Die Entwicklung der Computergraphik und ihr Einsatz bei der digitalen Architekturrekonstruktion

Die digitale 3D-Rekonstruktion von Architektur- und Archäologieobjekten ist eng mit der anwendung der Methoden und Systeme der Computer Graphik verknüpft. Dieser Artikel stellt solche Verbindungen seit den Anfängen der Computergraphik in den 1950er Jahren bis etwa zur Jahrtausendwende dar. Die Entwicklungen von Methoden zur Gewinnung von 3D-Daten, i.e. 3D-Scannverfahren und Photogrammetrie, werden ergänzend kurz betrachtet.The digital 3D reconstruction of architectural and archeological objects is closely related to the application of computer graphics methods and systems. In this article we trace these relations since the beginnings of computer graphics after 1950 up to about the turn of the millennium. In addition, the development of methods for the production of 3D data from real objects, i.e. 3D scanning and photogrammetry, is briefly touched upon

Fahrdynamikmodelle für Echtzeitsimulationen im komfortrelevanten Frequenzbereich

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Fahrdynamikmodellen zur Simulation des Fahrverhaltens und komfortrelevanter Schwingungseffekte, um den modellbasierten Steuergeräteentwicklungsprozess im automotive Bereich zu unterstützen. Dabei wird eine Modellierungsmethodik vorgestellt, mit der sich ein kommerzielles, offenes Echtzeit-Fahrdynamikmodell modifizieren lässt, um neben den fahrdynamischen Eigenschaften auch höherfrequente Schwingungseffekte aus dem Komfortbereich in Echtzeit simulieren zu können. Die Modellierungsmethodik stellt zum Einen ein intuitiv zu bedienendes Nutzerinterface für die Erstellung von Mehrkörpersystemen zur Verfügung, zum Anderen werden mit einem speziell entwickelten Algorithmus hocheffiziente, symbolische Bewegungsgleichungen für die Systeme generiert, wodurch die erweiterten Modelle für Echtzeitsimulationen anwendbar werden. Mit Hilfe dieser Methodik werden verschiedene Gesamtfahrzeugmodelle erstellt und mit realen Fahrzeugdaten parametriert. Die Modelle werden hinsichtlich der Simulierbarkeit der Fahrdynamik und des Fahrkomforts untersucht, und mit Bauteilmessungen und Fahrmanövern verglichen. Eine detaillierte Analyse des Rechenbedarfs der verschiedenen Modelle belegen ihre Echtzeitfähigkeit und geben Aufschluss darüber, wieviel Zeitreserve für zusätzliche Modellerweiterungen zur Verfügung steht.The thesis deals with the development of vehicle dynamics models for the simulation of the handling and the ride-comfort behavior of passenger cars, in order to support the model-based development process for automotive electronic control units. Thus a new modeling methodology is presented, with which a commercial, open realtime vehicle-dynamics model can be modified, that in addition to the handling behavior, also ride-comfort characteristics can be simulated in realtime. The modeling methodology provides on the one hand an intuitive user interface to define multibody systems. On the other hand it implements a specific algorithm to generate high efficient, symbolic equations of motion for the systems, which enables the enhanced vehicle models to be simulatable in realtime. By using this methodology entire vehicle models are generated and parameterized with real vehicle data. The models are analyzed regarding their capability for simulating the handling and the ride-comfort of passenger cars by comparing the simulation results with component measurements and measurements of vehicledynamics maneuvers. A detailed analysis of the computational effort of the different vehicle models proves their realtime capabilities and sheds light on the computational reserve for additional model modifications.Tag der Verteidigung: 28.10.2013Paderborn, Univ., Diss., 201

Navigations- und Interaktionstechniken

Die Leistungsfähigkeit moderner Grafikhardware erreicht ein Niveau, auf dem sich selbst aufwändig gestaltete 3D-Szenen in kürzester Zeit berechnen lassen. Die Möglichkeiten, die diese Systeme zur Navigation und Interaktion im dreidimensionalen Raum bieten, erscheinen vielen Anwendern jedoch nicht intuitiv genug. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, neue Navigations- und Interaktionstechniken für räumliche Anwendungen zu entwerfen und anhand einer prototypischen Implementierung die Eignung dieser Techniken für die Interaktion mit einem virtuellen Modell des Rubik’s Cube zu untersuchen. Da die entwickelten Verfahren ihre Tauglichkeit insbesondere bei der Interaktion über klassische Ein- und Ausgabegeräte unter Beweis stellen sollten (Maus, Tastatur und 2D-Display), waren geeignete Abbildungen der zu beherrschenden Freiheitsgrade zu konzipieren. Die Beschreibung grundlegender Aspekte der menschlichen Wahrnehmung führte zum Konzept der 3D-Metapher, welche die Durchführung einer dreidimensionalen Operation mit Hilfe von 2D-Eingabegeräten erklärt. Einzelne Interaktionsaufgaben des 3D-Raums wurden dargestellt und Beispiele von metaphorischen Konzepten für ihre Implementierung gegeben. Nach der Darstellung der am Rubik’s Cube auftretenden Interaktionsformen wurden metaphorische Konzepte für die Operationen Inspektion und Rotation entworfen und ihre besonderen Eigenschaften beschrieben; hierbei wurde zudem auf spezielle Verfahren eingegangen, die bei der Implementierung dieser Metaphern eingesetzt wurden. Im Rahmen einer Benutzerstudie wurde die Bedienung der konzipierten Interaktionsmetaphern im praktischen Einsatz getestet. Hierbei wurden insbesondere die Kriterien Intuitivität, Effizienz und Erlernbarkeit untersucht sowie die zeitliche Performance und Fehlerhäufigkeiten beim Einsatz der unterschiedlichen Werkzeuge analysiert. Die vorliegende Arbeit bietet eine Reihe von Ansätzen für künftige Erweiterungen, wie zum Beispiel die Weiterentwicklung zu einer Autorenumgebung für interaktive Anwendungen oder die Integration eines Kommunikationskanals zwischen den einzelnen Interaktionsmetaphern, um auf diese Weise auch komplexe Verhaltensmuster implementieren zu können

Visualisierungsmethoden für das interaktive Erfassen und Strukturieren von Informationen im Kontext der Freiform-Wissensmodellierung

In der vorliegenden Arbeit werden Visualisierungsmethoden für das interaktive Erfassen und Strukturieren von Informationen im Kontext der Wissensmodellierung konzipiert und untersucht. Motiviert ist das Vorhaben durch das Interesse von Wissensarbeitern an unterstützenden Werkzeugen sowie von Unternehmen und Institutionen, unstrukturiertes Prozesswissen zu erfassen, zu strukturieren und intern für Optimierungszwecke verfügbar zu machen. Diese Problematik tritt domänenunabhängig auf. Die Herausforderung dabei ist, diese branchenübergreifend zu lösen. Die zwei wesentlichen Nachteile des Wissensmodellierungsprozesses sind zum einen die aufwendige Dateneingabe durch Benutzer und zum anderen der komplizierte Prozess der Wissensformalisierung. In den frühen Phasen bisheriger Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung verwenden Wissensarbeiter hauptsächlich Papier und Stift sowie Whiteboards, da digitale Systeme für diesen Zweck häufig zu inflexibel sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen digitalen Lösungsansatz zu präsentieren, welcher diese nachteiligen Aspekte verbessert. Das Thema wird dabei methodisch in drei Schritten bearbeitet. Zuerst werden aktuelle Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung sowie dabei verwendete Hilfsmittel analysiert. Basierend auf diesen Untersuchungen wird als theoretische Lösung die Methode der Freiform-Wissensmodellierung vorgestellt, welche eine Alternative zur Papierform und zu bisherigen digitalen Systemen darstellt. Das erarbeitete Konzept umfasst eine digitale, stiftbasierte Tablet-Computer-Anwendung, welche die Art und Weise der Darstellungen mittels Papier und Stift mit den Vorteilen der Veränderbarkeit und Datenspeicherung digitaler Systeme kombiniert. Um die theoretischen Überlegungen zu untermauern, werden zwei aufeinander aufbauende, prototypische Softwareanwendungen in der vorliegenden Arbeit entwickelt und vorgestellt (Auf Implementierungsarbeiten betreuter Studenten wird an den entsprechenden Stellen im Text verwiesen). Im Rahmen einer Laborstudie wird die entwickelte Methode der Freiform-Wissensmodellierung, welche den Softwareanwendungen zugrunde liegt, mit der Verwendung von Stift und Papier verglichen. Da bis dato keine derartige Vergleichsstudie zwischen Papier und Tablet-Computer gefunden werden konnte, wird anforderungsgeleitet ein spezieller Studienaufbau entwickelt. Dieser kann zukünftig für andere Forschungsvorhaben verwendet werden. Die Ergebnisse belegen, dass die digitale Anwendung zur Freiform-Wissensmodellierung in ihren Möglichkeiten eine hohe Ähnlichkeit zur Verwendung von Papier und Stift aufweist. Sie eignet sich daher in besonderem Maße zur Unterstützung der frühen Phasen der Wissensmodellierung. Basierend auf den Erkenntnissen der Studie werden darüber hinaus Weiterentwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt. Für die wichtigsten Kritikpunkte wird ein weiterentwickeltes Konzept vorgestellt. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist ein in der Praxis auf Tablet-Computern anwendbares Konzept zur Wissensmodellierung. Dieses steht als prototypische Umsetzung zur Verfügung. Das entwickelte Konzept der Freiform-Wissensmodellierung ermöglicht jedem Benutzer (egal ob Laie oder Experte in grafischer Gestaltung oder in technischer Repräsentation) Gedanken visuell zu strukturieren und diese synchron in einem passenden Datenmodell abzulegen. Durch die Visualisierungsmethode der Freiformen wird die Struktur der Daten und der Aufbau der Informationen bereits durch die visuelle Oberfläche für den Benutzer und das System gleichermaßen „ersichtlich”. Das System erkennt die hierarchische Verschachtelung und Gruppierung von Informationen. Der darunterliegende Aufbau sowie die Struktur der Daten werden vom System grafisch explizit gezeigt, sodass ein Anwender zu jederzeit sieht, welche Struktur das System „verstanden” hat. So kann diese „entindividualisierte” Struktur der Inhalte auch von anderen Benutzern nachvollzogen werden. Dies erlaubt ein grundlegendes kooperatives Arbeiten. Das Konzept der Freiform-Wissensmodellierung ist dabei (ähnlich wie Whiteboards oder Papier und Stift) vom Anwendungsfall unabhängig einsetzbar. Die vorliegende Arbeit bietet einen neuartigen Ansatz, temporäre Informationen bereits im Verlauf der Wissensmodellierung digital festzuhalten und schrittweise weiterzuentwickeln. In der durchgeführten Studie wurden sämtliche von Probanden erstellte Typen grafischer Objekte ermittelt. Zukünftige Forschungsarbeiten können darauf aufbauend die softwareseitige Erkennung und Verarbeitung von handgezeichneten Inhalten verbessern. Somit bietet die vorliegende Arbeit die Grundlage für eine neue Generation unterstützender digitaler Werkzeuge für Wissensarbeiter.:1 Einleitung 2 Grundlagen und Begriffe 2.1 Überblick der Einflussfaktoren 2.2 Der Wissensbegriff 2.2.1 Grenzen der Definierbarkeit 2.2.2 Theoretische Ansätze 2.2.3 Arbeitsdefinition von Wissensarten 2.2.4 Abgrenzung der Wissensarten 2.3 Wissensmodellierung 2.3.1 Sinnerschließung 2.3.2 Wissensformalisierung 2.3.3 Problem der semantischen Lücke 2.4 Wissensrepräsentation 2.4.1 Interne (mentale) Repräsentation 2.4.2 Externe Repräsentation 2.5 Zusammenfassung der Grundlagen und Begriffe 3 Praxisanalyse der Wissensmodellierung 3.1 Relevanz der Arbeit mit Wissen 3.2 Rollen von Wissensarbeitern 3.3 Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung 3.3.1 Sinnerschließung als Arbeitsprozess 3.3.2 Wissensformalisierung als Arbeitsprozess 3.4 Stand der Forschung und Technik 3.4.1 Durchgeführte Befragungen von Wissensarbeitern 3.4.2 Werkzeuge zur Sinnerschließung 3.4.3 Werkzeuge zur Wissensformalisierung 3.5 Probleme und Herausforderungen aktueller digitaler Systeme 3.6 Lösungsansatz: Freiform-Wissensmodellierung 3.6.1 Formalästhetische Orientierung an der Praxis 3.6.2 Menschzentrierte Gestaltung der Prozesse und Systeme 3.6.3 Definition Freiform-Wissensmodellierung 3.6.4 Basis-Editor 3.6.5 Formalisierungs-Editor 3.7 Zusammenfassung der Praxisanalyse 4 Anforderungsspezifikation zum Basis-Editor 4.1 Anforderungen aus Benutzersicht 4.2 Anforderungen aus softwaretechnischer Sicht 4.3 Einordnung verwandter Arbeiten 4.3.1 Pinnwandsysteme mit planarer Anordnung 4.3.2 Systeme mit Netzwerkvisualisierungen 4.3.3 Systeme mit hierarchischer Repräsentation 4.3.4 Mischsysteme 4.3.5 Übersicht verwandter Arbeiten 5 SketchViz: ein Basis-Editor zur Sinnerschließung 5.1 Konzeption SketchViz 5.1.1 Paper Prototyping zur Konzeptentwicklung 5.1.2 Fokussierte Hardware: Tablet-Computer 5.1.3 Anforderungsbezogene Funktionen 5.1.4 Interaktionskonzept von SketchViz 5.1.5 Benutzeroberfläche von SketchViz 5.2 Umsetzung von SketchViz 5.2.1 Modularer Systemaufbau 5.2.2 Realisierung eines Prototyps 5.3 Fazit SektchViz 6 Vergleichsstudie zwischen SketchViz und Papier 6.1 Ziel der vorliegenden Untersuchung 6.1.1 Verwandte Studien 6.1.2 Zielsetzung der Studie 6.2 Untersuchungsaufgabe 6.2.1 Anforderungen an die Untersuchungsaufgabe 6.2.2 Verwandte Aufgabentypen 6.2.3 Aufbau der Untersuchungsaufgabe 6.3 Stichprobe 6.4 Studien-Design 6.4.1 Untersuchungsaufbau und Apparatur 6.4.2 Untersuchungsablauf 6.5 Fragestellungen der Laborstudie 6.5.1 Veränderungshandhabung 6.5.2 Übersichtlichkeit 6.5.3 Interaktion 6.5.4 Darstellungsformen 6.6 Ergebnisse 6.6.1 Ergebnisse bezüglich Veränderungshandhabung 6.6.2 Ergebnisse bezüglich Übersicht 6.6.3 Ergebnisse bezüglich Interaktion 6.6.4 Ergebnisse bezüglich Darstellungsformen 6.7 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 6.7.1 Eignung zur Unterstützung von Sinnerschließungsprozessen 6.7.2 Erreichte Ähnlichkeit zwischen SketchViz und Papier 6.7.3 Studienkritik 7 Weiterentwicklung SketchViz 7.1 Anforderungen aus den Ergebnissen der Evaluation von SketchViz 7.2 Suche nach einer formalästhetisch orientierten Visualisierungsmethode 7.3 Methodenbeschreibung zur Exploration natürlicher Materialien 7.4 Analyse der Experimentergebnisse mit fluiden Materialien 7.4.1 Interaktion mit fluiden Materialien 7.4.2 Visuelle Eigenschaften fluider Materialien 7.5 Übertragung physischer Eigenschaften fluider Materialien ins Digitale 7.5.1 Themenzuordnung 7.5.2 Hierarchiebildung 7.5.3 Veränderbarkeit 7.6 Fazit des weiterentwickelten Konzepts 8 Formalisierungs-Editor 8.1 Analyse des Arbeitsablaufs der Wissensformalisierung 8.2 Ontologien und deren Herausforderungen 8.2.1 Beispiel einer formalisierten Organisationsstruktur 8.2.2 Herausforderungen bei der Verwendung von Ontologien 8.3 Ein Formalisierungs-Editor basierend auf SketchViz 8.3.1 Arbeitsablauf mit Formalisierungs-Editor 8.3.2 Systemaufbau Formalisierungs-Editor 8.4 Erweiterte Anforderungen bezüglich des Formalisierungs-Editors 8.4.1 Übersicht bestehender und erweiterter Anforderungen 8.4.2 Beschreibung der erweiterten Anforderungen 8.5 Verwandte Arbeiten zur Wissensformalisierung 8.6 Prototypische Umsetzung des Formalisierungs-Editors 8.6.1 Modularer Aufbau von OntoSketch 8.6.2 Anforderungen zur Umsetzung 8.6.3 Realisierung von OntoSketch durch Schneider 8.7 Fazit OntoSketch 8.7.1 Übergang zwischen Sinnerschließung und Wissensformalisierung 8.7.2 Gegenüberstellung von SketchViz und OntoSketch 8.7.3 Gegenüberstellung zwischen OntoSketch und bisherigen menügesteuerten Werkzeugen 9 Zusammenfassung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung 9.2 Ausblick A Anhang A.1 Publikationsliste A.2 Preisauszeichnungen A.3 Dokumente und Fragebögen zur SketchViz Evaluation A.4 Handouts Natural Interface Exploration Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Glossar Inde

Interdisziplinäre Kooperation bei der Erstellung virtueller geschichtswissenschaftlicher 3D-Rekonstruktionen

Virtuelle 3D-Modelle finden in den historischen Disziplinen in zweierlei Art Verwendung. Zum einen dienen diese zur Erfassung und Digitalisierung existierender historischer Objekte. Daneben dient die Erstellung von virtuellen 3D-Rekonstruktionen der Nachbildung nicht mehr existierender Objekte und Strukturen. Während technische Abläufe beider Ansätze ebenso wie methodische und wissenschaftstheoretische Aspekte in der Fachliteratur häufig und umfassend thematisiert werden, ist eine Frage nach sozialen Aspekten und sozialer Interaktion im Kontext derartiger Vorhaben bisher unbeleuchtet geblieben. Ziel der Arbeit stellt dar, eine Bandbreite und Relevanz von Aspekten der Kooperation als „Zusammenarbeit mit gemeinsamem Ziel, gegenseitiger Abstimmung, planvollem Vorgehen sowie Vorteilen für alle Akteure“ (Hagenhoff, 2004) im Kontext derartiger geschichtswissenschaftlicher 3D-Modellierungsvorhaben mittels sozialwissenschaftlicher Methoden zu beleuchten. Dabei zielt eine Darlegung auf unterschiedliche Skalierungen von Kooperation ab – angefangen bei einer Wissenschaftslandschaft über Kooperationsstrukturen bis hin zu einer Betrachtung von spezifischen Kooperationsphänomenen und -strategien innerhalb von Arbeits- und Erstellungsprozessen