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«SketchAR – Sketching in Mixed Realities Raffaele de Amicis GRIS Fachbereich Graphisch Interaktive Systeme, Technische Universität Darmstadt ...»

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SketchAR – Sketching in Mixed Realities

Raffaele de Amicis

GRIS Fachbereich Graphisch Interaktive Systeme,

Technische Universität Darmstadt

Fraunhoferstr. 5, D-64283 Darmstadt

Tel.: 06151/155478, Fax.: 06151/155299

E-mail: Raffaele.de.Amicis@gris.informatik.tu-darmstadt.de

Pedro Santos, André Stork

Fraunhofer Institut für Graphische Datenverarbeitung,

A2 - Industrielle Anwendungen

Fraunhoferstr. 5, D-64283 Darmstadt

Tel.: 06151 / 155-472 / -469, Fax.: 06151/155299

E-mail: {Pedro.Santos/Andre.Stork}@igd.fhg.de Michele Fiorentino Politecnico di Bari Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Gestionale (DIMeG) Viale Japigia 182, I-70126 Bari Tel.: +39 080 5962-774, Fax.: +39 080 5962-777 E-mail: fiorentino@dimeg.poliba.it Abstract In diesem Beitrag stellen wir ein System zum Skizieren in Erweiterten Realitäten vor, das für unterschiedliche Anwendungen in der Produktentwicklung, insbesondere im Bereich Styling und Design geeignet ist. Motiviert ist die Entwicklung durch die Tatsache, dass die Virtuelle Realität in der Produktentwicklung viele physikalische Prototypen zwar ersetzt hat, diese aber nicht gänzlich verdrängen konnte und zukünftig wohl auch nicht verdrängen wird. Folglich werden Techniken benötigt, um auch physikalische Prototypen mit computergenerierten Infomationen anzureichern, z.B. um in Design-Review-Sessions physikalische Prototypen mit Annotationen zu versehen, um den Diskussionsstand zu dokumentieren oder sogar mit skizzenhafter Information zu bereichern, um vorgeschlagene Änderungen in Form von Kurven und Flächen ‚über` das Modell zu skizzieren und damit allen Beteiligten sichtbar zu machen. Zu diesem Zweck wird ein Computer Aided Styling – System benötigt, das die direkte drei-dimensionale Eingabe und Augmented Reality (AR) unterstützt.

1. Einführung Die Virtuelle Realität hat in dem vergangenen Jahrzehnt den Produktentwicklungsprozess stark beeinflusst. Viele Entscheidungen, die früher nur am physikalischen Modell (physical Mock-Up – PMU) getroffen werden konnten, werden heute am virtuellen Modell gefällt. Dadurch können Entscheidungen früher getroffen, Entwicklungsprozesse beschleunigt oder mehr Modellvarianten in der selben Zeit entwickelt werden. Allerdings muss auch festgestellt werden, dass den ersten Verheißungen aus der Frühzeit der Virtuellen Realität zum Trotz, PMUs nicht gänzlich durch virtuelle Modelle ersetzt werden konnten und auch nicht absehbar ist, dass dies jemals geschehen wird.

Beim Design Review eines virtuellen Modells können Änderungen prinzipiell direkt am zugrundeliegenden CAD-Modell durchgeführt werden – auch wenn dies heute von den wenigsten VR-Systemen, die beim Design Review eingesetzt werden, unterstützt wird.

Beim Design Review an einem physikalischen Modell hingegen, stellt sich die Frage, wie sich herkömmliche Formen der Dokumentation der Diskussion, wie Notizen, Skizzen, Taping, etc. direkt mit dem PMU in Verbindung und virtualisieren lassen. Hier stellt die Technologie der Erweiterten Realität (Augmented Reality – AR) einen Ansatz dar, um reale Objekte mit virtuellen Informationen zu überlagern.

AR wird traditionell eher in den späten Phasen der Produktlebenszyklus eingesetzt, z.B.

in den Phasen Training und Wartung. Hierbei werden i.d.R. vorbereitete Handlungsanweisungen (textueller und/oder graphischer Natur) in den Sichtbereich des Benutzers eingeblendet, wobei durch verschiedenartigste Trackingtechniken die korrekte Positionierung der eingeblendeten Information sichergestellt wird. Zur Überblendung der Realität mit virtueller Information kommen durchsichtige kopfgebundene Datenbrillen (see-through head mounted displays) oder video mixing zum Einsatz.

Im Gegensatz dazu handelt es sich bei unserer Applikation um eine generative Anwendung, mit der der Benutzer zur Laufzeit per direkter 3D-Interaktion neue Annotationen und Geometrien erzeugt bzw. skizziert. SketchAR stellt somit eine Weiterentwicklung von CAD über VR-CAD hin zu AR-CAD dar. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über das Hardware-Setup sowie die Software-Architektur des Systems. Er geht auf die Funktionalität und mögliche Anwendungen von SketchAR ein

2. Stand der Technik

In den letzten Jahren ist Design und die Entwicklung von Prototypen mehr und mehr zum Thema der aktuellen Forschung geworden. Angefangen mit einfachen Visualisierungssystemen und „point-grab-and-move“ Interaktion, sind immer komplexere Anwendungen entwickelt worden, die dann portiert und entwickelt wurden für VR.

Einer der ersten Modelliersysteme das immersive VR Technologie benutzt hat, war 3DM von Butterworth et al [1]. Die stereoskopische Ausgabe wurde durch ein „HeadMounted-Display“ (HMD) realisiert. Die Fähigkeiten zur Modellierung beschränkten sich auf die Entwicklung von Zusammengesetzten Objekten aus Standardprimitiven, wie Sphären und Zylindern. Freiform Funktionalität wurde nicht unterstützt.

In nicht-immersiven Anwendungen, evaluierten Steed und Slater [2] verschiedene Metaphern für 3D Interaktion mit einem Desktop Eingabegerät (5 DOF). Sie konzentrierten sich dabei auf Objektauswahl- und Bewegung, als auch auf Navigation im Raum; Objektgenerierung- und Veränderung wurden nicht angesprochen.

Chu et al [3] arbeiten an einem multi-modalen CAD System. Diese Anwendung kann an einem virtuellen Tisch (VT) benutzt werden unter Verwendung von virtuellen Handschuhen. Forsberg et al. erweiterten ihr SKETCH [4] System für 3D und benutzen zwei magnetische Tracker an einem VT für Objektveränderung mit der nichtdominanten Hand und 3D Sketching mit der dominanten Hand.





Ein Ansatz um Freiform Flächen in einer immersiven virtuellen Umgebung manuell mit der Hand zu definieren und zu verändern, wurde von Usoh et al.[5] beschrieben. Die Deformationen folgen dem physischen Modell, woraus ein elastisches Verhalten der Oberflächen erfolgt. Der Nachteil dieser Lösung besteht in der Komplexität der Berechnungen, die nicht in Echtzeit durchgeführt werden können. Dies geht in hohem Maße auf Kosten der Interaktionsfähigkeit des Systems.

Hummels et al. [6][7] untersuchen die Arbeitsmethode von Designern und schlagen eine Gesten basierte virtuelle Umgebung vor. Der sogenannte „Fishtank“ funktioniert als Desktop auf welchem der Inhalt von einem Monitor wiedergegeben wird. Die meisten Gesten sollen mit beiden Händen erfolgen. Keine Implementierungsdetails und Ergebnisse werden angegeben. Im selben Arbeitsgebiet, Automobildesign, benutzen Fontana [8] et al. ein Klassifizierungssystem für sogenannte „detail features“ zur ästhetischen und/oder funktionalen Charakterisierung von vordefinierten oder Freiform Funktionen.

Weitere Forschungen und Implementierungen wurden durchgeführt von Dani et al. [9].

Ihr „Conceptual Virtual Design System“ (COVIRDS) erlaubt die multi-modale Nutzung von verschiedenen Input-Streams, wie Spracheingabe, Gestenerkennung und 3D Einund Ausgabegeräte für die Modellierung von 3D Objekten. Die vorgeschlagenen Techniken für Freiform Oberflächendesign werden detailierter in Dani et al. [10] erklärt.

Sie beschreiben Generierung und Veränderung, bei der ein Benutzer an einer Projektionsscheibe einer planaren Fläche gegenübersteht. Indirekte 3D Interaktion mit einem Strahl erlaubt es dem Benutzer eine Menge von Punkten auszuwählen, die eine rechteckige Untermenge aller Kontrollpunkte, eine Reihe oder eine Spalte sein können.

Bei Veränderung der Menge der Kontrollpunkte ändert sich die Form der Oberfläche.

Aus den bisher vorgestellten Ansätzen, läßt sich zusammenfassend sagen, daß viele Lösungen zur Modellierung von festen und Freiform Flächen existieren. Die meisten Lösungen zum Zeichnen von Freiform Flächen beginnen mit einer vordefinierten Oberfläche, die im Anschluß in einem iterativen Prozeß deformiert wird in die gewünschte Form. Im Gegensatz dazu möchten wir es dem Benutzer ermöglichen eine Oberfläche im freien 3D Raum zu generieren, die schon zu Anfang die gewünschte Form annimmt um auf diese Weise Iterationen zu vermeiden und den Prozeß zu verkürzen.

Im Allgemeinen läßt sich feststellen, daß die meisten Arbeiten das Potential von Rückprojektionssystemen in Verbindung mit akzeptablen, leichtgewichtigen Interaktionsgeräten ausschöpfen, in den seltensten Fällen jedoch echte Modellierung unterstützen. Während der Großteil der für VR Eingabegeräte entstandenen Systeme sich auf schnelles aber unpräzises Entwerfen konzentriert, benötigt die Modellierung eine hohe Genauigkeit. Daher möchten wir in unserem System beides anbieten: Schnelle Definition der Objekte und Dimensionierung im nächsten Schritt für präzises Modellieren direkt im freien Raum.

3. Hardware-Setup Die Hardware-Konfiguration besteht im wesentlichen aus Trackingsystem, semitransparentem Head Mounted Display und PC-basierter Graphik-Workstation.

Abb. 1: Kamera-basiertes Tracking-System Abb.2 Eingabegeräte Abb.3 Der Stift Abb. 4: Anwender mit HMD Es kommt das optische Trackingsystem (Abb.1) der Firma Advanced Realtime Tracking (www.ar-tracking.de) zum Einsatz, das sich durch seine hohe Präzision, Geschwindigkeit und Berührungslosigkeit auszeichnet. Der Einsatz dieses neuen optischen Trackingsystems hat eine neue Qualität hinsichtlich Benutzbarkeit, Präzision und Stabilität gebracht. Die kabellose Anbindung an das System entlastet den Benutzer und erleichtert den Zugang zum System; der weitgehende Wegfall von Kabeln1 senkt die Akzeptanzschwelle (Abb.2). Die Präzision und die geringen Latenzzeiten ermöglichen ein flüssiges und genaues Arbeiten. Mit dem Trackingsystem werden sowohl die Position des Kopfes des Benutzers als auch die seiner Hände (Abb.3) und die des physikalischen Mock-Ups erfasst. Damit wird ein beidhändiges Interagieren sowie eine perspektivisch korrekte drei-dimensionale Darstellung unterstützt. Als semi-transparentes HMD (Abb.4) kommt ein modifiziertes n-vision VB 30 (www.nvis.com) zum Einsatz, das auf einem Sony Glasstron basiert.

Das Software-System läuft unter Microsoft Windows auf PC-basierten Graphikworkstations.

4. Software-Architektur Im Gegensatz zu vielen VR- bzw. AR-Systemen, die rein graphik-basiert sind, d.h. nur mit tessellierten Modellen arbeiten, setzt unser System konsequent auf die Verwendung einen CAD-Kerns (Abb.5). Dies erlaubt nicht nur den Zugriff auf eine mathematisch genaue Modellrepräsentation zur Laufzeit sondern auch den Import und Export unterschiedlichster CAD-Formate – auch der zur Laufzeit durchgeführten Änderungen und hinzugefügten Geometrien. Damit ist es eines der ersten und wenigen Systeme (auch Forschungsprototypen) die AR- mit CAD-Funktionalität verbinden.

Abb.5 Systemarchitektur

Unser System kombiniert den ACIS Modellierkern mit Studierstube/VT (www.studierstube.org) [11][12] als Interaktions-Framework. Studierstube/VT stellt das front-end und ACIS das back-end des integrierten Systems dar. Studierstube/VT bietet Im Moment wird noch ein Kabel zur Übertragung der Button-Events verwendet, das aber mittelfristig auch durch eine kabellose Lösung ersetzt wird.

die sogenannte „pen and tablet“ Metapher für VR Interaktion: Die nicht dominante Hand hält die transparente Palette, auf der die Menus und Buttons projiziert werden, während die andere Hand den Stift für anwendungsspezifische Aufgaben verwendet.

Unser System erweitert diese beiden Komponenten um intuitive Skizzier- und Modelliertechniken, die im folgenden Unterkapitel beschrieben werden.

5. Modellierfunktionalität, Methoden und Algorithmen Oberflächen werden von Kurven und Mengen von Kurven abgeleitet. Zu den Grundfunktionen unseres Systems gehört daher die Möglichkeit, Streckenzüge zu zeichnen, durch „Polylines“ bzw. „Curves“. Diese werden mittels intelligenter Gestenerkennung erkannt und diskretisiert. Auch lassen sich 3D Objekte generieren unter Verwendung von „Sweeping-„ und „Subtractive Sweeping“ Techniken, in denen Polygone ausgewählt werden können, welche entlang eines stückweise linearen Pfads bewegt werden. Um dem Benutzer schon während des Zeichnens der Oberfläche oder des 3D Objektes zu ermöglichen, eine Vorstellung des endgültigen Ergebnisses zu gewinnen, wird zu jedem iterativen Schritt in Echtzeit eine vereinfachte Darstellung als Vorschau aufbereitet. Eine weitere wichtige Eigenschaft des Systems, ist dem Benutzer eine möglichst intuitive Schnittstelle zu bieten, beispielsweise bei Auswahl der 3D Objekte und Modellierfunktionen (Abb.6).

Abb.6: 3D Hauptmenu in traditioneller (links) und semantischer (rechts) Darstellung

1. Freiformkurven und –flächen Neben 2D und 3D Primitiven, unterstützt das System den Entwurf von verschiedenen Freiformflächen. Unser Ziel ist es, bekannte Modellierungskonzepte für Freiformflächen wie beispielsweise „Coons“-Patches, „Net“ und „Skin“ -Flächen (Abb.7)zu unterstützen [13].

Abb.7: Skizze eines virtuellen Modells bestehend auf verschiedenen Flächentypen

Die Interpolationsalgorithmen für diese Freiformflächen, erfordern in der Regel ein bestimmtes Eingabeformat, d.h. Kurven müssen paarweise sortiert sein entlang der uund v-Richtung. Der Anwender muss dies wissen und beachten, was im Widerspruch steht zur intuitiven Interaktion. Als Folge dessen haben wir interaktive Techniken entwickelt, die es dem Anwender erlauben, Freiformflächen im 3D Raum zu entwerfen.

Das Ziel ist es, dem Anwender zu ermöglichen eine Freiformfläche ohne Vorbedingungen ‚einfach’ in den Raum skizzieren zu können [14][15][16].

Die intuitive Interaktion wird erreicht durch eine intelligente Verarbeitung der Eingabedaten. Dadurch lässt sich ein „Coons“-Patch mit einer einzigen 3D Bewegung zeichnen. Wann immer möglich, wird dem Anwender ein visuelles Feedback gegeben, beispielsweise erhält er eine Vorschau auf eine im Aufbau befindliche „Skin“-Fläche.

Abb. 8 Anwender generiert formveränderte Oberfläche eines Automobilchassis

2. Virtuelles 3D-Taping Das Taping ist eine im Automobildesign verbreitete Technik zu Definition zweidimensionaler charakteristischer Linien in großformatigen Ansichten. Dabei wird ein spezielles Klebeband zwischen der linken und der rechten Hand aufgespannt; die rechte Hand ist vom Untergrund entfernt. Mit der linken Hand wird der Kurvenverlauf fixiert während die rechte Hand den Verlauf definiert (Tangente an fixiertem Punkt)

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