinsischen Eigenschaften des digitalen Mediums orientierten Gestaltung von Bewegungsvisualisierungen für die neurologische Rehabilitation. Eine solche Gestaltung ermöglicht es, völlig neue und effektive Therapieformen anzubieten, die ohne den Einsatz der Technologie nicht realisierbar wären.

Hintergrund: Die Simulation wichtiger Handgriffe und Techniken in der Chirurgie wurde bereits seit der Antike praktiziert. Pflanzen, Menschen- und Tierkadaver, Puppen sowie Phantome haben seit Jahrhunderten diesem Zweck gedient. Das 21. Jahrhundert ist jedoch von virtueller Realität geprägt und es gibt viele technische Neuerungen in der Chirurgie. Erste virtuelle Simulationsmöglichkeiten tauchten auf dem Markt bereits im 20. Jahrhundert auf. Zuerst nur schwarzweiß, rudimentär und nur andeutungsweise einer echten Situation im OP-Saal ähnlich, überzeugen die heutigen Simulatoren durch schnelle Prozessoren, qualitative graphische Darstellung und haptisches Feedback. Der Simulator selbst wird zum Forschungsobjekt, endlich können in Simulationsbedingungen Fragestellungen untersucht werden, die bisher unter Operationsbedingungen weder ethisch vertretbar noch technisch möglich waren. Fragestellung: Zwischen 2016 und 2017 fand am VTG Klinikum des Universitätsklinikums der TU Dresden Carl Gustav Carus eine Studie am chirurgischen Simulator für virtuelle Realität statt. Die untersuchte Fragestellung war die Übertragbarkeit von Fertigkeiten zwischen zwei laparoskopischen Operationen: Appendektomie und Cholezystektomie. Material und Methode: Es wurden 44 Studierende aus dem 3. bis 6. Studienjahr rekrutiert und in zwei Gruppen rand-omisiert. Beide Gruppen übten zunächst die Basisübungen bis bestimmte Leistungskriterien erfüllt wurden. Danach haben Probanden der ersten Gruppe die virtuelle Appendektomie und im Anschluss die virtuelle Cholezystektomie trainiert. Die zweite Gruppe ging sofort zum Cholezystektomie Training über. In beiden Gruppen wurden zum Schluss jeweils drei Wiederholungen der kompletten Cholezystektomie absolviert. Verglichen wurden Geschwindigkeit, Sicherheitsparameter wie z. B. aufgetretene Komplikationen sowie Motorik-Parameter der Instrumente. Des Weiteren wurde der mögliche Einfluss von Schlafverhalten, Koffeinkonsum und Erfahrung mit Videospielen auf die Leistung am Simulator untersucht. Ergebnisse: In der statistischen Analyse zeigte die erste Gruppe eine signifikante Verbesserung der Moto-rik-Parameter wie Instrumentenbewegungen und -strecke. Andere Werte wie Geschwindigkeit und Sicherheitsparameter waren innerhalb der zwei Gruppen ähnlich. Zwischen Schlaf-verhalten, Koffeinkonsum und Erfahrung mit Videospielen und der Leistung am Simulator konnte kein Zusammenhang festgestellt werden. Schlussfolgerungen: Die Studie ergab nur einen partiellen Übertragungseffekt zwischen laparoskopischer Appendektomie und Cholezystektomie. Die Gründe liegen in den jeweils unterschiedlichen Schlüsselmomenten, die die Beherrschung prozedurspezifischer Techniken erfordern. Diese müssen für jede Prozedur separat geübt werden. Die Verbesserung der feinmotorischen Fähigkeiten spricht jedoch dafür, dass eine Übertragung der Fertigkeiten bis zu einem gewissen Grad dennoch stattfand und durch das Trainieren einer zusätzlichen Modalität Vorteile insbesondere in der Bewegungsökonomie gewonnen werden können.:Inhaltsverzeichnis 3 Abkürzungsverzeichnis 7 1. Einleitung 8 1.1 Einblick in die Geschichte der chirurgischen Simulation 8 1.2 Entwicklung chirurgischer Simulatoren 9 1.3 Einsatz der Laparoskopie-Simulatoren in der heutigen chirurgischen Ausbildung 11 1.4 Übertragbarkeit von Fähigkeiten in der minimal invasiven Chirurgie 13 1.5 Laparoskopische Appendektomie und Cholezystektomie 17 1.5.1 Laparoskopische Appendektomie 17 1.5.2 Laparoskopische Cholezystektomie 18 1.6 Sonstige Aspekte des Trainings 19 1.6.1 Kriterien-basiertes Training 19 1.6.2 Betreuerfeedback 19 1.6.3 Leistung unter Beobachtung 20 1.6.4 Leistung unter Simulationsbedingungen 20 1.6.5.1 Schlafdauer 20 1.6.5.2 Kaffeekonsum 21 1.6.5.3 Motivation 21 1.6.5.4 Erfahrung mit Videospielen 22 2. Materialen und Methoden 23 2.1 Fragestellung 23 2.2 Ablauf der MIC Studie 24 2.3. Probandenrekrutierung 25 2.4 Lap Mentor von Simbionix (3D Systems) 27 2.5 Trainingsprotokolle am VRT-Simulator 28 2.5.1 Organisatorische Aspekte 28 2.5.2 Leistungsfeedback am VRT-Simulator 28 2.5.3 Training der Basis-Fertigkeiten (Basic Skills Training) 29 2.5.3.1 Peg Transfer 31 2.5.3.2 Clipping and Grasping 32 2.5.3.3 Electrocautery 33 2.5.3.4 Cutting 34 2.5.3.5 Pattern Cutting: Training Gauze 35 2.5.4 Training der Appendektomie Prozedur 36 2.5.5 Training der Cholezystektomie Prozedur 39 2.5.6 Subjektiver Schwierigkeitsgrad 43 2.6 Statistische Auswertung 44 3. Ergebnisse 45 3.1. Zusammenfassung der Probandencharakteristiken 45 3.2 Alter und Geschlecht der Probanden 45 3.3 Fragebogen 46 3.3.1 Schlaf 46 3.3.2 Kaffeekonsum 48 3.3.3 Motivation 49 3.3.4 Erfahrung mit Videospielen 50 3.3.5 Einflussfaktoren auf das Basistraining 50 3.4 Allgemeine Ergebnisse des Trainings am VRT Simulator 51 3.5 Ergebnisse des Trainings der Basis-Fertigkeiten 52 3.5.1 Peg Transfer 52 3.5.2 Clipping and Grasping 53 3.5.3 Electrocautery 54 3.5.4 Cutting 55 3.5.5 Pattern Cutting (Test Gauze) 56 3.5.6 Subjektiver Schwierigkeitsgrad für die Basis-Übungen 57 3.5.7. Zeitbedarf für das Erreichen der Könner-Kriterien 59 3.6 Ergebnisse des Appendektomie Trainings 60 3.7 Ergebnisse der Cholezystektomie Komplettprozedur 61 3.7.1 Geschwindigkeit 61 3.7.2 Sicherheitskriterien 62 3.7.2.1 Anzahl lebensbedrohlicher Komplikationen 62 3.7.2.2 Sichere Kauterisation 63 3.7.2.3 Anzahl verlorener Clips 63 3.7.2.4 Anzahl der Leberperforationen 64 3.7.2.5 Anzahl nicht kauterisierter Blutungen 64 3.7.3 Effizienz Kriterien 64 3.7.3.1 Anzahl der Instrumentenbewegungen 64 3.7.3.2 Gesamtstrecke der Instrumente 65 3.7.4 Subjektiver Schwierigkeitsgrad für die Cholezystektomie 65 3.7.5 Zeit für Basis Training und Cholezystektomie Parameter 65 4. Diskussion 67 4.1 Der Begriff des Übertragungsphänomens in Sportwissenschaften und seine Anwendbarkeit auf die laparoskopischen Fertigkeiten 67 4.2 Übertragbarkeit von Fertigkeiten zwischen virtueller Appendektomie und Cholezystektomie und Vergleich mit anderen Studien 74 4.3 Exploration zweitrangiger Fragestellungen 78 4.4 Vergleich zentraler Tendenzen der Cholezystektomie-Parameter mit Hersteller-Kriterien und externen Studien 79 4.5 Schlussfolgerungen aus dem Training der Basis-Fertigkeiten 81 4.6 Schlussfolgerungen aus dem Appendektomie Training 82 4.7 Schlussfolgerungen aus dem Cholezystektomie Training 83 4.8 Empfehlungen für das Ausbildungscurriculum an einem VR Simulator 85 4.9 Vorschlag für das Anfängertraining an einem VRT Simulator 91 4.10 Limitierungen der Arbeit 92 4.11 Ausblick 93 5. Zusammenfassung 94 5.1 Summary 96 6. Literatur 98 6.1 Abbildungsverzeichnis 106 6.2 Tabellenverzeichnis 108 7. Anhang 109 7.1 Probandenrandomisierung 109 7.2 Probandeninformationsblatt 110 7.3 Einwilligungserklärung 112 7.4 Beispiel Teilnahmebescheinigung 114 7.5 Zusammenfassung der aufgetretenen Softwarefehler am Lap Mentor II 115 8. Danksagung 116 9. Eigenständigkeitserklärung 117 Anlage 1 118 Anlage 2 120 / Background: Simulation of important surgical procedures and techniques has been practiced since ancient times. Plants, human and animal cadavers, dolls and phantoms have served this purpose for hundreds of years. However, the 21st century is characterized by virtual reality and there are also many technical innovations in the field of surgery. The first virtual simulation possibilities appeared on the market in the 20th century. Initially only black and white, rudimentary and only suggestively similar to a real situation in the operating room, today's simulators convince with fast processors, qualitative graphical representation and haptic feedback. The simulator itself becomes an object of research. At last, questions can be investigated in simulation conditions that were previously neither ethically nor technically possible under operating conditions. Hypothesis: Between 2016 and 2017, at the VTG clinic of the Carl Gustav Carus University Hospital of the TU Dresden a study using a surgical simulator for virtual reality took place. The question investigated was the transferability of skills between two laparoscopic procedures: appendectomy and cholecystectomy. Methods: 44 students from the 3rd to 6th year of study were recruited and randomly divided into two groups. Both groups initially practiced the basic exercises until certain criteria were met. Afterwards, the first group practiced virtual appendectomy and then virtual cholecystectomy. The second group immediately moved on to cholecystectomy training. In both groups, three repetitions of the complete cholecystectomy were completed in the end. Speed, safety parameters such as complications that occurred and efficiency parameters of the instruments were compared. Furthermore, the possible influence of sleep behavior, caffeine consumption and experience with video games on simulator performance was investigated. Results: In the statistical analysis, the first group showed a significant reduction in the efficiency parameters such as instrument movements and distance travelled. Other values like speed and safety parameters were similar within two groups. There was no correlation between sleep behavior, caffeine consumption and experience with video games and simulator performance. Conclusion: The study showed only a partial skill transfer between laparoscopic appendectomy and cholecystectomy. The reasons are the different key moments that require the mastery of procedure-specific techniques. These must be practiced separately for each procedure. However, the improvement of fine motor skills indicates, that by training an additional modality a skill transfer nevertheless took place to a certain degree and that advantages, especially in the economy of movement, were gained.:Inhaltsverzeichnis 3 Abkürzungsverzeichnis 7 1. Einleitung 8 1.1 Einblick in die Geschichte der chirurgischen Simulation 8 1.2 Entwicklung chirurgischer Simulatoren 9 1.3 Einsatz der Laparoskopie-Simulatoren in der heutigen chirurgischen Ausbildung 11 1.4 Übertragbarkeit von Fähigkeiten in der minimal invasiven Chirurgie 13 1.5 Laparoskopische Appendektomie und Cholezystektomie 17 1.5.1 Laparoskopische Appendektomie 17 1.5.2 Laparoskopische Cholezystektomie 18 1.6 Sonstige Aspekte des Trainings 19 1.6.1 Kriterien-basiertes Training 19 1.6.2 Betreuerfeedback 19 1.6.3 Leistung unter Beobachtung 20 1.6.4 Leistung unter Simulationsbedingungen 20 1.6.5.1 Schlafdauer 20 1.6.5.2 Kaffeekonsum 21 1.6.5.3 Motivation 21 1.6.5.4 Erfahrung mit Videospielen 22 2. Materialen und Methoden 23 2.1 Fragestellung 23 2.2 Ablauf der MIC Studie 24 2.3. Probandenrekrutierung 25 2.4 Lap Mentor von Simbionix (3D Systems) 27 2.5 Trainingsprotokolle am VRT-Simulator 28 2.5.1 Organisatorische Aspekte 28 2.5.2 Leistungsfeedback am VRT-Simulator 28 2.5.3 Training der Basis-Fertigkeiten (Basic Skills Training) 29 2.5.3.1 Peg Transfer 31 2.5.3.2 Clipping and Grasping 32 2.5.3.3 Electrocautery 33 2.5.3.4 Cutting 34 2.5.3.5 Pattern Cutting: Training Gauze 35 2.5.4 Training der Appendektomie Prozedur 36 2.5.5 Training der Cholezystektomie Prozedur 39 2.5.6 Subjektiver Schwierigkeitsgrad 43 2.6 Statistische Auswertung 44 3. Ergebnisse 45 3.1. Zusammenfassung der Probandencharakteristiken 45 3.2 Alter und Geschlecht der Probanden 45 3.3 Fragebogen 46 3.3.1 Schlaf 46 3.3.2 Kaffeekonsum 48 3.3.3 Motivation 49 3.3.4 Erfahrung mit Videospielen 50 3.3.5 Einflussfaktoren auf das Basistraining 50 3.4 Allgemeine Ergebnisse des Trainings am VRT Simulator 51 3.5 Ergebnisse des Trainings der Basis-Fertigkeiten 52 3.5.1 Peg Transfer 52 3.5.2 Clipping and Grasping 53 3.5.3 Electrocautery 54 3.5.4 Cutting 55 3.5.5 Pattern Cutting (Test Gauze) 56 3.5.6 Subjektiver Schwierigkeitsgrad für die Basis-Übungen 57 3.5.7. Zeitbedarf für das Erreichen der Könner-Kriterien 59 3.6 Ergebnisse des Appendektomie Trainings 60 3.7 Ergebnisse der Cholezystektomie Komplettprozedur 61 3.7.1 Geschwindigkeit 61 3.7.2 Sicherheitskriterien 62 3.7.2.1 Anzahl lebensbedrohlicher Komplikationen 62 3.7.2.2 Sichere Kauterisation 63 3.7.2.3 Anzahl verlorener Clips 63 3.7.2.4 Anzahl der Leberperforationen 64 3.7.2.5 Anzahl nicht kauterisierter Blutungen 64 3.7.3 Effizienz Kriterien 64 3.7.3.1 Anzahl der Instrumentenbewegungen 64 3.7.3.2 Gesamtstrecke der Instrumente 65 3.7.4 Subjektiver Schwierigkeitsgrad für die Cholezystektomie 65 3.7.5 Zeit für Basis Training und Cholezystektomie Parameter 65 4. Diskussion 67 4.1 Der Begriff des Übertragungsphänomens in Sportwissenschaften und seine Anwendbarkeit auf die laparoskopischen Fertigkeiten 67 4.2 Übertragbarkeit von Fertigkeiten zwischen virtueller Appendektomie und Cholezystektomie und Vergleich mit anderen Studien 74 4.3 Exploration zweitrangiger Fragestellungen 78 4.4 Vergleich zentraler Tendenzen der Cholezystektomie-Parameter mit Hersteller-Kriterien und externen Studien 79 4.5 Schlussfolgerungen aus dem Training der Basis-Fertigkeiten 81 4.6 Schlussfolgerungen aus dem Appendektomie Training 82 4.7 Schlussfolgerungen aus dem Cholezystektomie Training 83 4.8 Empfehlungen für das Ausbildungscurriculum an einem VR Simulator 85 4.9 Vorschlag für das Anfängertraining an einem VRT Simulator 91 4.10 Limitierungen der Arbeit 92 4.11 Ausblick 93 5. Zusammenfassung 94 5.1 Summary 96 6. Literatur 98 6.1 Abbildungsverzeichnis 106 6.2 Tabellenverzeichnis 108 7. Anhang 109 7.1 Probandenrandomisierung 109 7.2 Probandeninformationsblatt 110 7.3 Einwilligungserklärung 112 7.4 Beispiel Teilnahmebescheinigung 114 7.5 Zusammenfassung der aufgetretenen Softwarefehler am Lap Mentor II 115 8. Danksagung 116 9. Eigenständigkeitserklärung 117 Anlage 1 118 Anlage 2 120

One of the central goals of design is the creation of experiences that are rated favorably in the intended application context. User expectations play an integral role in tactile product quality and tactile plausibility judgments alike. In the vibrotactile authoring process for virtual environments, vibra-tion is created to match the user’s expectations of the presented situational context. Currently, inefficient trial and error approaches attempt to match expectations implicitly. A more efficient, model-driven procedure based explicitly on tactile user expectations would thus be beneficial for author-ing vibrations. In everyday life, we are frequently exposed to various whole-body vibrations. Depending on their temporal and spectral proper-ties we intuitively associate specific perceptual properties such as “tin-gling”. This suggests a systematic relationship between physical parame-ters and perceptual properties. To communicate with potential users about such elicited or expected tactile properties, a standardized design language is proposed. It contains a set of sensory tactile perceptual attributes, which are sufficient to characterize the perceptual space of vibration encountered in everyday life. This design language enables the assessment of quantita-tive tactile perceptual specifications by laypersons that are elicited in situational contexts such as auditory-visual-tactile vehicle scenes. Howev-er, such specifications can also be assessed by providing only verbal de-scriptions of the content of these scenes. Quasi identical ratings observed for both presentation modes suggest that tactile user expectations can be quantified even before any vibration is presented. Such expected perceptu-al specifications are the prerequisite for a subsequent translation into phys-ical vibration parameters. Plausibility can be understood as a similarity judgment between elicited features and expected features. Thus, plausible vibration can be synthesized by maximizing the similarity of the elicited perceptual properties to the expected perceptual properties. Based on the observed relationships between vibration parameters and sensory tactile perceptual attributes, a 1-nearest-neighbor model and a regression model were built. The plausibility of the vibrations synthesized by these models in the context of virtual auditory-visual-tactile vehicle scenes was validat-ed in a perceptual study. The results demonstrated that the perceptual spec-ifications obtained with the design language are sufficient to synthesize vibrations, which are perceived as equally plausible as recorded vibrations in a given situational context. Overall, the demonstrated design method can be a new, more efficient tool for designers authoring vibrations for virtual environments or creating tactile feedback. The method enables further automation of the design process and thus potential time and cost reductions.:Preface III Abstract V Zusammenfassung VII List of Abbreviations XV 1 Introduction 1 1.1 General Introduction 1 1.1 Objectives of the Thesis 4 1.2 Structure of the Thesis 4 2. Tactile Perception in Real and Virtual Environments 7 2.1 Tactile Perception as a Multilayered Process 7 2.1.1 Physical Layer 8 2.1.2 Mechanoreceptor Layer 9 2.1.3 Sensory Layer 19 2.1.4 Affective Layer 26 2.2 Perception of Virtual Environments 29 2.2.1 The Place Illusion 29 2.2.2 The Plausibility Illusion 31 2.3 Approaches for the Authoring of Vibrations 38 2.3.1 Approaches on the Physical Layer 38 2.3.2 Approaches on the Mechanoreceptor Layer 40 2.3.3 Approaches on the Sensory Layer 40 2.3.4 Approaches on the Affective Layer 43 2.4 Summary 43 3. Research Concept 47 3.1 Research Questions 47 3.1.1 Foundations of the Research Concept 47 3.1.2 Research Concept 49 3.2 Limitations 50 4. Development of the Experimental Setup 53 4.1 Hardware 53 4.1.1 Optical Reproduction System 53 4.1.2 Acoustical Reproduction System 54 4.1.3 Whole-Body Vibration Reproduction System 56 4.2 Software 64 4.2.1 Combination of Reproduction Systems for Unimodal and Multimodal Presentation 64 4.2.2 Conducting Perceptual Studies 65 5. Assessment of a Sensory Tactile Design Language for Characterizing Vibration 67 5.1.1 Design Language Requirements 67 5.1.2 Method to Assess the Design Language 69 5.1.3 Goals of this Chapter 70 5.2 Tactile Stimuli 72 5.2.1 Generalization into Excitation Patterns 72 5.2.2 Definition of Parameter Values of the Excitation Patterns 75 5.2.3 Generation of the Stimuli 85 5.2.4 Summary 86 5.3 Assessment of the most relevant Sensory Tactile Perceptual Attributes 86 5.3.1 Experimental Design 87 5.3.2 Participants 88 5.3.3 Results 88 5.3.4 Aggregation and Prioritization 89 5.3.5 Summary 91 5.4 Identification of the Attributes forming the Design Language 92 5.4.1 Experimental Design 93 5.4.2 Participants 95 5.4.3 Results 95 5.4.4 Selecting the Elements of the Sensory Tactile Design Language 106 5.4.5 Summary 109 5.5 Summary and Discussion 109 5.5.1 Summary 109 5.5.2 Discussion 111 6. Quantification of Expected Properties with the Sensory Tactile Design Language 115 6.1 Multimodal Stimuli 116 6.1.1 Selection of the Scenes 116 6.1.2 Recording of the Scenes 117 6.1.3 Recorded Stimuli 119 6.2 Qualitative Communication in the Presence of Vibration 123 6.2.1 Experimental Design 123 6.2.2 Participants 124 6.2.3 Results 124 6.2.4 Summary 126 6.3 Quantitative Communication in the Presence of Vibration 126 6.3.1 Experimental Design 127 6.3.2 Participants 127 6.3.3 Results 127 6.3.4 Summary 129 6.4 Quantitative Communication in the Absence of Vibration 129 6.4.1 Experimental Design 130 6.4.2 Participants 132 6.4.3 Results 132 6.4.4 Summary 134 6.5 Summary and Discussion 135 7. Synthesis Models for the Translation of Sensory Tactile Properties into Vibration 137 7.1 Formalization of the Tactile Plausibility Illusion for Models 139 7.1.1 Formalization of Plausibility 139 7.1.2 Model Boundaries 143 7.2 Investigation of the Influence of Vibration Level on Attribute Ratings 144 7.2.1 Stimuli 145 7.2.2 Experimental Design 145 7.2.3 Participants 146 7.2.4 Results 146 7.2.5 Summary 148 7.3 Comparison of Modulated Vibration to Successive Impulse-like Vibration 148 7.3.1 Stimuli 149 7.3.2 Experimental Design 151 7.3.3 Participants 151 7.3.4 Results 151 7.3.5 Summary 153 7.4 Synthesis Based on the Discrete Estimates of a k-Nearest-Neighbor Classifier 153 7.4.1 Definition of the K-Nearest-Neighbor Classifier 154 7.4.2 Analysis Model 155 7.4.3 Synthesis Model 156 7.4.4 Interpolation of acceleration level for the vibration attribute profile pairs 158 7.4.5 Implementation of the Synthesis 159 7.4.6 Advantages and Disadvantages 164 7.5 Synthesis Based on the Quasi-Continuous Estimates of Regression Models 166 7.5.1 Overall Model Structure 168 7.5.2 Classification of the Excitation Pattern with a Support Vector Machine 171 7.5.3 General Approach to the Regression Models of each Excitation Pattern 178 7.5.4 Synthesis for the Impulse-like Excitation Pattern 181 7.5.5 Synthesis for the Bandlimited White Gaussian Noise Excitation Pattern 187 7.5.6 Synthesis for the Amplitude Modulated Sinusoidal Excitation Pattern 193 7.5.7 Synthesis for the Sinusoidal Excitation Pattern 199 7.5.8 Implementation of the Synthesis 205 7.5.9 Advantages and Disadvantages of the Approach 208 7.6 Validation of the Synthesis Models 210 7.6.1 Stimuli 212 7.6.2 Experimental Design 212 7.6.3 Participants 214 7.6.4 Results 214 7.6.5 Summary 219 7.7 Summary and Discussion 219 7.7.1 Summary 219 7.7.2 Discussion 222 8. General Discussion and Outlook 227 Acknowledgment 237 References 237 / Eines der zentralen Ziele des Designs von Produkten oder virtuellen Um-gebungen ist die Schaffung von Erfahrungen, die im beabsichtigten An-wendungskontext die Erwartungen der Benutzer erfüllen. Gegenwärtig versucht man im vibrotaktilen Authoring-Prozess mit ineffizienten Trial-and-Error-Verfahren, die Erwartungen an den dargestellten, virtuellen Situationskontext implizit zu erfüllen. Ein effizienteres, modellgetriebenes Verfahren, das explizit auf den taktilen Benutzererwartungen basiert, wäre daher von Vorteil. Im Alltag sind wir häufig verschiedenen Ganzkörper-schwingungen ausgesetzt. Abhängig von ihren zeitlichen und spektralen Eigenschaften assoziieren wir intuitiv bestimmte Wahrnehmungsmerkmale wie z.B. “kribbeln”. Dies legt eine systematische Beziehung zwischen physikalischen Parametern und Wahrnehmungsmerkmalen nahe. Um mit potentiellen Nutzern über hervorgerufene oder erwartete taktile Eigen-schaften zu kommunizieren, wird eine standardisierte Designsprache vor-geschlagen. Sie enthält eine Menge von sensorisch-taktilen Wahrneh-mungsmerkmalen, die hinreichend den Wahrnehmungsraum der im Alltag auftretenden Vibrationen charakterisieren. Diese Entwurfssprache ermög-licht die quantitative Beurteilung taktiler Wahrnehmungsmerkmale, die in Situationskontexten wie z.B. auditiv-visuell-taktilen Fahrzeugszenen her-vorgerufen werden. Solche Wahrnehmungsspezifikationen können jedoch auch bewertet werden, indem der Inhalt dieser Szenen verbal beschrieben wird. Quasi identische Bewertungen für beide Präsentationsmodi deuten darauf hin, dass die taktilen Benutzererwartungen quantifiziert werden können, noch bevor eine Vibration präsentiert wird. Die erwarteten Wahr-nehmungsspezifikationen sind die Voraussetzung für eine anschließende Übersetzung in physikalische Schwingungsparameter. Plausible Vibratio-nen können synthetisiert werden, indem die erwarteten Wahrnehmungs-merkmale hervorgerufen werden. Auf der Grundlage der beobachteten Beziehungen zwischen Schwingungs¬parametern und sensorisch-taktilen Wahrnehmungsmerkmalen wurden ein 1-Nearest-Neighbor-Modell und ein Regressionsmodell erstellt. Die Plausibilität der von diesen Modellen synthetisierten Schwingungen im Kontext virtueller, auditorisch-visuell-taktiler Fahrzeugszenen wurde in einer Wahrnehmungsstudie validiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die mit der Designsprache gewonnenen Wahr-nehmungsspezifikationen ausreichen, um Schwingungen zu synthetisieren, die in einem gegebenen Situationskontext als ebenso plausibel empfunden werden wie aufgezeichnete Schwingungen. Die demonstrierte Entwurfsme-thode stellt ein neues, effizienteres Werkzeug für Designer dar, die Schwingungen für virtuelle Umgebungen erstellen oder taktiles Feedback für Produkte erzeugen.:Preface III Abstract V Zusammenfassung VII List of Abbreviations XV 1 Introduction 1 1.1 General Introduction 1 1.1 Objectives of the Thesis 4 1.2 Structure of the Thesis 4 2. Tactile Perception in Real and Virtual Environments 7 2.1 Tactile Perception as a Multilayered Process 7 2.1.1 Physical Layer 8 2.1.2 Mechanoreceptor Layer 9 2.1.3 Sensory Layer 19 2.1.4 Affective Layer 26 2.2 Perception of Virtual Environments 29 2.2.1 The Place Illusion 29 2.2.2 The Plausibility Illusion 31 2.3 Approaches for the Authoring of Vibrations 38 2.3.1 Approaches on the Physical Layer 38 2.3.2 Approaches on the Mechanoreceptor Layer 40 2.3.3 Approaches on the Sensory Layer 40 2.3.4 Approaches on the Affective Layer 43 2.4 Summary 43 3. Research Concept 47 3.1 Research Questions 47 3.1.1 Foundations of the Research Concept 47 3.1.2 Research Concept 49 3.2 Limitations 50 4. Development of the Experimental Setup 53 4.1 Hardware 53 4.1.1 Optical Reproduction System 53 4.1.2 Acoustical Reproduction System 54 4.1.3 Whole-Body Vibration Reproduction System 56 4.2 Software 64 4.2.1 Combination of Reproduction Systems for Unimodal and Multimodal Presentation 64 4.2.2 Conducting Perceptual Studies 65 5. Assessment of a Sensory Tactile Design Language for Characterizing Vibration 67 5.1.1 Design Language Requirements 67 5.1.2 Method to Assess the Design Language 69 5.1.3 Goals of this Chapter 70 5.2 Tactile Stimuli 72 5.2.1 Generalization into Excitation Patterns 72 5.2.2 Definition of Parameter Values of the Excitation Patterns 75 5.2.3 Generation of the Stimuli 85 5.2.4 Summary 86 5.3 Assessment of the most relevant Sensory Tactile Perceptual Attributes 86 5.3.1 Experimental Design 87 5.3.2 Participants 88 5.3.3 Results 88 5.3.4 Aggregation and Prioritization 89 5.3.5 Summary 91 5.4 Identification of the Attributes forming the Design Language 92 5.4.1 Experimental Design 93 5.4.2 Participants 95 5.4.3 Results 95 5.4.4 Selecting the Elements of the Sensory Tactile Design Language 106 5.4.5 Summary 109 5.5 Summary and Discussion 109 5.5.1 Summary 109 5.5.2 Discussion 111 6. Quantification of Expected Properties with the Sensory Tactile Design Language 115 6.1 Multimodal Stimuli 116 6.1.1 Selection of the Scenes 116 6.1.2 Recording of the Scenes 117 6.1.3 Recorded Stimuli 119 6.2 Qualitative Communication in the Presence of Vibration 123 6.2.1 Experimental Design 123 6.2.2 Participants 124 6.2.3 Results 124 6.2.4 Summary 126 6.3 Quantitative Communication in the Presence of Vibration 126 6.3.1 Experimental Design 127 6.3.2 Participants 127 6.3.3 Results 127 6.3.4 Summary 129 6.4 Quantitative Communication in the Absence of Vibration 129 6.4.1 Experimental Design 130 6.4.2 Participants 132 6.4.3 Results 132 6.4.4 Summary 134 6.5 Summary and Discussion 135 7. Synthesis Models for the Translation of Sensory Tactile Properties into Vibration 137 7.1 Formalization of the Tactile Plausibility Illusion for Models 139 7.1.1 Formalization of Plausibility 139 7.1.2 Model Boundaries 143 7.2 Investigation of the Influence of Vibration Level on Attribute Ratings 144 7.2.1 Stimuli 145 7.2.2 Experimental Design 145 7.2.3 Participants 146 7.2.4 Results 146 7.2.5 Summary 148 7.3 Comparison of Modulated Vibration to Successive Impulse-like Vibration 148 7.3.1 Stimuli 149 7.3.2 Experimental Design 151 7.3.3 Participants 151 7.3.4 Results 151 7.3.5 Summary 153 7.4 Synthesis Based on the Discrete Estimates of a k-Nearest-Neighbor Classifier 153 7.4.1 Definition of the K-Nearest-Neighbor Classifier 154 7.4.2 Analysis Model 155 7.4.3 Synthesis Model 156 7.4.4 Interpolation of acceleration level for the vibration attribute profile pairs 158 7.4.5 Implementation of the Synthesis 159 7.4.6 Advantages and Disadvantages 164 7.5 Synthesis Based on the Quasi-Continuous Estimates of Regression Models 166 7.5.1 Overall Model Structure 168 7.5.2 Classification of the Excitation Pattern with a Support Vector Machine 171 7.5.3 General Approach to the Regression Models of each Excitation Pattern 178 7.5.4 Synthesis for the Impulse-like Excitation Pattern 181 7.5.5 Synthesis for the Bandlimited White Gaussian Noise Excitation Pattern 187 7.5.6 Synthesis for the Amplitude Modulated Sinusoidal Excitation Pattern 193 7.5.7 Synthesis for the Sinusoidal Excitation Pattern 199 7.5.8 Implementation of the Synthesis 205 7.5.9 Advantages and Disadvantages of the Approach 208 7.6 Validation of the Synthesis Models 210 7.6.1 Stimuli 212 7.6.2 Experimental Design 212 7.6.3 Participants 214 7.6.4 Results 214 7.6.5 Summary 219 7.7 Summary and Discussion 219 7.7.1 Summary 219 7.7.2 Discussion 222 8. General Discussion and Outlook 227 Acknowledgment 237 References 237

How congruence cues and congruence-based expectations may together shape perception in virtual reality (VR) still need to be unravelled. We linked the concept of plausibility used in VR research with congruence-based modulation by assessing brain responses while participants experienced vehicle riding experiences in VR scenarios. Perceptual plausibility was manipulated by sensory congruence, with multisensory stimulations confirming with common expectations of road scenes being plausible. We hypothesized that plausible scenarios would elicit greater cortical responses. The results showed that: (i) vibrotactile stimulations at expected intensities, given embedded audio-visual information, engaged greater cortical activities in frontal and sensorimotor regions; (ii) weaker plausible stimulations resulted in greater responses in the sensorimotor cortex than stronger but implausible stimulations; (iii) frontal activities under plausible scenarios negatively correlated with plausibility violation costs in the sensorimotor cortex. These results potentially indicate frontal regulation of sensory processing and extend previous evidence of contextual modulation to the tactile sense.

Werkzeugmaschinen besitzen als Produktionsmittel einen wesentlichen Anteil an der Gesamtheit der industriellen Produktion. Als Investitionsgut muss eine hohe Verfügbarkeit und lange Lebensdauer erzielt werden, die durch einen optimalen Instandhaltungsprozess abgesichert werden muss. Durch die immer höheren Anforderungen an die Produktion neuer Produkte werden Werkzeugmaschinen jedoch komplexer und individueller, das zu aufwendigeren und komplizierteren Instandhaltungsprozessen führt. Dazu muss der Instandhalter komplexere Tätigkeiten ausführen, die Spezialwissen verlangen und höheres Potenzial für Fehler besitzen. Zur Verbesserung des Instandhaltungsprozesses werden neben der technischen Dokumentation der Werkzeugmaschine neue digitale Methoden, wie die Augmented Reality (AR), eingesetzt. Dabei entstehen neue Problemfelder, da entsprechend viel Fachwissen des Instandhaltungsplaners erforderlich ist, der Einsatz der neuen Technologie eine hohe Komplexität aufweist und der Planungsprozess einen erheblichen Aufwand zur individuellen Anpassung an die jeweilige Werkzeugmaschine erfordert. In dieser Arbeit werden der Instandhaltungsplanungsprozess von Werkzeugmaschinen unter Nutzung der AR-Technologie analysiert und neue Methoden und Konzepte zur Integration verschiedener AR-Komponenten sowie Unternehmenssysteme und -daten in den Planungsprozess entwickelt, die anhand verschiedener Instandhaltungsszenarien verifiziert werden.:Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation zur Anwendung der Augmented Reality bei der Instandhaltung von Werkzeugmaschinen 1.2 Problemstellung des Einsatzes der Augmented Reality bei der Instandhaltung von Werkzeugmaschinen 2 Stand der Technik 2.1 Instandhaltung von Werkzeugmaschinen 2.1.1 Die Werkzeugmaschine als Instandhaltungsobjekt 2.1.2 Begriff der Instandhaltung 2.1.3 Maßnahmen zur Instandhaltung 2.1.4 Technische Dokumentation für die Instandhaltung 2.1.5 Diskussion bestehender technischer Dokumentationsformen 2.2 Augmented Reality 2.2.1 Entwicklung der Augmented Reality 2.2.2 Merkmale der Augmented Reality 2.2.3 Hard- und Software-Komponenten der Augmented Reality 2.2.4 Technische Anwendungsgebiete der Augmented Reality 2.2.5 Frameworks für Augmented-Reality-Anwendungen 2.2.6 Erstellungskonzepte für Augmented-Reality-Anwendungen 2.3 Augmented Reality in der Instandhaltung von Werkzeugmaschinen 2.3.1 Vorteile der Nutzung von Augmented Reality in der Instandhaltung 2.3.2 Augmented-Reality-Nutzungskonzepte für die Instandhaltung 2.3.3 Augmented-Reality-Erstellungskonzepte für die Instandhaltung 2.3.4 Diskussion bestehender Augmented-Reality-Erstellungskonzepte 2.4 Zusammenfassung Stand der Technik 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 3.1 Zielsetzung 3.2 Vorgehensweise 4 Methode zur Integration der Augmented Reality in die Instandhaltung 4.1 Anforderungen an die Augmented-Reality-basierte Instandhaltung 4.1.1 Anforderungen an die Augmented-Reality-Anwendung 4.1.2 Anforderungen an die Augmented-Reality-Komponenten 4.1.3 Anforderungen an die Instandhaltungsdokumentation 4.1.4 Anforderungen an den Instandhaltungsplanungsprozess 4.2 Konzept des Augmented-Reality-Systems zur Instandhaltung 4.2.1 Konzept des Instandhaltungsplanungsprozesses 4.2.2 Konzept des Augmented-Reality-Gesamtsystems 4.3 Integration von Augmented-Reality-Komponenten 4.3.1 Kamerabild 4.3.2 Tracking 4.3.3 Visualisierung 4.3.4 Interaktion 4.4 Integration von Produktionsdaten 4.4.1 CAD-Anwendung 4.4.2 Dokumentationsanwendung für die Instandhaltung 4.4.3 PDM-System 4.5 Integration von Maschinendaten 4.5.1 Manufacturing Execution System 4.5.2 Maschinensteuerung 5 Verifikation der Methode 5.1 Vorgehensweise der Verifikation 5.2 Definition der Instandhaltungsszenarien 5.2.1 Instandhaltungsszenario A: Dreh-Fräs-Bearbeitungszentrum 5.2.2 Instandhaltungsszenario B: Drahtziehmaschine 5.3 Anwendung der Methode auf die Instandhaltungsszenarien 5.3.1 Instandhaltungsszenario A: Dreh-Fräs-Bearbeitungszentrum 5.3.2 Instandhaltungsszenario B: Drahtziehmaschine 5.4 Auswertung der Methode 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis

Die Verbindung von Robotern mit Virtual Reality (VR) zur Echtzeitvisualisierung stellt eine erhebliche Programmierherausforderung dar. Dieser Vortrag zeigt einen vereinfachten Ansatz unter Verwendung des Robot Operating System (ROS), einer Open-Source-Plattform, die diese Aufgabe erleichtert. Durch den Einsatz von ROS kann der Programmieraufwand deutlich reduzieren werden, indem vorhandene Pakete für eine nahtlose Integration von Robotern und VR genutzt werden. In dieser Präsentation wird schrittweise erläutert, wie diese Verbindung realisiert wird, was neue Möglichkeiten in der Visualisierung und Steuerung von Robotern mit minimalem Programmieraufwand erschließt. Diese Methode ebnet den Weg für innovative Anwendungen in Robotik und VR und bietet praktische Einblicke für Entwickler und Forscher. / Connecting robots with Virtual Reality (VR) for real-time visualization poses a significant programming challenge. This presentation demonstrates a simplified approach using the Robot Operating System (ROS), an open-source platform that facilitates this task. By utilizing ROS, the programming effoit can be significantly reduced by leveraging existing packages for seamless robot-VR integration. This presentation will explain step-by-step how this connection can be realized, opening new possibilities in visualization and control of robots with minimal programming effort. This method paves the way for innovative applications in robotics and VR, providing practical insights for developers and researchers.