Holistic Approach for Authoring Immersive and Smart Environments for the Integration in Engineering Education

Die vierte industrielle Revolution und der rasante technologische Fortschritt stellen die etablierten Bildungsstrukturen und traditionellen Bildungspraktiken in Frage. Besonders in der Ingenieurausbildung erfordert das lebenslange Lernen, dass man sein Wissen und seine Fähigkeiten ständig verbessern muss, um auf dem Arbeitsmarkt wettbewerbsfähig zu sein. Es besteht die Notwendigkeit eines Paradigmenwechsels in der Bildung und Ausbildung hin zu neuen Technologien wie virtueller Realität und künstlicher Intelligenz. Die Einbeziehung dieser Technologien in ein Bildungsprogramm ist jedoch nicht so einfach wie die Investition in neue Geräte oder Software. Es müssen neue Bildungsprogramme geschaffen oder alte von Grund auf umgestaltet werden. Dabei handelt es sich um komplexe und umfangreiche Prozesse, die Entscheidungsfindung, Design und Entwicklung umfassen. Diese sind mit erheblichen Herausforderungen verbunden, die die Überwindung vieler Hindernisse erfordert. Diese Arbeit stellt eine Methodologie vor, die sich mit den Herausforderungen der Nutzung von Virtueller Realität und Künstlicher Intelligenz als Schlüsseltechnologien in der Ingenieurausbildung befasst. Die Methodologie hat zum Ziel, die Hauptakteure anzuleiten, um den Lernprozess zu verbessern, sowie neuartige und effiziente Lernerfahrungen zu ermöglichen. Da jedes Bildungsprogramm einzigartig ist, folgt die Methodik einem ganzheitlichen Ansatz, um die Erstellung maßgeschneiderter Kurse oder Ausbildungen zu unterstützen. Zu diesem Zweck werden die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Aspekten berücksichtigt. Diese werden in den drei Ebenen - Bildung, Technologie und Management zusammengefasst. Die Methodik betont den Einfluss der Technologien auf die Unterrichtsgestaltung und die Managementprozesse. Sie liefert Methoden zur Entscheidungsfindung auf der Grundlage einer umfassenden pädagogischen, technologischen und wirtschaftlichen Analyse. Darüber hinaus unterstützt sie den Prozess der didaktischen Gestaltung durch eine umfassende Kategorisierung der Vor- und Nachteile immersiver Lernumgebungen und zeigt auf, welche ihrer Eigenschaften den Lernprozess verbessern können. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der systematischen Gestaltung immersiver Systeme und der effizienten Erstellung immersiver Anwendungen unter Verwendung von Methoden aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz. Es werden vier Anwendungsfälle mit verschiedenen Ausbildungsprogrammen vorgestellt, um die Methodik zu validieren. Jedes Bildungsprogramm hat seine eigenen Ziele und in Kombination decken sie die Validierung aller Ebenen der Methodik ab. Die Methodik wurde iterativ mit jedem Validierungsprojekt weiterentwickelt und verbessert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methodik zuverlässig und auf viele Szenarien sowie auf die meisten Bildungsstufen und Bereiche übertragbar ist. Durch die Anwendung der in dieser Arbeit vorgestellten Methoden können Interessengruppen immersiven Technologien effektiv und effizient in ihre Unterrichtspraxis integrieren. Darüber hinaus können sie auf der Grundlage der vorgeschlagenen Ansätze Aufwand, Zeit und Kosten für die Planung, Entwicklung und Wartung der immersiven Systeme sparen. Die Technologie verlagert die Rolle des Lehrenden in eine Moderatorrolle. Außerdem bekommen die Lehrkräfte die Möglichkeit die Lernenden individuell zu unterstützen und sich auf deren kognitive Fähigkeiten höherer Ordnung zu konzentrieren. Als Hauptergebnis erhalten die Lernenden eine angemessene, qualitativ hochwertige und zeitgemäße Ausbildung, die sie qualifizierter, erfolgreicher und zufriedener macht

Characterization of multiphase flows integrating X-ray imaging and virtual reality

Multiphase flows are used in a wide variety of industries, from energy production to pharmaceutical manufacturing. However, because of the complexity of the flows and difficulty measuring them, it is challenging to characterize the phenomena inside a multiphase flow. To help overcome this challenge, researchers have used numerous types of noninvasive measurement techniques to record the phenomena that occur inside the flow. One technique that has shown much success is X-ray imaging. While capable of high spatial resolutions, X-ray imaging generally has poor temporal resolution. This research improves the characterization of multiphase flows in three ways. First, an X-ray image intensifier is modified to use a high-speed camera to push the temporal limits of what is possible with current tube source X-ray imaging technology. Using this system, sample flows were imaged at 1000 frames per second without a reduction in spatial resolution. Next, the sensitivity of X-ray computed tomography (CT) measurements to changes in acquisition parameters is analyzed. While in theory CT measurements should be stable over a range of acquisition parameters, previous research has indicated otherwise. The analysis of this sensitivity shows that, while raw CT values are strongly affected by changes to acquisition parameters, if proper calibration techniques are used, acquisition parameters do not significantly influence the results for multiphase flow imaging. Finally, two algorithms are analyzed for their suitability to reconstruct an approximate tomographic slice from only two X-ray projections. These algorithms increase the spatial error in the measurement, as compared to traditional CT; however, they allow for very high temporal resolutions for 3D imaging. The only limit on the speed of this measurement technique is the image intensifier-camera setup, which was shown to be capable of imaging at a rate of at least 1000 FPS. While advances in measurement techniques for multiphase flows are one part of improving multiphase flow characterization, the challenge extends beyond measurement techniques. For improved measurement techniques to be useful, the data must be accessible to scientists in a way that maximizes the comprehension of the phenomena. To this end, this work also presents a system for using the Microsoft Kinect sensor to provide natural, non-contact interaction with multiphase flow data. Furthermore, this system is constructed so that it is trivial to add natural, non-contact interaction to immersive visualization applications. Therefore, multiple visualization applications can be built that are optimized to specific types of data, but all leverage the same natural interaction. Finally, the research is concluded by proposing a system that integrates the improved X-ray measurements, with the Kinect interaction system, and a CAVE automatic virtual environment (CAVE) to present scientists with the multiphase flow measurements in an intuitive and inherently three-dimensional manner

Across Space and Time. Papers from the 41st Conference on Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology, Perth, 25-28 March 2013

This volume presents a selection of the best papers presented at the forty-first annual Conference on Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology. The theme for the conference was "Across Space and Time", and the papers explore a multitude of topics related to that concept, including databases, the semantic Web, geographical information systems, data collection and management, and more

Across Space and Time Papers from the 41st Conference on Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology, Perth, 25-28 March 2013

The present volume includes 50 selected peer-reviewed papers presented at the 41st Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology Across Space and Time (CAA2013) conference held in Perth (Western Australia) in March 2013 at the University Club of Western Australia and hosted by the recently established CAA Australia National Chapter. It also hosts a paper presented at the 40th Computer Applications and Quantitative Methods in Archaeology (CAA2012) conference held in Southampton