Anwendungsleuchttürme - Bericht #13: VDC-Leuchtturm #1: Projektionsbasierte Erweiterte Realität in Designanwendungen - VDC Fellbach
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Anwendungsleuchttürme Bericht #13: VDC-Leuchtturm #1: Projektionsbasierte Erweiterte Realität in Designanwendungen Stand: v02. 16.12.2020
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung - Aufgabenstellung ........................................................................................................ 3
2. Leuchtturm Hybrid Design............................................................................................................... 4
a. Relevante Anwendungen ............................................................................................................ 4
b. Grundlegende Idee des Leuchtturms .......................................................................................... 4
3. Physischer Leuchtturm-Aufbau ....................................................................................................... 6
4. Anwendungsbeispiele des Leuchtturms - Use Cases ...................................................................... 7
a. Anwendungsbeispiel 1: Radio der Fa. JGC .................................................................................. 7
b. Anwendungsbeispiel 2: Weltmeisterschaftsmedaille der Fa. Bernd Kussmaul, Weinstadt ....... 8
c. Anwendungsbeispiel 3: Concept Car Mercedes-Benz VISION AVTR der Fa. Daimler ................. 8
d. Anwendungsbeispiel 4: Waschmaschine Siemens WM14U940EU der Fa. BSH ....................... 10
5. Literatur und Verweise .................................................................................................................. 11
6. Annex - Projektorenvergleich für Aufprojektion ........................................................................... 12
7. Impressum ..................................................................................................................................... 13
8. Förderhinweis ................................................................................................................................ 13
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Hybrid Design mit Projektions-AR: relevante Anwendungen.........................................4
Abbildung 2: Grobskizze eines hybriden Designprozesses ..................................................................5
Abbildung 3: Versuchsaufbau 1 mit Projektor BenQ LK953ST .............................................................6
Abbildung 4: Versuchsaufbau 2 mit Projektor projectiondesign / BARCO F10 AS3D ..........................6
Abbildung 5: Farbvarianten des Radios ...............................................................................................7
Abbildung 6: Radio in blau; LED ein .....................................................................................................7
Abbildung 7: Radio in blau mit aufgehellter Seite; LED aus .................................................................7
Abbildung 8: Unbeschienener und beschienener 3D-Druck nebeneinander ......................................8
Abbildung 9: Fotographie des Endergebnisses ....................................................................................8
Abbildung 10: Beschichteter 3D-Druck des Fahrzeugs Mercedes-Benz VISION AVTR ..........................8
Abbildung 11: Fotographie der Aufprojektion auf Fahrzeug von vorne; Reifenbeleuchtung
aktiviert ...........................................................................................................................9
Abbildung 12: Wechsel der Fahrzeug-Lackfarbe; Reifenbeleuchtung und Heckleuchte sind
aktiviert ...........................................................................................................................9
Abbildung 13: Wechsel der Fahrzeug-Lackfarbe; ..................................................................................9
Abbildung 14: Stereoskopische Anzeige: die Stereo-Doppelbilder des Fahrzeug-Innenraums
sind gut zu sehen ............................................................................................................9
Abbildung 15: Beschichteter 3D-Druck der Waschmaschine Siemens WM14U940EU ...................... 10
Abbildung 16: Bedienungssimulation der Waschmaschine über im 3D-Druck verbaute
Touch-Sensoren ........................................................................................................... 10
Abbildung 17: Fotographien der projizierten Stereo-Sichten auf die Waschmaschine.
Unterschiede ergeben sich nur bei den Sichten in die Trommel und auf die
Waschmittellade .......................................................................................................... 10
Abbildung 17: Projektorenvergleich ................................................................................................... 12
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1. Einführung - Aufgabenstellung
Hintergrund
Für die mittelständischen Unternehmen in Baden-Württemberg sind erfolgreiche und greifbare
Beispiele für die Entscheidungsfindung bei der VR-Einführung als Vorbilder sowie als Machbar-
keits- und Wirtschaftlichkeitsnachweis wichtig. Deshalb werden im Projekt mehrere Anwendungs-
leuchttürme zur VR-Nutzung bzw. der Einführung neuer V/AR-Technologien in Unternehmen mit
jeweils einem Partner-Unternehmen oder einem Unternehmensnetzwerk realisiert.
Adressiert wurden primär Anwendungen für produzierende Unternehmen im Hinblick auf die VR-
Einführung in der Produktentstehung bzw. im Produktlebenszyklus einschließlich der Dienstleis-
tungsintegration. Die produzierende Industrie verzeichnet seit Jahren eine relativ abnehmende
Bedeutung der Wertschöpfung durch die Herstellung des physischen Produkts, hingegen einen re-
lativ wachsenden Anteil von Wertschöpfung in Prä- und Post-Produktions-Phasen. Eine zentrale
Rolle spielen dabei sogenannte Produkt-Service-Systeme. Das Applikationszentrum wird daher
nicht nur die Entwicklung des physischen Produkts ("Virtual Engineering") unterstützen, sondern
auch die Entwicklung der verbundenen Produkt-Services. Es ist geplant, diese schwierig darzustel-
lenden Services mittels interaktiver 3D-Szenario-Visualisierungen zu planen und zu präsentieren.
Zielstellung
Ziel war es, das Potential für den produktiven und wirtschaftlichen Einsatz von V/AR im Unter-
nehmen an konkreten und hoch anwendungsrelevanten Beispielen aufzuzeigen und für Unter-
nehmen erlebbar zu machen. Um eine große Reichweite zu erzielen, wurden die Anwendungs-
leuchttürme als Demonstratoren bereitgestellt, um die Zugänglichkeit für andere interessierte Un-
ternehmen zu gewährleisten.
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2. Leuchtturm Hybrid Design
a. Relevante Anwendungen
Hybrides Design - also die Kombination physischen und digitalen Prototyings - spielt seine Stärken
unserer Meinung nach vor allem auf acht Feldern (s. Abbildung 1) aus, da hier die digitale Projek-
tion den 3D-Druck um wichtige Aspekte ergänzt, die ansonsten fehlen würden: Spiegel-, Glanz-
und Lichteffekte ließen sich im konventionellen Attrappen-Bau nur über aufwändige Folienbes-
pannungen und Lackierungen erreichen. Farb- und Materialkonfigurationen können nur über ver-
schiedene Attrappen ermöglicht werden. Noch nicht realisierte Anbauten müssten konventionell
in jedem Fall hergestellt werden. Zur Darstellung charakteristischer Linien und Konturen benötigt
man konventionell Clay oder 3D-Drucke. Der Blick durch Glas ist mit Clay gar nicht möglich, son-
dern nur über aufwändigen Attrappen-Bau. Dynamische und interaktive Inhalte müssten konven-
tionell über eingebaute Bildschirme oder Touch Screens simuliert werden. Vergleichende Usabili-
ty-Studien erfordern in der konventionellen Arbeitsweise Varianten von Attrappen, sind also auch
aufwändig.
Abbildung 1: Hybrid Design mit Projektions-AR: relevante Anwendungen
b. Grundlegende Idee des Leuchtturms
Die grundlegende Idee dieses Leuchtturm ist es, Bestandteile eines hybriden Designprozesses
praktisch zu demonstrieren. Dieser Prozess ist in Abbildung 2 skizziert: Der Nutzer kann in den di-
gitalen 2D-Sektching- oder gleich in den 3D-Sketching-Prozess einsteigen. Das so erzeugte digitale
3D-Modell ist in mindestens drei Zweigen weiterzuentwickeln: für die spätere Konstruktion wird
ein parametrisierbares CAD-Modell mit hoher Oberflächengüte (z.B. sehr gute Stetigkeitseigen-
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schaften) benötigt. Die
Simulation kann sich
hier anschließen. Das
Rendering-Modell dient
zur photorealistischen
Darstellung, benötigt
daher Materialien und
Texturen. Das druckfä-
hige 3D-Modell muss ein
eindeutig abgegrenzter
Festkörper ohne Lücken
und Löcher sein. Das
Rendering-Ergebnis
(Bild, Film, interaktive
3D) und der 3D-Druck
werden per Projektions-
AR miteinander kombi-
niert. Der Designer kann
aber auch den 3D-Druck
direkt visuell und hap-
tisch beurteilen. Medi-
enbrüche werden bei
diesem Vorgehen ver-
mieden. Obgleich Hybrid Abbildung 2: Grobskizze eines hybriden Designprozesses
Design ein machbares und lohnendes Arbeitsfeld sein kann, so gibt es dennoch zuvor einige Fra-
gestellungen in diesem Kontext zu lösen, da insbesondere die Anwendung von Projektions-AR für
Designaufgaben noch nicht häufig (industriell) ausprobiert wurde.
Dieser Leuchtturm-Demonstrator umfasst daher folgende hier relevante Aspekte:
Modellerzeugung und -aufbereitung: VR-Modellierwerkzeuge und Weiterverarbeitung der
3D-Daten
Lichtsteuerung und Ein-Kanal- versus Mehr-Kanal-Projektion: Kompensierende Beleuch-
tungskonzepte für die 3D-Szene
Zwei-Perspektiven-Rendering: Perspektivisch richtige Darstellung von Elementen vor und
hinter der Projektionsfläche (Oberfläche des 3D-Drucks)
Stereovision: Stereoskopische Darstellung von Elementen vor und hinter der Projektionsflä-
che (Oberfläche des 3D-Drucks)
Projektionsmedium: Auswahl der richtigen Beschichtung der Projektionsfläche (Oberfläche
des 3D-Drucks)
Interaktivierung eines 3D-Drucks: Einsatz von Touch-Sensoren innerhalb des 3D-Drucks; in-
teraktive 3D-Modelle
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3. Physischer Leuchtturm-Aufbau
Eine der Herausforderungen bei der Aufprojektion ist es, hohe Kontrastwerte zu erzielen. Daher
müssen u. a. Streulichteinflüsse gering gehalten werden. Des Weiteren ist es vorteilhaft, das phy-
sische Objekt unter einem Dreh- und Kippwinkel zu bestrahlen, um auf diese Weise mehrere Sei-
ten beleuchten zu können. In der Konsequenz wurden eine dreiseitige Präsentationsfläche mit
Licht-schluckendem Bühnenmoltontuch gebaut. Die Interaktion erfolgt über Tastatur und Maus.
Monoskopische Installation
Der monoskopische Demonstrator integriert den Projektor Projektoren BenQ LK953ST, der mittels
eines Gestells aus Montageprofilen angehoben und gekippt werden kann (siehe Abbildung 3). Der
BenQ LK953ST LA-
SER-Projektor be-
sitzt eine Auflösung
von 3840 x 2160
Pixeln bei 5.000
ANSI-Lumen und
kann über kürzeste
Distanzen eingesetzt
werden. Zur Aus-
wahl fand ein um-
fangreicher Ver-
gleich statt (s. Ab-
bildung 18). Abbildung 3: Versuchsaufbau 1 mit Projektor BenQ LK953ST
Stereoskopische Installation
Der stereoskopische Demonstrator integriert den Projektor projectiondesign / BARCO F10 AS3D,
der mittels eines Gestells aus Montageprofilen angehoben und gekippt werden kann (siehe Abbil-
dung 4). Der projectiondesign / BARCO F10 AS3D DLP-Projektor besitzt eine Auflösung von 1.400 x
1.050 Pixeln bei
2.400 ANSI-Lumen
und ist stereofähig.
Für diesen Aufbau
wurden zudem noch
ein Dual Display
Port (Matrox Dual
Head2Go) und zwei
Video-Splitter in
einem mobilen Ge-
stell integriert, so
dass dieses für Mes-
Abbildung 4: Versuchsaufbau 2 mit Projektor projectiondesign / BARCO F10 AS3D
sen einsetzbar ist.
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4. Anwendungsbeispiele des Leuchtturms - Use Cases
a. Anwendungsbeispiel 1: Radio der Fa. JGC
Im Fallbeispiel Nummer eins behandelte erste Versuche
mit Aufprojektionen auf 3D-Drucke. Zu diesem Zweck
wurde ein 3D-Modell eines Radiogeräts gedruckt, mit
modifizierter Projektionsfarbe beschichtet und per Projek-
tor beschienen. Das 3D-Modell lag ursprünglich als Blen-
der- und obj-Datei vor und wurde für den 3D-Druck in eine
STL-Datei konvertiert, für die Visualisierung in ein VRML-
Format.
Eine Status-LED des 3D-Modells wurde animiert, so dass
sie blinkt.
Die Interaktion mit dem Demonstrator im VRML-Viewer
umfasst: Abbildung 5: Farbvarianten des Radios
Tasten 'P' und 'Ö'
Frontlicht hoch- und herunterdimmen
Tasten 'Ä' und 'Ü'
Seitenlichter hoch- und herunterdimmen
Taste 'R'
Das Radio kann bei stationären Lichtquellen gedreht
werden
Taste 'M'
Die gesamt Oberfläche des 3D-Objekts wird durch eine
Textur definiert. Verschiedene Farben wurde über ver- Abbildung 6: Radio in blau; LED ein
schieden eingefärbte Texturen realisiert. Der Benutzer
kann die Farben im Modell zu Konfigurationszwecken
wählen
Tasten 'Page-Up' und 'Page-Down'
Ansteuerung von Viewpoint, die um die Hochachse des
3D-Modells herum angelegt sind.
Abbildung 7: Radio in blau mit aufgehell-
ter Seite; LED aus
7
b. Anwendungsbeispiel 2: Weltmeisterschaftsmedaille der Fa. Bernd Kussmaul, Weinstadt
Im Fallbeispiel Nummer zwei ging es um die
Materialauswahl für die Medaillen für die
Leichtathletik-Weltmeisterschaft in Stutt-
gart im Jahr 2019.
Das 3D-Modell wurde im Maßstab 1:1 3D-
gedruckt. Gleichzeitig wurden High-End-
Renderings mit 3D Studio Max mit vorgege- Abbildung 8: Unbeschienener und beschienener 3D-Druck
benen Kippwinkeln Projektor zu 3D-Druck nebeneinander
erstellt. Diese High-End-Rendering (2D-
Bilder) werden aufprojiziert.
Das Endresultat zeigt ganz hervorragend die
Spiegelungen und Reflektionen auf dem
Objekt im Maßstab 1:1 (siehe Abbildung 9).
Gleichzeitig kann man einen Teil der Haptik
der Medaille erfassen. Die Kalthaptik und
das Gewicht des Metalls lassen sich aller-
dings mit den vorhandenen Mitteln leider
nicht nachbilden.
Abbildung 9: Fotographie des Endergebnisses
Das Modell ist weder interaktiv noch ani-
miert.
c. Anwendungsbeispiel 3: Concept Car Mercedes-Benz VISION AVTR der Fa. Daimler
Fallbeispiel drei widmet sich dem Concept Car
Mercedes AVTR (ADVANCED VEHICLE TRANS-
FORMATION). Dieses Konzeptfahrzeug ver-
körpert die Vision von Mercedes-Benz Desig-
nern, Ingenieuren und Trendforschern für
Mobilität in ferner Zukunft. Folgende Hybrid-
Design-Konzepte werden anhand dieses Bei-
spiels praktisch demonstriert:
Beleuchtungskonzepte: Ansteuerung der
virtuellen Lichtquellen um eine befriedi-
gend realistische Ansicht des bestrahlten
3D-Drucks zu erzielen (siehe Abbildung 11)
Darstellung verschiedener Lack-Farben
Abbildung 10: Beschichteter 3D-Druck des Fahrzeugs Mer-
(siehe Abbildung 12, Abbildung 13) cedes-Benz VISION AVTR
8
Ein-/Ausfahren der Heckklappen (siehe
Abbildung 12, Abbildung 13)
Ein-/Ausschalten der Beleuchtung der Bal-
lonreifen (siehe Abbildung 11)
Ein-/Ausschalten der Frontscheinwerfer
und Heckleuchten
Stereoskopische Ansicht des Innenraums
(siehe Abbildung 14).
Sound im Fahrzeug (etwa beim Verstellen
der Heckklappen): auf diese Weise wird Abbildung 11: Fotographie der Aufprojektion auf Fahrzeug
noch einmal verdeutlicht, wenn sich etwas von vorne; Reifenbeleuchtung aktiviert
beim Fahrzeug bewegt oder verstellt wird.
Perspektivische Korrektur der Sicht in den
Innenraum.
Die Interaktion mit dem Demonstrator im
VRML-Viewer umfasst:
Taste 'A' und 'Y'
3D-Menü (HUD) für das Ziehen der Hinter-
grundszenen (Frontscheibe und Heckschei-
be) ein- bzw. ausblenden. Abbildung 12: Wechsel der Fahrzeug-Lackfarbe; Reifenbe-
Tasten 'P' und 'Ö' leuchtung und Heckleuchte sind aktiviert
Frontlicht hoch- und herunterdimmen
Tasten 'Ä' und 'Ü'
Seitenlichter hoch- und herunterdimmen
Taste 'R'
Leuchten in den Ballonreifen ein- und aus-
schalten.
Taste 'F' Abbildung 13: Wechsel der Fahrzeug-Lackfarbe
Frontscheinwerfer und Heckleuchten ein-
und ausschalten.
Tasten 'S'
Heckspoiler ein- und ausfahren.
Taste 'Q' und 'F'
Distanz zwischen 3D-Modell und virtueller
Kamera erhöhen bzw. verringern.
Abbildung 14: Stereoskopische Anzeige: die Stereo-
Doppelbilder des Fahrzeug-Innenraums sind gut zu sehen
9
d. Anwendungsbeispiel 4: Waschmaschine Siemens WM14U940EU der Fa. BSH
Fallbeispiel vier zeigt die Waschmaschine Siemens
WM14U940EU der Fa. BSH. Folgende Darstellungs-
konzepte wurden anhand dieses Beispiels praktisch
gezeigt:
Beleuchtungskonzepte: Ansteuerung der virtuel-
len Lichtquellen um eine befriedigend realisti-
sche Ansicht des bestrahlten 3D-Drucks zu erzie-
len.
Ein-/Ausfahren der Waschmittellade (siehe Ab- Abbildung 15: Beschichteter 3D-Druck der Waschma-
bildung 17) schine Siemens WM14U940EU
Animation der Wäschetrommel, Unterlegung
mit Arbeitsgeräuschen
Animation der Druckschalter (Eindrücken) und
Unterlegung mit Schaltgeräuschen
perspektivische Schrägsicht (Off-Center-
Projektion) in die Wäschetrommel und auf die
Waschmittellade (siehe Abbildung 17)
stereoskopische Sicht in die Wäschetrommel
und auf die Waschmittellade (siehe Abbildung
17) Abbildung 16: Bedienungssimulation der Waschma-
direkte Ansteuerung der beiden Schaltknöpfe schine über im 3D-Druck verbaute Touch-Sensoren
über im 3D-Druck integrierte Touch-Sensoren.
Die Interaktion mit dem Demonstrator im VRML-
Viewer umfasst:
Linker Druckknopf des 3D-Drucks
Dieses entspricht dem Drücken der Taste 'T' auf
einer Tastatur (über Arduino Leonardo): die
Abbildung 17: Fotographien der projizierten Stereo-
Wäschetrommel wird ein- bzw. ausgeschaltet. Sichten auf die Waschmaschine. Unterschiede erge-
Rechter Druckknopf des 3D-Drucks ben sich nur bei den Sichten in die Trommel und auf
die Waschmittellade
Das Drücken entspricht dem Aktivieren der Tas-
te '3', das Loslassen dem Aktivieren der Taste '4'
auf einer Tastatur. Das Display auf der Wasch-
maschine sowie der Druckknopf werden ge-
steuert.
Taste '1'
Linken Druckknopf eindrücken.
Taste '2'
Linken Druckknopf loslassen.
Taste '3 '
Rechten Druckknopf eindrücken.
Taste '4 '
Rechten Druckknopf loslassen
Taste '5''
Ein- bzw. Ausfahren der Waschmittelklappe
105. Literatur und Verweise
Die Konzepte, die innerhalb dieses Anwendungsleuchtturm demonstriert werden, basieren im
ganz Wesentlichen auf den Arbeiten des VDCs im Bereich Hybrid Design und Immersive Design.
[01] Runde, Christoph: Applikationszentrum VAR - Bericht #05 - AP 8 - Narrative Applikationen -
Hybrid Design Journey. Virtual Dimension Center (VDC), Fellbach: August 2020
DOI: 10.6084/m9.figshare.12821351
[02] Runde, Christoph: Applikationszentrum V/AR Bericht #9: Narrative Applikationen: Projekti-
onsbasierte Erweiterte Realität in Designanwendungen. Virtual Dimension Center (VDC),
Fellbach: November 2020
DOI: 10.6084/m9.figshare.13241783
116. Annex - Projektorenvergleich für Aufprojektion
Abbildung 18: Projektorenvergleich
127. Impressum
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Kompetenzzentrum für Virtuelle Realität und kooperatives Engineering w.V.
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Tel.: +49(0)711 58 53 09-0
Fax : +49(0)711 58 53 09-19
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8. Förderhinweis
Die vorgestellten Arbeiten entstanden im Rahmen des Projekt "Applikationszentrum V/AR" wel-
ches durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg geför-
dert wird.
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