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Bewertung und Nutzung immersiver Methoden der Digitalen Realität für Bau- & Umweltingenieuranwendungen innerhalb der Lehre und Praxis

Eller, Christian (2020):
Bewertung und Nutzung immersiver Methoden der Digitalen Realität für Bau- & Umweltingenieuranwendungen innerhalb der Lehre und Praxis.
In: Berichte des Instituts für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen, 02/2020, Darmstadt, Shaker Verlag GmbH, ISBN 978-3-8440-7555-7,
DOI: 10.25534/tuprints-00012788,
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Title: Bewertung und Nutzung immersiver Methoden der Digitalen Realität für Bau- & Umweltingenieuranwendungen innerhalb der Lehre und Praxis
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit Arbeit wurden die Grundlagen zur künstlichen Reizung der menschlichen Wahrnehmung zusammengestellt und mit der Analyse von 258 Displaytypen die Diskrepanz zwischen natürlicher und künstlicher Realität herausgearbeitet. Daneben wurden weitere Kriterien für die natürliche Interaktion aber auch das Gefühl etwas wahrhaftig erlebt zu haben bzw. präsent zu sein betrachtet und Synergien zwischen den einzelnen Komponenten aufgezeigt. Anschließend wurden Technologien und Medien wie AR, Erweiterte Virtualität, VR, 360°-Video & -Foto, 3D und 2D in einem gemeinsamen Kontext, hier bezeichnet als Digitale Realität, einsortiert und basierend auf den Forschungsergebnissen von Milgram et al. ein erweitertes Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum erstellt. Dieses stellt die einzelnen Technologien auf einer Skala von Abstraktion bis zur natürlichen Realität dar und hilft bei der klaren Abgrenzung voneinander. Diese umfangreiche Analyse und Differenzierung ermöglicht die Konzeptionierung eines Vergleichsparameters für Ingenieuranwendungen innerhalb der Digitalen Realität. Dieser wurde als Pan-Faktor basierend auf Immersion, Präsenz und Wechselwirkung mathematisch formuliert. Für jeden einzelnen Einflussfaktor sind Möglichkeiten zur Bezifferung abhängig der Kennwerte der Freiheitsgrade und des Anwendungsbereichs geschaffen worden. Dabei wird die Immersion als Reizung der menschlichen Wahrnehmung in allen Sinnesarten in ihrer Qualität und eingesetzten Quantität bewertet. Die Präsenz wird mittels des Körpergefühls und der Form der Bewegung bewertet und die Wechselwirkung weist die Interaktion mit dem Computer und die Kommunikation mit anderen Beteiligten auf. Hiermit wird eine Lösung präsentiert, welche die Abstraktion bzw. das Level der natürlichen Realität einer Ingenieuranwendung beziffern kann. Die mathematische Beschreibung dieser Komplexität ermöglicht den Vergleich von unterschiedlichen Applikationen verschiedener Bereiche und die leichtere Differenzierung von Unterschieden bzw. Potentialen.

Als Pan-Meter wurde die mathematische Beschreibung des Pan-Faktors gekoppelt an die erstellten Definitionen als Softwarelösung in Form einer Excel-Tabellenkalkulation als auch einer interaktiven und kontextsensitiven Webseite umgesetzt. Das Pan-Meter dient dazu, mit wenigen Eingaben des Nutzenden den Pan-Faktor einer jeden digitalen Ingenieuranwendung ermitteln zu können. Dabei werden die einzelnen Qualitäten und Quantitäten aller Bestandteile der Einflussfaktoren abgefragt und die Werte für Immersion, Präsenz, Wechselwirkung wie auch der Pan-Faktor berechnet. Mit Hilfe dieses Werkzeugs wurden anschließend 102 Ingenieuranwendungen aus den Bereichen der Ausbildung, Training, Planung, Ausführung und Betrieb im Bau- und Umweltwesen bewertet und miteinander verglichen. Damit konnten primär eingesetzte Medien in den unterschiedlichen Kategorien festgestellt und jeweilige Potentiale identifiziert werden. Dieser Vergleich wurde dem Pan-Meter hinzugefügt, um direkt bei der Ermittlung des Pan-Faktors eine Übersicht über die Abweichung zu anderen Anwendungen zu erhalten. Mit dieser Vergleichsanalyse und dem Pan-Faktor wurde in Bezug auf die digitalen Ingenieurmethoden eine Handlungsempfehlung konzeptioniert, welche eine Aussage zum geeigneten Medium bzw. Technologie, als auch den einzusetzenden Displayarten und Umsetzungsqualitäten trifft. Dabei werden für jeden Einflussfaktor des Pan-Faktors Aussagen und Vorschläge zur geeigneten Reizung gegeben und kurz erklärt. Außerdem wird der mögliche Pan-Faktor, der daraus entstehenden Entwicklung, prognostiziert und mit den Existierenden verglichen, um bereits vor der Entwicklung Unterschiede zu erkennen und Potentiale zu nutzen. Die Handlungsempfehlung richtet sich dabei an Ingenieure und Ingenieurinnen, die digitale Ingenieurmethoden innerhalb der Digitalen Realität entwickeln möchten, oder eine bestehende Applikation verbessern wollen. Für beide Fälle sieht das Konzept eine Empfehlung mit mindestens zwei und maximal drei Lösungsvarianten vor. Das Konzept für eine Handlungsempfehlung mittels Pan-Faktor wurde in einer weiteren Software, namens HEL.P., als interaktive Webseite implementiert. Dabei wurde, wie auch beim Pan-Meter, die Möglichkeiten zur kontextsensitiven Inhaltsbildung von Webseiten genutzt, um die komplexen Inhalte ansprechend, übersichtlich und für den Nutzenden einfach aufzubereiten und dabei eine notwendige Informationstiefe zu gewährleisten.

Am Ende dieser Arbeit wurden beide Konzepte und Umsetzungen verifiziert und validiert. Hierfür wurden die Funktionalitäten beider Softwarelösungen darüber getestet, ob bei einer definierten Eingabe auch die vorher definierte Ausgabe entsteht. Dies wurde in einem lokalen System als auch in einem Netzwerk mit Server-Client-Struktur mit verschiedenen Geräten durchgeführt. Anschließend ist durch die Betreuung und Entwicklung eines realen Projekts, namens VR4Teach, die Handlungsempfehlung als auch die Klassifizierung durch den Pan-Faktor validiert worden. Dies geschah indem anhand definierter Projektziele die Handlungsempfehlung durchgeführt und mit den Resultaten die Umsetzung implementiert wurde. Der Vergleich mit anderen Anwendungen hat geholfen, um die Potentiale zu erkennen und direkt bei der Umsetzung mit einfließen zu lassen. Dies ermöglichte die Vermeidung von zusätzlichen Iterationsschritten in der Entwicklung. Durch die Implementierung mit dem Resultat eines funktionstüchtigen Demonstrators konnte gezeigt werden, dass die Empfehlung für das Projekt zielführend und die Umsetzungsvorschläge umsetzbar und realistisch sind. Anschließend konnte gezeigt werden, dass der Pan-Faktor der Vorhersage der tatsächlichen Anwendung entspricht. Mit diesem Projekt konnte die Stärke und die Richtigkeit des Pan-Faktors als auch der Handlungsempfehlung nachgewiesen werden. Der Pan-Faktor ist demnach für Ingenieure und Ingenieurinnen einsetzbar, um Anwendungen, Forschungen innerhalb der Digitalen Realität zu beziffern und damit vergleichbar zu gestalten.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this thesis, the basics of artificial stimulation of human perception were compiled and the discrepancy between natural and artificial reality was worked out by analyzing 258 display types. In addition, further criteria for natural interaction, but also the feeling of having truly experienced something or being present were considered and synergies between the individual components were shown. Subsequently, technologies and media such as AR, extended virtuality, VR, 360° video & photo, 3D and 2D were sorted into a common context, here referred to as Digital Reality, and an extended reality-virtuality-continuum was created based on the research results of Milgram et al. This presents the individual technologies on a scale from abstraction to natural reality and helps to clearly distinguish between them. This extensive analysis and differentiation enables the conceptualization of a comparison parameter for engineering applications within Digital Reality. This was mathematically formulated as a pan-factor based on immersion, presence and interaction. For each individual influencing factor, possibilities have been created for quantification depending on the characteristic values of the degrees of freedom and the area of application. The immersion as stimulation of human perception in all senses is evaluated in its quality and quantity. The presence is evaluated by means of the body sensation and the form of movement, and the interaction shows the interaction with the computer and the communication with other participants. Herewith a solution is presented which can quantify the abstraction or the level of natural reality of an engineering application. The mathematical description of this complexity enables the comparison of different applications of different areas and the easier differentiation of differences or potentials. The mathematical description of the pan-factor coupled with the created definitions was implemented as a software solution in the form of an Excel spreadsheet as well as an interactive and context-sensitive web page. The pan-meter is used to determine the pan-factor of any digital engineering application with a few inputs from the user. The individual qualities and quantities of all components of the influencing factors are queried and the values for immersion, presence, interaction as well as the pan factor are calculated. This tool was then used to evaluate and compare 102 engineering applications from the fields of education, training, planning, execution and operation in the construction and environmental sectors. Thus, primarily used media in the different categories could be determined and respective potentials identified. This comparison was added to the Pan-Meter in order to obtain an overview of the deviation from other applications directly when determining the pan factor. With this comparative analysis and the pan-factor, a recommendation for action was conceived with regard to the digital engineering methods, which makes a statement about the suitable medium or technology, as well as the display types and implementation qualities to be used. For each influencing factor of the pan-factor, statements and suggestions for suitable stimulation are given and briefly explained. In addition, the possible pan-factor, the resulting development, is predicted and compared with the existing ones in order to recognize differences and use potentials even before the development. The recommended course of action is aimed at engineers who want to develop digital engineering methods within Digital Reality or improve an existing application. For both cases the concept provides a recommendation with a minimum of two and a maximum of three solution variants. The concept for a recommendation for action by means of a pan-factor was implemented in another software, called HEL.P., as an interactive website. As with the Pan-Meter, the possibilities for context-sensitive content creation of web pages were used to prepare the complex content in an appealing, clear and simple way for the user, while ensuring the necessary depth of information. At the end of this work both concepts and implementations were verified and validated. For this purpose, the functionalities of both software solutions were tested to determine whether a defined input also produces the previously defined output. This was done in a local system as well as in a network with server-client structure with different devices. Subsequently, the recommended course of action and the classification by the pan-factor was validated by the support and development of a real project called VR4Teach.English
Series Name: Berichte des Instituts für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen
Volume: 02/2020
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Shaker Verlag GmbH
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 000 Allgemeines, Wissenschaft
000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Numerical Methods and Informatics in Civil Engineering
Date Deposited: 30 Sep 2020 08:41
Last Modified: 30 Sep 2020 12:28
DOI: 10.25534/tuprints-00012788
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-127885
Refereed: 16 July 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/12788
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