Software frameworks for Realtime Interactive Systems (RIS), e.g., in the areas of Virtual, Augmented, and Mixed Reality (VR, AR, and MR) or computer games, facilitate a multitude of functionalities by coupling diverse software modules. In this context, no uniform methodology for coupling these modules does exist; instead various purpose-built solutions have been proposed. As a consequence, important software qualities, such as maintainability, reusability, and adaptability, are impeded. Many modern systems provide additional support for the integration of Artificial Intelligence (AI) methods to create so called intelligent virtual environments. These methods exacerbate the above-mentioned problem of coupling software modules in the thus created Intelligent Realtime Interactive Systems (IRIS) even more. This, on the one hand, is due to the commonly applied specialized data structures and asynchronous execution schemes, and the requirement for high consistency regarding content-wise coupled but functionally decoupled forms of data representation on the other. This work proposes an approach to decoupling software modules in IRIS, which is based on the abstraction of architecture elements using a semantic Knowledge Representation Layer (KRL). The layer facilitates decoupling the required modules, provides a means for ensuring interface compatibility and consistency, and in the end constitutes an interface for symbolic AI methods. / Software Frameworks zur Entwicklung Echtzeit-interaktiver Systeme (engl. Realtime Interactive Systems, RIS), z.B. mit Anwendungen in der Virtual, Augmented und Mixed Reality (VR, AR und MR) sowie in Computerspielen, integrieren vielfältige Funktionalitäten durch die Kopplung verschiedener Softwaremodule. Eine einheitliche Methodik einer Kopplung in diesen Systemen besteht dabei nicht, stattdessen existieren mannigfaltige individuelle Lösungen. Als Resultat sinken wichtige Softwarequalitätsfaktoren wie Wartbarkeit, Wiederverwendbarkeit und Anpassbarkeit. Viele moderne Systeme setzen zusätzlich unterschiedliche Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) ein, um so intelligente virtuelle Umgebungen zu generieren. Diese KI-Methoden verschärfen in solchen Intelligenten Echtzeit-interaktiven Systemen (engl. Intelligent Realtime Interactive Systems, IRIS) das eingangs genannte Kopplungsproblem signifikant durch ihre spezialisierten Datenstrukturen und häufig asynchronen Prozessflüssen bei gleichzeitig hohen Konsistenzanforderungen bzgl. inhaltlich assoziierter, aber funktional entkoppelter Datenrepräsentationen in anderen Modulen. Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Lösungsansatz für das Entkopplungsproblem mittels Abstraktion maßgeblicher Softwarearchitekturelemente basierend auf einer erweiterbaren semantischen Wissensrepräsentationsschicht. Diese semantische Abstraktionsschicht erlaubt die Entkopplung benötigter Module, ermöglicht eine automatische Überprüfung von Schnittstellenkompatibiltät und Konsistenz und stellt darüber hinaus eine generische Schnittstelle zu symbolischen KI-Methoden bereit.

Technologien der erweiterten Realität (extended reality, XR) finden im gesamten Produktentwicklungsprozess Anwendung. Insbesondere Systeme zur aktiven Erzeugung und Veränderung digitaler Produktdaten bieten noch viel Potential. Die Erforschung und Entwicklung dieser immersiven Interfaces beruht maßgeblich auf der Evaluation durch Nutzerstudien, denn nur so kann die Einsatztauglichkeit der Mensch-Maschine-Schnittstellen seriös beurteilt und verglichen werden. Bei der Konzeptionierung und Durchführung dieser Nutzerstudien gibt es viel zu beachten. In dieser Arbeit wird ein Leitfaden für das Design von Evaluationen von XR Interfaces für die Produktentwicklung präsentiert. Zu Beginn müssen die Fragestellungen festgelegt werden, welche die Studie beantworten soll. Ausgehend von diesen müssen die zu testenden Versuchsbedingungen, die gestellten Aufgaben, die aufgenommen Metriken, die gewählten Probanden und der geplante Ablauf festgelegt werden. Zusätzlich zu der allgemeinen Darlegung wird das Vorgehen anhand eines Fallbeispiels angewandt. Die Gestaltung einer Nutzerstudie zur Evaluation der Usability und Eignung eines neuartigen Virtual Reality Interfaces zur natürlichen Gestaltung von Vorentwürfen wird vorgestellt.

Der Begriff der Virtualität von Bankdienstleistungen wird unterschiedlich interpretiert. Während eine Vielzahl der Veröffentlichungen in den Kontext von Virtuellen Unternehmen und Intermediären einzuordnen ist, kann konstatiert werden, dass die Virtualisierung des Bankgeschäfts im Rahmen dreidimensionaler Technologien weniger Beachtung findet. Die vorliegenden Studie soll einen Beitrag dazu leisten, diese Erkenntnislücke zu schließen, indem die Eignung aktueller Technologien zur Realisierung einer virtuellen Bankfiliale im Sinn der virtuellen Realität untersucht wird. Ziel der Studie ist die Implementierung einer dreidimensionalen Bankfiliale mit verschiedenen Internet-basierten Technologien. Mit den Technologien Adobe Atmosphere, Shockwave 3D, VRML und Java 3D wurden Prototypimplementierungen durchgeführt, um deren Eignung für das Bankgeschäft anhand unterschiedlicher Kriterien zu bewerten.

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.

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.

Globaler Wettbewerb und kürzer werdende Innovationszyklen erfordern eine immer schnellere und exaktere Reaktion auf sich ständig ändernde Kundenwünsche. Die direkte Integration von Kunden und Anwendern in den Entwicklungsprozess im Rahmen kontinuierlicher Validierungsaktivitäten gewinnt im Zuge dieser Entwicklung zunehmend an Bedeutung (Ponn & Lindemann, 2011). Die Erfassung zielgerichteten Kundenfeedbacks erfordert in der Regel die Konfrontation mit konkreten Repräsentationen des späteren Produkts. Zumal physische Prototypen hierfür in frühen Entwicklungsphasen oft nicht zur Verfügung stehen und deren Aufbau kostenintensiv ist, kommen stattdessen virtuelle Produktmodelle wie CAD-Modelle oder digitale Produktskizzen zum Einsatz. Aufgrund der starken Verkürzungen im Vergleich zum späteren Produkt sind sie jedoch unter Umständen nicht in der Lage ein realistisches Produkterlebnis zu erzeugen. Sie eignen sich damit je nach Anwendungsfall nur bedingt als Kristallisationspunkt für zielgerichtetes Kundenfeedback. Durch die technologischen Entwicklungen im Bereich von Virtual Reality- und Augmented Reality-Anwendungen (VR und AR) besteht jedoch das Potenzial, diese Einschränkungen virtueller Produktmodelle für den Einsatz in der Produktvalidierung in frühen Entwicklungsphasen aufzuheben. Die Technologien ermöglichen dem Anwender das realitätsnahe Erleben von vollständig virtuellen (VR) oder gemischt physisch-virtuellen (AR) Umgebungen. Erreicht die virtuelle Umwelt einen hohen sogenannten Immersionsgrad (fachsprachlich für Grad des „Eintauchens“), ist der Anwender im Extremfall nicht mehr in der Lage zwischen der realen und der virtuellen Umwelt zu unterscheiden. Besonders die AR-Technologie bietet für den Einsatz in der Produktvalidierung große Potenziale, zumal bestehende, physische Referenzprodukte mit virtuellen Modellen kombiniert werden können (Reinemann, Hirschter, Mandel, Heimicke & Albers, 2018). Dieser Beitrag präsentiert die Ergebnisse eines Forschungsvorhabens, dessen Ziel es war die Potenziale der AR-Technik für die Produktvalidierung in einer vergleichenden Probandenstudie differenziert zu untersuchen. [... aus der Einleitung]