Fußverkehr findet im gesamten öffentlichen Raum statt und ermöglicht die lückenlose Verbindung von Tür zu Tür. Jeder Mensch steht vor Beginn einer Fortbewegung vor den Fragen „Wo bin ich?“, „Wo liegt mein Ziel?“ und „Wie komme ich dahin?“. Ein Großteil der auf dem Markt befindlichen Navigationssysteme für Fußgänger stellen reduzierte Varianten aus Fahrzeugen dar und basieren auf 2D- Kartendarstellungen oder bilden die Realität als dreidimensionales Modell ab. Navigationsprobleme entstehen dann, wenn es dem Nutzer nicht gelingt, die Information aus der Anweisung auf die Wirklichkeit zu beziehen und umzusetzen. Ein möglicher Grund dafür liegt in der Visualisierung der Navigationsanweisung. Die räumliche Wahrnehmung des Menschen erfolgt ausgehend von einem bestimmten Betrachtungsstandpunkt und bringt die Lage von Objekten und deren Beziehung zueinander zum Ausdruck. Der Einsatz von Augmented Reality (erweiterte Realität) entspricht dem Erscheinungsbild der menschlichen Wahrnehmung und ist für Menschen eine natürliche und zugleich vertraute Ansichtsform. Im Unterschied zu kartographischer Visualisierung wird die Umwelt mittels Augmented Reality nicht modelliert, sondern realitätsgetreu abgebildet und ergänzt. Das Ziel dieser Arbeit ist ein Navigationsverfahren, das der natürlichen Fort-bewegung und Sichtweise von Fußgängern gerecht wird. Das Konzept basiert auf dem Einsatz einer Kombination aus Realität und virtueller Realität zu einer erweiterten Ansicht. Da keine Darstellungsform als die Route selbst besser geeignet ist, um einen Routenverlauf zu beschreiben, wird die Realität durch eine virtuelle Route erweitert. Die perspektivische Anpassung der Routendarstellung erfordert die sensorische Erfassung der Position und Lage des Betrachtungsstandpunktes. Das der Navigation zu Grunde liegende Datenmodell bleibt dem Betrachter dabei verborgen und ist nur in Form der erweiterten Realität sichtbar. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Prototyp trägt die Bezeichnung RealityView. Die Basis bildet ein freies und quelloffenes Navigationssystem, das für die Fußgängernavigation modular erweitert wurde. Das Ergebnis ist ein smartphonebasierter Navigationsprototyp, in dem die Ansichtsform einer zweidimensionalen Bildschirmkarte im Grundriss und die Darstellung einer erweiterten Realität im Aufriss kombiniert werden. Die Evaluation des Prototyps bestätigt die Hypothese, dass der Einsatz von Augmented Reality für die Navigation von Fußgängern möglich ist und von der Nutzergruppe akzeptiert wird. Darüber hinaus bescheinigen Wissenschaftler im Rahmen von Experten-interviews den konzeptionellen Ansatz und die prototypische Umsetzung des RealityView. Die Auswertung einer Eye-Tracking-Pilotstudie erbrachte den Nachweis, dass Fußgänger die Navigationsanweisung auf markante Objekte der Umwelt beziehen, deren Auswahl durch den Einsatz von Augmented Reality begünstigt wird. / Pedestrian traffic takes place in public spaces and provides a seamless connection from door to door. Right before the start of a movement, every human being faces the following questions "Where am I?", "What is my goal?" and "How do I get there?". Existing navigation systems for pedestrians are based on 2D map representations or depict reality as a three-dimensional model. As a result, the majority of the systems on the market for pedestrians are smaller versions of vehicle navigation systems. Navigation problems can occur if the user is unable to relate the information of an instruction to reality and cannot implement it. One possible reason for this is the visualization of the navigation instruction. Peoples spatial perception takes place from their own perspective and shows how objects are positioned and how they are related to each other. The use of Augmented Reality corresponds to the appearance of human perception, and this is a natural and yet familiar view. Compared to cartographic visualization techniques reality is not modeled but mapped realistically and refers to the environment. The concept of this thesis is directly linked to the current state of research and examines the use of a simple method and target group-oriented representation, which meets the natural movement of pedestrians. Its central focus is the combination of reality and virtual reality to a common view. This view will be extended by a virtual route representation, which follows the route course in reality. No other form of representation is better suited to explain the course of a route than the route itself. The perspective adjustment and the calculation of the virtual image scene require a data model, which remains hidden from the viewer and only appears in form of a virtual route. The navigation prototype, which is developed in this study, is based on Augmented Reality and is called RealityView. Its base is a free and open source navigation platform, which was expanded modularly into a pedestrian navigation system. The result is a smartphone-based navigation prototype, which combines the two forms of a two-dimensional screen map in plan with the illustration of an Augmented Reality in elevation. The validation of the prototype confirms the hypothesis that the use of Augmented Reality for pedestrian navigation is possible and is also accepted by the user group. In addition, in interviews with experts scientists have confirmed the conceptual approach and the implementation of the RealityView-prototype. The evaluation of an eye-tracking pilot study proved that the use of Augmented Reality favors the selection of prominent objects in the environment.

Die rasante Weiterentwicklung der Technik eröffnet vielen Lebens- und Wirtschaftsbereichen völlig neue Möglichkeiten. So ist die stetige Verbesserung von mobilen Geräten auch ein Gewinn für die Kartographie. Im Bereich der erweiterten Realität sind dazu schon einige Anwendungen entwickelt worden. Diese Arbeit stellt verschiedene Augmented Reality Anwendungen vor, nicht nur aus dem Gebiet der Kartographie, sondern aus allen Lebensbereichen. Ein besonderes Augenmerk soll dabei auf der Anwendung mit mobilen Endgeräten liegen. Entstanden ist aus dieser Arbeit ein Campusführer, der nur die Namen der Gebäude anzeigt, welche der Nutzer von seiner Position aus auch tatsächlich sehen kann. Hierfür werden in der Arbeit Sichtbarkeitsanalysen im Allgemeinen und im Speziellen für GIS-Programme untersucht und vorgestellt. Auch die Beschriftung im dreidimensionalen Raum und auf dem Bildschirm von mobilen Geräten wird überblickshaft dargestellt. Abschließend wird der Campusführer getestet und bewertet sowie ein Fazit zum Thema Augmented Reality auf mobilen Endgeräten gegeben. / Undreamed-of possibilities in many areas of life and also in different economic sectors emerge owing to the rapid enhancement of technology. The constant advancement of mobile devices is also a gain for cartography. In this field some augmented reality applications have already been developed. In this thesis some augmented reality applications, not only with cartographic references, are introduced. Special attention is paid to their use on mobile devices. Furthermore a campus-guide is developed, which only displays the points of interest actually seen from the user's position. For this purpose the concept of viewsheds is introduced and examined both in general terms and especially in the use of GIS-programs. The labeling in a three-dimensional scene and on the screen of mobile devices is shortly discussed as well. Moving on, the campus-guide is tested and evaluated. Also a conclusion on the topic of augmented reality with mobile devices is given.

Die vorliegende Arbeit untersucht das Potenzial von Augmented Reality zur Verbesserung von Image Retrieval Prozessen. Herausforderungen in Design und Gebrauchstauglichkeit wurden für beide Forschungsbereiche dargelegt und genutzt, um Designziele für Konzepte zu entwerfen. Eine Taxonomie für Image Retrieval in Augmented Reality wurde basierend auf der Forschungsarbeit entworfen und eingesetzt, um verwandte Arbeiten und generelle Ideen für Interaktionsmöglichkeiten zu strukturieren. Basierend auf der Taxonomie wurden Anwendungsszenarien als weitere Anforderungen für Konzepte formuliert. Mit Hilfe der generellen Ideen und Anforderungen wurden zwei umfassende Konzepte für Image Retrieval in Augmented Reality ausgearbeitet. Eins der Konzepte wurde auf einer Microsoft HoloLens umgesetzt und in einer Nutzerstudie evaluiert. Die Studie zeigt, dass das Konzept grundsätzlich positiv aufgenommen wurde und bietet Erkenntnisse über unterschiedliches Verhalten im Raum und verschiedene Suchstrategien bei der Durchführung von Image Retrieval in der erweiterten Realität. / The present work investigates the potential of augmented reality for improving the image retrieval process. Design and usability challenges were identified for both fields of research in order to formulate design goals for the development of concepts. A taxonomy for image retrieval within augmented reality was elaborated based on research work and used to structure related work and basic ideas for interaction. Based on the taxonomy, application scenarios were formulated as further requirements for concepts. Using the basic interaction ideas and the requirements, two comprehensive concepts for image retrieval within augmented reality were elaborated. One of the concepts was implemented using a Microsoft HoloLens and evaluated in a user study. The study showed that the concept was rated generally positive by the users and provided insight in different spatial behavior and search strategies when practicing image retrieval in augmented reality.

Die vorliegende Arbeit untersucht das Potenzial von Augmented Reality zur Verbesserung von Image Retrieval Prozessen. Herausforderungen in Design und Gebrauchstauglichkeit wurden für beide Forschungsbereiche dargelegt und genutzt, um Designziele für Konzepte zu entwerfen. Eine Taxonomie für Image Retrieval in Augmented Reality wurde basierend auf der Forschungsarbeit entworfen und eingesetzt, um verwandte Arbeiten und generelle Ideen für Interaktionsmöglichkeiten zu strukturieren. Basierend auf der Taxonomie wurden Anwendungsszenarien als weitere Anforderungen für Konzepte formuliert. Mit Hilfe der generellen Ideen und Anforderungen wurden zwei umfassende Konzepte für Image Retrieval in Augmented Reality ausgearbeitet. Eins der Konzepte wurde auf einer Microsoft HoloLens umgesetzt und in einer Nutzerstudie evaluiert. Die Studie zeigt, dass das Konzept grundsätzlich positiv aufgenommen wurde und bietet Erkenntnisse über unterschiedliches Verhalten im Raum und verschiedene Suchstrategien bei der Durchführung von Image Retrieval in der erweiterten Realität.:1 Introduction 1.1 Motivation and Problem Statement 1.1.1 Augmented Reality and Head-Mounted Displays 1.1.2 Image Retrieval 1.1.3 Image Retrieval within Augmented Reality 1.2 Thesis Structure 2 Foundations of Image Retrieval and Augmented Reality 2.1 Foundations of Image Retrieval 2.1.1 Definition of Image Retrieval 2.1.2 Classification of Image Retrieval Systems 2.1.3 Design and Usability in Image Retrieval 2.2 Foundations of Augmented Reality 2.2.1 Definition of Augmented Reality 2.2.2 Augmented Reality Design and Usability 2.3 Taxonomy for Image Retrieval within Augmented Reality 2.3.1 Session Parameters 2.3.2 Interaction Process 2.3.3 Summary of the Taxonomy 3 Concepts for Image Retrieval within Augmented Reality 3.1 Related Work 3.1.1 Natural Query Specification 3.1.2 Situated Result Visualization 3.1.3 3D Result Interaction 3.1.4 Summary of Related Work 3.2 Basic Interaction Concepts for Image Retrieval in Augmented Reality 3.2.1 Natural Query Specification 3.2.2 Situated Result Visualization 3.2.3 3D Result Interaction 3.3 Requirements for Comprehensive Concepts 3.3.1 Design Goals 3.3.2 Application Scenarios 3.4 Comprehensive Concepts 3.4.1 Tangible Query Workbench 3.4.2 Situated Photograph Queries 3.4.3 Conformance of Concept Requirements 4 Prototypic Implementation of Situated Photograph Queries 4.1 Implementation Design 4.1.1 Implementation Process 4.1.2 Structure of the Implementation 4.2 Developer and User Manual 4.2.1 Setup of the Prototype 4.2.2 Usage of the Prototype 4.3 Discussion of the Prototype 5 Evaluation of Prototype and Concept by User Study 5.1 Design of the User Study 5.1.1 Usability Testing 5.1.2 Questionnaire 5.2 Results 5.2.1 Logging of User Behavior 5.2.2 Rating through Likert Scales 5.2.3 Free Text Answers and Remarks during the Study 5.2.4 Observations during the Study 5.2.5 Discussion of Results 6 Conclusion 6.1 Summary of the Present Work 6.2 Outlook on Further Work / The present work investigates the potential of augmented reality for improving the image retrieval process. Design and usability challenges were identified for both fields of research in order to formulate design goals for the development of concepts. A taxonomy for image retrieval within augmented reality was elaborated based on research work and used to structure related work and basic ideas for interaction. Based on the taxonomy, application scenarios were formulated as further requirements for concepts. Using the basic interaction ideas and the requirements, two comprehensive concepts for image retrieval within augmented reality were elaborated. One of the concepts was implemented using a Microsoft HoloLens and evaluated in a user study. The study showed that the concept was rated generally positive by the users and provided insight in different spatial behavior and search strategies when practicing image retrieval in augmented reality.:1 Introduction 1.1 Motivation and Problem Statement 1.1.1 Augmented Reality and Head-Mounted Displays 1.1.2 Image Retrieval 1.1.3 Image Retrieval within Augmented Reality 1.2 Thesis Structure 2 Foundations of Image Retrieval and Augmented Reality 2.1 Foundations of Image Retrieval 2.1.1 Definition of Image Retrieval 2.1.2 Classification of Image Retrieval Systems 2.1.3 Design and Usability in Image Retrieval 2.2 Foundations of Augmented Reality 2.2.1 Definition of Augmented Reality 2.2.2 Augmented Reality Design and Usability 2.3 Taxonomy for Image Retrieval within Augmented Reality 2.3.1 Session Parameters 2.3.2 Interaction Process 2.3.3 Summary of the Taxonomy 3 Concepts for Image Retrieval within Augmented Reality 3.1 Related Work 3.1.1 Natural Query Specification 3.1.2 Situated Result Visualization 3.1.3 3D Result Interaction 3.1.4 Summary of Related Work 3.2 Basic Interaction Concepts for Image Retrieval in Augmented Reality 3.2.1 Natural Query Specification 3.2.2 Situated Result Visualization 3.2.3 3D Result Interaction 3.3 Requirements for Comprehensive Concepts 3.3.1 Design Goals 3.3.2 Application Scenarios 3.4 Comprehensive Concepts 3.4.1 Tangible Query Workbench 3.4.2 Situated Photograph Queries 3.4.3 Conformance of Concept Requirements 4 Prototypic Implementation of Situated Photograph Queries 4.1 Implementation Design 4.1.1 Implementation Process 4.1.2 Structure of the Implementation 4.2 Developer and User Manual 4.2.1 Setup of the Prototype 4.2.2 Usage of the Prototype 4.3 Discussion of the Prototype 5 Evaluation of Prototype and Concept by User Study 5.1 Design of the User Study 5.1.1 Usability Testing 5.1.2 Questionnaire 5.2 Results 5.2.1 Logging of User Behavior 5.2.2 Rating through Likert Scales 5.2.3 Free Text Answers and Remarks during the Study 5.2.4 Observations during the Study 5.2.5 Discussion of Results 6 Conclusion 6.1 Summary of the Present Work 6.2 Outlook on Further Work

While teleoperation of technical highly sophisticated systems has already been a wide field of research, especially for space and robotics applications, the automation industry has not yet benefited from its results. Besides the established fields of application, also production lines with industrial robots and the surrounding plant components are in need of being remotely accessible. This is especially critical for maintenance or if an unexpected problem cannot be solved by the local specialists. Special machine manufacturers, especially robotics companies, sell their technology worldwide. Some factories, for example in emerging economies, lack qualified personnel for repair and maintenance tasks. When a severe failure occurs, an expert of the manufacturer needs to fly there, which leads to long down times of the machine or even the whole production line. With the development of data networks, a huge part of those travels can be omitted, if appropriate teleoperation equipment is provided. This thesis describes the development of a telemaintenance system, which was established in an active production line for research purposes. The customer production site of Braun in Marktheidenfeld, a factory which belongs to Procter & Gamble, consists of a six-axis cartesian industrial robot by KUKA Industries, a two-component injection molding system and an assembly unit. The plant produces plastic parts for electric toothbrushes. In the research projects "MainTelRob" and "Bayern.digital", during which this plant was utilised, the Zentrum für Telematik e.V. (ZfT) and its project partners develop novel technical approaches and procedures for modern telemaintenance. The term "telemaintenance" hereby refers to the integration of computer science and communication technologies into the maintenance strategy. It is particularly interesting for high-grade capital-intensive goods like industrial robots. Typical telemaintenance tasks are for example the analysis of a robot failure or difficult repair operations. The service department of KUKA Industries is responsible for the worldwide distributed customers who own more than one robot. Currently such tasks are offered via phone support and service staff which travels abroad. They want to expand their service activities on telemaintenance and struggle with the high demands of teleoperation especially regarding security infrastructure. In addition, the facility in Marktheidenfeld has to keep up with the high international standards of Procter & Gamble and wants to minimize machine downtimes. Like 71.6 % of all German companies, P&G sees a huge potential for early information on their production system, but complains about the insufficient quality and the lack of currentness of data. The main research focus of this work lies on the human machine interface for all human tasks in a telemaintenance setup. This thesis provides own work in the use of a mobile device in context of maintenance, describes new tools on asynchronous remote analysis and puts all parts together in an integrated telemaintenance infrastructure. With the help of Augmented Reality, the user performance and satisfaction could be raised. A special regard is put upon the situation awareness of the remote expert realized by different camera viewpoints. In detail the work consists of: - Support of maintenance tasks with a mobile device - Development and evaluation of a context-aware inspection tool - Comparison of a new touch-based mobile robot programming device to the former teach pendant - Study on Augmented Reality support for repair tasks with a mobile device - Condition monitoring for a specific plant with industrial robot - Human computer interaction for remote analysis of a single plant cycle - A big data analysis tool for a multitude of cycles and similar plants - 3D process visualization for a specific plant cycle with additional virtual information - Network architecture in hardware, software and network infrastructure - Mobile device computer supported collaborative work for telemaintenance - Motor exchange telemaintenance example in running production environment - Augmented reality supported remote plant visualization for better situation awareness / Die Fernsteuerung technisch hochentwickelter Systeme ist seit vielen Jahren ein breites Forschungsfeld, vor allem im Bereich von Weltraum- und Robotikanwendungen. Allerdings hat die Automatisierungsindustrie bislang zu wenig von den Ergebnissen dieses Forschungsgebiets profitiert. Auch Fertigungslinien mit Industrierobotern und weiterer Anlagenkomponenten müssen über die Ferne zugänglich sein, besonders bei Wartungsfällen oder wenn unvorhergesehene Probleme nicht von den lokalen Spezialisten gelöst werden können. Hersteller von Sondermaschinen wie Robotikfirmen verkaufen ihre Technologie weltweit. Kunden dieser Firmen besitzen beispielsweise Fabriken in Schwellenländern, wo es an qualifizierten Personal für Reparatur und Wartung mangelt. Wenn ein ernster Fehler auftaucht, muss daher ein Experte des Sondermaschinenherstellers zum Kunden fliegen. Das führt zu langen Stillstandzeiten der Maschine. Durch die Weiterentwicklung der Datennetze könnte ein großer Teil dieser Reisen unterbleiben, wenn eine passende Fernwartungsinfrastruktur vorliegen würde. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Fernwartungssystems, welches in einer aktiven Produktionsumgebung für Forschungszwecke eingerichtet wurde. Die Fertigungsanlage des Kunden wurde von Procter & Gamble in Marktheidenfeld zur Verfügung gestellt und besteht aus einem sechsachsigen, kartesischen Industrieroboter von KUKA Industries, einer Zweikomponentenspritzgussanlage und einer Montageeinheit. Die Anlage produziert Plastikteile für elektrische Zahnbürsten. Diese Anlage wurde im Rahmen der Forschungsprojekte "MainTelRob" und "Bayern.digital" verwendet, in denen das Zentrum für Telematik e.V. (ZfT) und seine Projektpartner neue Ansätze und Prozeduren für moderne Fernwartungs-Technologien entwickeln. Fernwartung bedeutet für uns die umfassende Integration von Informatik und Kommunikationstechnologien in der Wartungsstrategie. Das ist vor allem für hochentwickelte, kapitalintensive Güter wie Industrierobotern interessant. Typische Fernwartungsaufgaben sind beispielsweise die Analyse von Roboterfehlermeldungen oder schwierige Reparaturmaßnahmen. Die Service-Abteilung von KUKA Industries ist für die weltweit verteilten Kunden zuständig, die teilweise auch mehr als einen Roboter besitzen. Aktuell werden derartige Aufgaben per Telefonauskunft oder mobilen Servicekräften, die zum Kunden reisen, erledigt. Will man diese komplizierten Aufgaben durch Fernwartung ersetzen um die Serviceaktivitäten auszuweiten muss man mit den hohen Anforderungen von Fernsteuerung zurechtkommen, besonders in Bezug auf Security Infrastruktur. Eine derartige umfassende Herangehensweise an Fernwartung bietet aber auch einen lokalen Mehrwert beim Kunden: Die Fabrik in Marktheidenfeld muss den hohen internationalen Standards von Procter & Gamble folgen und will daher die Stillstandzeiten weiter verringern. Wie 71,6 Prozent aller deutschen Unternehmen sieht auch P&G Marktheidenfeld ein großes Potential für frühe Informationen aus ihrem Produktionssystem, haben aber aktuell noch Probleme mit der Aktualität und Qualität dieser Daten. Der Hauptfokus der hier vorgestellten Forschung liegt auf der Mensch-Maschine-Schnittstelle für alle Aufgaben eines umfassenden Fernwartungskontextes. Diese Arbeit stellt die eigene Arbeiten bei der Verwendung mobiler Endgeräte im Kontext der Wartung und neue Softwarewerkzeuge für die asynchrone Fernanalyse vor und integriert diese Aspekte in eine Fernwartungsinfrastruktur. In diesem Kontext kann gezeigt werden, dass der Einsatz von Augmented Reality die Nutzerleistung und gleichzeitig die Zufriedenheit steigern kann. Dabei wird auf das sogenannte "situative Bewusstsein" des entfernten Experten besonders Wert gelegt. Im Detail besteht die Arbeit aus: - Unterstützung von Wartungsaufgaben mit mobilen Endgeräten - Entwicklung und Evaluation kontextsensitiver Inspektionssoftware - Vergleich von touch-basierten Roboterprogrammierung mit der Vorgängerversion des Programmierhandgeräts - Studien über die Unterstützung von Reparaturaufgaben durch Augmented Reality - Zustandsüberwachung für eine spezielle Anlage mit Industrieroboter - Mensch-Maschine Interaktion für die Teleanalyse eines Produktionszyklus - Grafische Big Data Analyse einer Vielzahl von Produktionszyklen - 3D Prozess Visualisierung und Anreicherung mit virtuellen Informationen - Hardware, Software und Netzwerkarchitektur für die Fernwartung - Computerunterstützte Zusammenarbeit mit Verwendung mobiler Endgeräte für die Fernwartung - Fernwartungsbeispiel: Durchführung eines Motortauschs in der laufenden Produktion - Augmented Reality unterstütze Visualisierung des Anlagenkontextes für die Steigerung des situativen Bewusstseins

Produktionssysteme mit Industrierobotern werden zunehmend komplex; waren deren Arbeitsbereiche früher noch statisch und abgeschirmt, und die programmierten Abläufe gleichbleibend, so sind die Anforderungen an moderne Robotik-Produktionsanlagen gestiegen: Diese sollen sich jetzt mithilfe von intelligenter Sensorik auch in unstrukturierten Umgebungen einsetzen lassen, sich bei sinkenden Losgrößen aufgrund individualisierter Produkte und häufig ändernden Produktionsaufgaben leicht rekonfigurieren lassen, und sogar eine direkte Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter ermöglichen. Gerade auch bei dieser Mensch-Roboter-Kollaboration wird es damit notwendig, dass der Mensch die Daten und Aktionen des Roboters leicht verstehen kann. Aufgrund der gestiegenen Anforderungen müssen somit auch die Bedienerschnittstellen dieser Systeme verbessert werden. Als Grundlage für diese neuen Benutzerschnittstellen bietet sich Augmented Reality (AR) als eine Technologie an, mit der sich komplexe räumliche Daten für den Bediener leicht verständlich darstellen lassen. Komplexe Informationen werden dabei in der Arbeitsumgebung der Nutzer visualisiert und als virtuelle Einblendungen sichtbar gemacht, und so auf einen Blick verständlich. Die diversen existierenden AR-Anzeigetechniken sind für verschiedene Anwendungsfelder unterschiedlich gut geeignet, und sollten daher flexibel kombinier- und einsetzbar sein. Auch sollen diese AR-Systeme schnell und einfach auf verschiedenartiger Hardware in den unterschiedlichen Arbeitsumgebungen in Betrieb genommen werden können. In dieser Arbeit wird ein Framework für Augmented Reality Systeme vorgestellt, mit dem sich die genannten Anforderungen umsetzen lassen, ohne dass dafür spezialisierte AR-Hardware notwendig wird. Das Flexible AR-Framework kombiniert und bündelt dafür verschiedene Softwarefunktionen für die grundlegenden AR-Anzeigeberechnungen, für die Kalibrierung der notwendigen Hardware, Algorithmen zur Umgebungserfassung mittels Structured Light sowie generische ARVisualisierungen und erlaubt es dadurch, verschiedene AR-Anzeigesysteme schnell und flexibel in Betrieb zu nehmen und parallel zu betreiben. Im ersten Teil der Arbeit werden Standard-Hardware für verschiedene AR-Visualisierungsformen sowie die notwendigen Algorithmen vorgestellt, um diese flexibel zu einem AR-System zu kombinieren. Dabei müssen die einzelnen verwendeten Geräte präzise kalibriert werden; hierfür werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, und die mit ihnen dann erreichbaren typischen Anzeige- Genauigkeiten in einer Evaluation charakterisiert. Nach der Vorstellung der grundlegenden ARSysteme des Flexiblen AR-Frameworks wird dann eine Reihe von Anwendungen vorgestellt, bei denen das entwickelte System in konkreten Praxis-Realisierungen als AR-Benutzerschnittstelle zum Einsatz kam, unter anderem zur Überwachung von, Zusammenarbeit mit und einfachen Programmierung von Industrierobotern, aber auch zur Visualisierung von komplexen Sensordaten oder zur Fernwartung. Im Verlauf der Arbeit werden dadurch die Vorteile, die sich durch Verwendung der AR-Technologie in komplexen Produktionssystemen ergeben, herausgearbeitet und in Nutzerstudien belegt. / During recent years, production environments involving industrial robots have moved away from static, shielded production lines towards a more open, flexible and adaptable setup, where human and robot are working in close proximity or even collaborating on the same workpiece. This change necessitates improving existing user interfaces for these robots, to allow for an easier understanding of the complex robot data as well as simplifying their handling and programming. Augmented Reality (AR) is a technology that allows for realizing that: it enables the user to simply grasp complex spatial data by seeing it - appropriately visualized - in his natural work environment. This thesis introduces the Flexible Augmented Reality framework, an AR framework that allows for quick and easy realization of multiple monitor- or projection-based AR displays in the work environment of industrial robots, greatly simplifying and improving their handling without the use of specialized AR hardware. The developed framework combines and bundles all the necessary software functions and algorithms, among others for realizing the fundamental AR visualizations, calibrating the necessary hardware, capturing the display environment utilizing Structured Light and easily creating generic AR visualizations, to allow for fast deployment and parallel operation of multiple AR interfaces in different production and application fields. Among describing the developed algorithms as well as properties of the employed hardware, a thorough evaluation of the achievable display accuracy with standard hardware is given in this thesis. Finally, the framework was tested and evaluated in a number of different practical application scenarios involving industrial robot programming, remote surveillance and control, as well as intuitive sensor data display or remote maintenance. The developed solutions are presented in detail together with performed evaluations and user studies, exemplifying the framework's improvement of traditional industrial robot interfaces.

Immersive Technologien, wie Augmented und Virtual Reality, können bestehende Geschäftsmodelle entweder verbessern oder gefährden. Jedoch kann sich das förderliche Potential nur entfalten, wenn die Anwender:innen die Technologien akzeptieren und letztendlich auch nutzen. In dieser Arbeit wird beschrieben, was Akzeptanz ist und welche Einflussgrößen (Faktoren) für die Akzeptanz von Virtual Reality besonders relevant sind. Anschließend ist, basierend auf der diskutierten Fachliteratur, ein neuartiges, holistisches Akzeptanzmodell für Virtual Reality entworfen und mit drei Studien überprüft worden. In der ersten Studie wurden 129 Personen gebeten entweder in Augmented oder Virtual Reality ein Schulungsszenario oder ein Mini-Spiel auszuprobieren (2x2-Design). In beiden Anwendungen sollten Flaschen von einem virtuellen Fließband entfernt werden. Im Fokus der Untersuchung stand die Immersion, die Nützlichkeit, das empfundene Vergnügen (Hedonismus) und die Zufriedenheit. Die Ergebnisse ergaben zum einen, dass sich die Immersion zwischen Augmented und Virtual Reality unterscheidet, und zum anderen, dass das empfundene Vergnügen und die Nützlichkeit signifikante Prädiktoren für die Zufriedenheit darstellen. An der zweiten Studie nahmen 62 Personen teil. Sie wurden gebeten das Schulungsszenario erneut zu absolvieren, wobei dieses mit auditiven Inhalten und animierten Figuren angereicht wurde, sowie über eine etwas bessere Grafikqualität verfügte. Die Daten wurden mit den Virtual Reality Szenarien aus der ersten Studie verglichen, um den Einfluss der Präsenz auf den Hedonismus zu untersuchen. Obwohl kein relevanter Unterschied zwischen den Gruppen festgestellt wurde, konnte nachgewiesen werden, dass Präsenz Hedonismus signifikant vorhersagt. An der dritten Studie beteiligten sich insgesamt 35 Personen. Untersuchungsgegenstand der Studie war die virtuelle Darstellung der eigenen Person in der virtuellen Realität (Verkörperung) und dessen Einfluss auf den Hedonismus. Die Versuchspersonen wurden gebeten das Schulungsszenario erneut zu durch-laufen, wobei sie diesmal das Eingabegerät (Controller) der Visieranzeige (head-mounted display) zur Steuerung benutzen. In der ersten Studie erfolgte die Bedienung über eine Gestensteuerung. Die Analyse dieser Manipulation offenbarte keinerlei Auswirkungen auf die Verkörperung. Allerdings stellte die Verkörperung einen signifikanten Prädiktor für den Hedonismus dar. Im Anschluss an die Studien ist das Modell mit den Daten aus den Virtual Reality Gruppen der ersten Studie beurteilt worden, wobei es sich weitgehend bestätigt hat. Abschließend werden die Befunde in Bezug auf die Fachliteratur eingeordnet, mögliche Ursachen für die Ergebnisse diskutiert und weitere Forschungsbedarfe aufgezeigt. / Immersive technologies, such as augmented and virtual reality, can either improve or endanger existing business models. However, the beneficial potential can only unfold if users accept the technologies and ultimately use them. This paper describes what acceptance is and which influencing variables (factors) are particularly relevant for the acceptance of virtual reality. Subsequently, a novel, holistic acceptance model for virtual reality was designed based on the discussed literature and tested with three studies. In the first study, 129 subjects were asked to try out either a training scenario or a mini-game in augmented or virtual reality (2x2 design). In both applications bottles should be removed from a virtual assembly line. The study investigated immersion, usefulness, pleasure (hedonism) and satisfaction. The results revealed that immersion differs between augmented and virtual reality, plus that perceived pleasure and usefulness are significant predictors of satisfaction. In the second study, 62 persons participated. They were asked to complete the training scenario again, which was enriched with auditory content, animated figures and with slightly better graphics quality. The data were compared to the virtual reality scenarios from the first study to examine the impact of presence on hedonism. Although no relevant difference was found between the groups, presence was shown to significantly predict hedonism. A total of 35 subjects took part in the third study. The object of the study was the virtual representation of oneself (embodiment) in virtual reality and its influence on hedonism. The subjects were asked to go through the training scenario again, this time using the input device (controller) of the head-mounted display for control. In the first study, gesture control was used to operate the device instead. The analysis of this manipulation revealed no effects on embodiment. However, embodiment predicted hedonism significantly. Following the studies, the model has been assessed with the data from the virtual reality groups of the first study and has been largely confirmed. Finally, the findings are classified in relation to the literature, possible causes for the results are discussed, and further research needs are identified.

Traditionelle 3D-Anwendungsentwicklung für VR/AR verläuft in heterogenen Entwicklerteams unstrukturiert, ad hoc und ist fehlerbehaftet. Der präsentierte Roundtrip3D Entwicklungsprozess ermöglicht die iterativ inkrementelle 3D-Anwendungsentwicklung, wechselseitig auf Softwaremodell- und Implementierungsebene. Modelle fördern das gemeinsame Verständnis unter Projektbeteiligten und sichern durch generierte Schnittstellen gleichzeitiges Programmieren und 3D-Modellieren zu. Das Roundtrip3D Werkzeug ermittelt Inkonsistenzen zwischen vervollständigten 3D-Inhalten und Quelltexten auch für verschiedene Plattformen und visualisiert sie auf abstrakter Modellebene. Die gesamte Implementierung wird nicht simultan, sondern nach codegetriebener Entwicklung kontrolliert mit Softwaremodellen abgeglichen. Inkremente aus aktualisierten Softwaremodellen fließen in dann wieder zueinander konsistente Quelltexte und 3D-Inhalte ein. Der Roundtrip3D Entwicklungsprozess vereint dauerhaft Vorteile codegetriebener mit modellgetriebener 3D-Anwendungsentwicklung und fördert strukturiertes Vorgehen im agilen Umfeld.

Im Rahmen des DFG-Graduiertenkollegs „CrossWorlds“ (http://www.crossworlds.info) wird im Teilbereich Kommunikation ein autonomer mobiler Roboter aufgebaut. Das Anwendungsszenario ist das Industriemuseum Chemnitz. Mithilfe von technischen Mitteln werden die Exponate des Industriemuseums durch die Informationen und Darstellungen der virtuellen Welt erweitert. Der Roboter CLUES (Cross worLds autonomoUs mobilE robot hoSt) tritt dabei als Mittler zwischen der realen Museumswelt und virtuellen Informationswelt auf. Er bietet den Besuchern die Möglichkeit zur Interaktion mit den bereitgestellten Inhalten und nimmt gleichzeitig als Gastgeber des Museums die Besucher wahr. Dieser erste Bericht beinhaltet die Grundidee des Projektes und die Hardwareausrüstung. Er schildert die Auswahl und Abstimmung der eingesetzten technischen Geräte. Mit Blick auf das Anwendungsszenario und die technischen Möglichkeiten werden die auftretenden Probleme und Lösungen diskutiert.

In der Architektur werden Gebäude entsprechend den Wünschen eines Kunden entworfen. Dabei entstehen neben den detaillierten Grundrissen heutzutage auch komplexe dreidimensionale Modelle. Daraus werden fotorealistische Ansichten des entworfenen Gebäudes erstellt. Diese helfen den Personen ohne Domänenwissen, wie beispielsweise den Kunden oder der Öffentlichkeit, einen besseren Eindruck vom Entwurf zu bekommen und fördern das Verständnis räumlicher Abhängigkeiten. Auch immersive Präsentationen in den Bereichen Augmented und Virtual Reality hielten in der Architektur Einzug. Zu Beginn dieser Arbeit werden zunächst verwandte Forschungen aus den Bereichen Architektur, Visualisierung und Interaktion analysiert. Dabei gewonnene Erkenntnisse fließen in die Entwicklung von Konzepten für eine Anwendung ein, welche auf die Kombination einer AR-Brille mit einem berührungsempfindlichen Display setzt. Ausgewählte Konzepte werden in einer prototypischen Anwendung umgesetzt. Diese Implementierung dient der Bewertung von kopfgebundener Augmented Reality in Kombination mit einem zusätzlichen Display für die Präsentation von architektonischen Entwürfen.:1 Einleitung 1.1 Ziel 1.2 Struktur dieser Arbeit 2 Verwandte Forschung 2.1 Architektur 2.2 Visualisierung in VR und AR 2.2.1 Virtual Reality 2.2.2 Augmented Reality 2.3 Interaktion mit dreidimensionalen Inhalten 2.4 Sonstige verwandte Forschung 2.5 Zusammenfassung 3 Konzepte 3.1 Modell-Präsentation 3.2 Modell-Interaktion 3.3 Modell-Manipulation 3.3.1 Materialien 3.3.2 Inneneinrichtung 3.4 Innenansicht 3.5 Mehrbenutzer-Betrieb 3.6 Alternative Darstellungsarten 3.7 Alternative Interaktionsmöglichkeiten 3.8 Zusammenfassung 4 Umsetzung 4.1 Hardware 4.2 Importe 4.3 Umgesetzte Konzepte 4.4 Prototyp 4.5 Performanz 4.6 Zusammenfassung 5 Evaluation und Ausblick 5.1 Evaluation 5.2 Ausblick 5.3 Zusammenfassung Literatur / Architects create buildings based on client requests. Nowadays they not only design detailed floor plans but also very complex three-dimensional CAD-models. Photorealistic views of the building are computed from these models. They can help persons without special knowledge to understand the spatial relations of the draft. In the last years immersive presentations in Augmented and Virtual Reality came up in architecture. At the beginning of this work related research in the fields of architecture, visualization and interaction will by examined. Thereby gained knowledge will be transfered into the development of concepts for a new application which combines an AR Head Mounted Display with a multi-touch capable display. A chosen subset of concepts will be implemented in a prototyp. This implementation is then used to evaluate the combination of AR with an additional display for the presentation of architectural drafts.:1 Einleitung 1.1 Ziel 1.2 Struktur dieser Arbeit 2 Verwandte Forschung 2.1 Architektur 2.2 Visualisierung in VR und AR 2.2.1 Virtual Reality 2.2.2 Augmented Reality 2.3 Interaktion mit dreidimensionalen Inhalten 2.4 Sonstige verwandte Forschung 2.5 Zusammenfassung 3 Konzepte 3.1 Modell-Präsentation 3.2 Modell-Interaktion 3.3 Modell-Manipulation 3.3.1 Materialien 3.3.2 Inneneinrichtung 3.4 Innenansicht 3.5 Mehrbenutzer-Betrieb 3.6 Alternative Darstellungsarten 3.7 Alternative Interaktionsmöglichkeiten 3.8 Zusammenfassung 4 Umsetzung 4.1 Hardware 4.2 Importe 4.3 Umgesetzte Konzepte 4.4 Prototyp 4.5 Performanz 4.6 Zusammenfassung 5 Evaluation und Ausblick 5.1 Evaluation 5.2 Ausblick 5.3 Zusammenfassung Literatur