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Weimar Open Access

Die Verbreitung mobiler Smartphones und besonders deren allgegenwärtige Lokalisierungstechnologien verändern das Navigationsverhalten im Raum nachhaltig. Parallel zur schnell voranschreitenden Entwicklung alltäglicher Geräte, die mitgeführt werden, setzt der Übergang der bereits länger dauernden Entwicklung von Virtual-Reality-Technik in eine erweiterte und augmentierte Mixed Reality ein. In diesem Spannungsfeld untersucht die vorliegende Arbeit, inwieweit richtungsgebundene und binaural wiedergegebene Stereofonie die menschliche Bewegung im Raum beeinflussen kann und versucht zu erörtern, welche Potenziale in der Wiederentdeckung einer relativ lange bekannten Technik liegen. Der Autor hat im Rahmen dieser Arbeit eine binaurale mobile Applikation für richtungsgebundene Stereofonie entwickelt, mit der virtuelle bewegte oder statische Audio-Hotspots im Raum platziert werden können. So kann links, rechts oder 30 Meter vor einer Person ein virtueller oder tatsächlicher Klang im Raum verortet sein. Durch die in Echtzeit berechnete binaurale Wiedergabe der Klangquellen mit einem Stereo-Kopfhörer können diese räumlich verorteten Klänge mit zwei Ohren dreidimensional wahrgenommen werden, ähnlich dem räumlichen Sehen mit zwei Augen. Durch den Einsatz mehrerer lokalisierter Klangquellen als Soundscape entsteht eine augmentierte auditive Realität, die die physische Realität erweitert. Die Position und Navigation des Nutzers wird durch binaurale Lautstärkenmodulation (die Lautstärke nimmt bei abnehmender Distanz zur Quelle zu) und Stereopanning mit Laufzeitmodulation (die Richtung wird über ein Stereosignal auf beiden Ohren räumlich links-rechts-vorne verortet) interaktiv und kybernetisch beeinflusst. Die Nutzer navigieren — durch ihr Interesse an den hörbaren virtuellen Klangquellen geleitet — durch einen dynamisch erzeugten, dreidimensionalen akustischen Raum, der gleichzeitig ein virtueller und kybernetischer Raum ist, da die Repräsentation der Klänge an die Bewegung und Ausrichtung der Nutzer im Raum angepasst wird. Diese Arbeit untersucht, ob die Bewegung von Menschen durch (virtuelle) Klänge beeinflusst werden kann und wie groß oder messbar dieser Einfluss ist. Dabei können nicht alle künstlerischen, architektonischen und philosophischen Fragen im Rahmen der vorliegenden Schrift erörtert werden, obwohl sie dennoch als raumtheoretische Fragestellung von Interesse sind. Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit liegt in der Erforschung, ob richtungsgebundene Stereofonie einen relevanten Beitrag zur menschlichen Navigation, hauptsächlich zu Fuß, in urbanen Gebieten — vorwiegend im Außenraum — leisten kann. Der erste Teil gliedert sich in »Raum und Klang«, es werden raumtheoretische Überlegungen zur menschlichen Bewegung im Raum, Raumvorstellungen, räumliche Klänge und Klangwahrnehmung sowie die Entwicklung stereofoner Apparaturen und Aspekte der Augmented Audio Reality besprochen. Im zweiten Teil werden drei Demonstratoren als Anwendungsszenarien und drei Evaluierungen im Außenraum vorgestellt. Die Tests untersuchen, ob sich das Verfahren zur Navigation für Fußgänger eignet und inwieweit eine Einflussnahme auf das Bewegungsverhalten von Nutzern getroffen werden kann. Die Auswertungen der Tests zeigen, dass sich stereofone Klänge grundsätzlich als Navigationssystem eignen, da eine große Mehrzahl der Teilnehmer die akustisch markierten Ziele leicht gefunden hat. Ebenso zeigt sich ein klarer Einfluss auf die Bewegungsmuster, allerdings ist dieser abhängig von individuellen Interessen und Vorlieben. Abschließend werden die Ergebnisse der Untersuchungen im Kontext der vorgestellten Theorien diskutiert und die Potenziale stereofoner Anwendungen in einem Ausblick behandelt. Bei der Gestaltung, Erzeugung und Anwendung mobiler Systeme sind unterschiedliche mentale und räumliche Modelle und Vorstellungen der Entwickler und Anwender zu beachten. Da eine umfassende transdisziplinäre Betrachtung klare Begrifflichkeiten erfordert, werden Argumente für ein raumtheoretisches Vokabular diskutiert. Diese sind für einen gestalterischen Einsatz von richtungsgebundener Stereofonie — besonders im Kontext mobiler Navigation durch akustisch augmentierte Räume — äußerst relevant.

The automotive industry requires realistic virtual reality applications more than other domains to increase the efficiency of product development. Currently, the visual quality of virtual invironments resembles reality, but interaction within these environments is usually far from what is known in everyday life. Several realistic research approaches exist, however they are still not all-encompassing enough to be usable in industrial processes. This thesis realizes lifelike direct multi-hand and multi-finger interaction with arbitrary objects, and proposes algorithmic and technical improvements that also approach lifelike usability. In addition, the thesis proposes methods to measure the effectiveness and usability of such interaction techniques as well as discusses different types of grasping feedback that support the user during interaction. Realistic and reliable interaction is reached through the combination of robust grasping heuristics and plausible pseudophysical object reactions. The easy-to-compute grasping rules use the objects’ surface normals, and mimic human grasping behavior. The novel concept of Normal Proxies increases grasping stability and diminishes challenges induced by adverse normals. The intricate act of picking-up thin and tiny objects remains challenging for some users. These cases are further supported by the consideration of finger pinches, which are measured with a specialized finger tracking device. With regard to typical object constraints, realistic object motion is geometrically calculated as a plausible reaction on user input. The resulting direct finger-based interaction technique enables realistic and intuitive manipulation of arbitrary objects. The thesis proposes two methods that prove and compare effectiveness and usability. An expert review indicates that experienced users quickly familiarize themselves with the technique. A quantitative and qualitative user study shows that direct finger-based interaction is preferred over indirect interaction in the context of functional car assessments. While controller-based interaction is more robust, the direct finger-based interaction provides greater realism, and becomes nearly as reliable when the pinch-sensitive mechanism is used. At present, the haptic channel is not used in industrial virtual reality applications. That is why it can be used for grasping feedback which improves the users’ understanding of the grasping situation. This thesis realizes a novel pressure-based tactile feedback at the fingertips. As an alternative, vibro-tactile feedback at the same location is realized as well as visual feedback by the coloring of grasp-involved finger segments. The feedback approaches are also compared within the user study, which reveals that grasping feedback is a requirement to judge grasp status and that tactile feedback improves interaction independent of the used display system. The considerably stronger vibrational tactile feedback can quickly become annoying during interaction. The interaction improvements and hardware enhancements make it possible to interact with virtual objects in a realistic and reliable manner. By addressing realism and reliability, this thesis paves the way for the virtual evaluation of human-object interaction, which is necessary for a broader application of virtual environments in the automotive industry and other domains.

Am 25. und 26. Oktober 2011 trafen sich an der Bauhaus-Universität Weimar 70 nationale und internationale Fachleute aus Forschung und Praxis, um sich im Rahmen des vierten SYSWELD Forums über aktuelle Entwicklungen der numerischen Simulation auf dem Gebiet der Wärmebehandlung und des Schweißens auszutauschen. Die numerische Simulation im Bereich des Schweißens und der Wärmebehandlung hat sich in den letzten Jahren beachtlich weiterentwickelt und bietet ein zukunftsweisendes und innovatives Arbeitsfeld für Ingenieure.

Für die Bemessung und qualitative Einstufung innerstädtischer Knotenpunkte stehen verschiedene Werkzeuge und Verfahren zur Verfügung. Das Handbuch für die Bemessung von Straßenverkehrsanlagen (HBS) enthält einfach zu hand­habende Standardverfahren. Alternativ kann die Bemessung mit mikroskopischen Verkehrsflusssimulationen erfolgen, deren Erstellung jedoch sehr aufwändig und dadurch fehleranfällig ist. Um die nachteilige Komplexität der Simulationsmodelle zu umgehen, sollen standardisierte Modelle zu einer Verringerung des Arbeitsaufwands beitragen. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, inwieweit dem Simulationswerkzeug WebSimTra mit seinen Vereinfachungen und Beschränkungen trotzdem Zweckmäßigkeit, Korrektheit und Benutzerfreundlichkeit bescheinigt werden kann. Das Ziel der Arbeit besteht in der Herleitung einer nachvollzieh­baren Bewertung dieser Online-Simulation, wobei die Berechnungsverfahren des HBS als Vergleichsgrundlage dienen. Die Prüfung der Online-Simulation hinsichtlich der genannten Merkmale durch einen Vergleich mit dem Bemessungsverfahren des HBS setzt die Beschäftigung mit den theoretischen Grundlagen beider Verfahren voraus. Aus diesem Grund steht am Beginn der Arbeit ein Überblick über die verschiedenen Verkehrsflussmodelle, auf einzelne Theorien wird detailliert eingegangen. In einem weiteren Abschnitt wird erläutert, wie diese theoretischen Modelle in den zu unter­suchenden Bemessungsverfahren Anwendung finden. Im Anschluss daran werden Kriterien definiert, die geeignet sind, die Zweckmäßigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Korrektheit der Online-Simulation widerzuspiegeln. Anhand des aus diesen relevanten Kriterien zusammengestellten Katalogs erfolgt am Ende der Arbeit die Bewertung der Bemessungswerkzeuge. Im darauf folgenden Abschnitt werden aus der Vielzahl von Knotenpunkten im Stadtgebiet Weimar zehn ausgewählt, die aufgrund ihrer Eigen­schaften für die Untersuchung des Knotenpunkttyps Kreisverkehr geeignet erscheinen. In einem ersten Schritt ist die Beschaffung und Aufbereitung von Verkehrsstärkezahlen notwendig. Liegen die Knoten­strommatrizen für alle Auswahlknoten vor, erfolgt die eigentliche Bemessung der Auswahlknoten mit den Verfahren des HBS und der Online-Simulation. Der letzte Abschnitt umfasst die Bewertung der Bemessungsverfahren anhand des Kriterienkatalogs sowie eine Diskussion der erzielten Ergebnisse.

Thema dieser Arbeit ist die Erstellung einer Prozess-Simulation in einer Echtzeit VR-Umgebung. Besonderes Augenmerk wird dabei der Erfassung des Zeitparameters einzelner Prozessabschnitte geschenkt. Mittels einer Datenbankanbindung können somit Daten zwischen einer externen Datenbank und der Simulation ausgetauscht werden. Neben der Realisierung des Datenzugriffes wurde eine Uhr in der virtuellen Umgebung realisiert un somit das Wechselspiel zwischen Erdbaumaschiene und Transportgerät modelliert. Im schriftlichen Teil dieser Arbeit werden die Grundlagen dazu behandelt, das baubetriebliche Anliegen untersucht und die Erstellung in der Software Quest3D dokumentiert.