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Digital Engineering

Augmented Reality

Zeitalter von Augmented Reality: So bereiten Sie sich darauf vor

| Autor / Redakteur: Eduard Rüsing / Stefanie Michel

„Nur die Erfahrung zählt“, ist besonders im Fall der Erweiterten Realität ein richtiger Satz. Die Nutzer sind immer wieder vom AR-Erlebnis eingenommen, um nicht zu sagen begeistert. Im Bild die Reaktionen der Visualisierung des Innenlebens des Hydraulikaggregates Cytropac von Bosch Rexroth.
„Nur die Erfahrung zählt“, ist besonders im Fall der Erweiterten Realität ein richtiger Satz. Die Nutzer sind immer wieder vom AR-Erlebnis eingenommen, um nicht zu sagen begeistert. Im Bild die Reaktionen der Visualisierung des Innenlebens des Hydraulikaggregates Cytropac von Bosch Rexroth. (Bild: PTC)

Augmented Reality wird eine neue Brücke schlagen zwischen der digitalen und der physischen Welt, zwischen Mensch und Maschine. Die gesamte Bandbreite dieser Technologie wird die Art und Weise verändern, wie wir lernen, wie wir Entscheidungen treffen oder mit der physischen Umwelt interagieren.

Augmented Reality (AR, auch „Erweiterte Realität“) ist nicht nur ein weiterer Kommunikationskanal, sondern eine völlig neue Methode mit Menschen in Kontakt zu treten. AR soll die Kluft schließen zwischen einer begrenzten mentalen Kapazität und Aufnahmefähigkeit des Menschen und der ständig wachsenden Menge an Daten und Erkenntnissen, die die virtuelle, digitale Produktwelt bereitstellt. Das ist auch der Ansatz, von dem aus Prof. Michael E. Porter (Harvard Business School) und James E. Heppelmann, Präsident und CEO von PTC, in einer Abhandlung im Harvard Business Manager vom Februar 2018 erarbeiten, was Augmented Reality ist, welche Technologien und Anwendungen sie künftig so wichtig macht und wie AR in der unternehmerischen Praxis umgesetzt werden kann.

Zum Artikel „Eine Brücke zwischen digitaler und physischer Welt“ von Prof. Michael E. Porter und James E. Heppelmann

Was ist Augmented Reality?

In dieser Zusammenfassung gehen wir darauf ein, welche Bereiche Erweiterte Realität in Unternehmen verändern wird, beispielsweise wie Kunden bedient und informiert werden, wie Mitarbeiter geschult, wie Produkte konzipiert beziehungsweise entwickelt und produziert oder wie generell die Wertschöpfungsketten gemanagt werden. Allgemein formuliert ermöglicht AR eine neue Form der Informationsbereitstellung, die nach Ansicht der Autoren weitreichende Auswirkungen darauf haben wird, wie Daten strukturiert, verwaltet und über Internet zur Verfügung gestellt werden. Der Nutzer muss bisher die Bereitstellung der Daten auf einem zweidimensionalen Medium in die dreidimensionale Wirklichkeit transformieren. Jeder, der schon einmal versucht hat mithilfe eines Handbuches ein etwas komplizierteres Gerät einzurichten oder gar zu reparieren, kennt diesen Arbeitsvorgang und weiß, wie schnell man daran scheitern kann.

Das hängt mit den fünf Sinnen und der Art zusammen, wie der Mensch Informationen verarbeitet. Schätzungsweise 80 bis 90 % der aufgenommenen Informationen erreichen uns visuell. Die sogenannte kognitive Belastung wächst mit jeder Aufgabe und beansprucht ein Stück der uns zur Verfügung stehenden mentalen Kapazität. Es liegt in unserer Veranlagung, dass wir Informationen visuell leichter aufzunehmen und verarbeiten können. Eine größere kognitive Belastung ist es, einen Text zu lesen und die Informationen dann zu verarbeiten.

Wie funktioniert Augmented Reality? Prinzipiell besteht eine AR-Lösung aus einem mobilen Endgerät mit integrierter Kamera, wie Smartphone, Tablet oder Datenbrille, auf dem eine AR-Software läuft. Wenn das Gerät auf einen Gegenstand gerichtet wird, wird die Videoaufnahme durch maschinelles Sehen analysiert und der Gegenstand identifiziert. Dann lädt das Endgerät AR-Daten, wie zum Beispiel ein 3D-Erlebnis, aus der Cloud oder vom Server, um es direkt auf den Gegenstand zu projizieren.
Der Nutzer sieht also zum Teil real und zum Teil virtuell. Bei jeder Bewegung des Nutzers passen sich Größe und räumliche Darstellung der AR-Anzeigen automatisch an beziehungsweise neue grafische/schriftliche Informationen geraten ins Blickfeld und alte verschwinden.

Die Lösung in der AR-Anwendung ist, dass die digitalen Daten beispielsweise in Form eines Bildes, eines 3D-Modells oder einer Animation auf die physische Welt projiziert werden und damit reale und digitale Welt verschmelzen. Das Entscheidende dabei: Das geschieht immer im Kontext der Umgebung. Es werden also immer die richtigen Daten zum richtigen Zeitpunkt und für den jeweiligen Gegenstand oder die physische Umgebung eingeblendet. Damit wird auch der mentale Aufwand für die Überwindung der kognitiven Distanz verringert. Kognitive Distanz ist die Kluft zwischen der Präsentation der Information und dem Kontext, auf den sie sich bezieht. Einfaches Beispiel: die Wegbeschreibung auf dem Smartphone-Navi erfassen, im Gedächtnis behalten und dann im richtigen Moment danach handeln. Das belastet den Fahrer deutlich mehr, als wenn er die Informationen direkt auf die Frontscheibe projiziert erhält (Head-up Display).

Was kann Augmented Reality?

Wenn irgendwo der Satz ‚nur die Erfahrung zählt‘ seine Berechtigung hat, dann im Fall der erweiterten (und auch der virtuellen) Realität. Man muss sie am praktischen Beispiel erlebt haben. Porter und Heppelmann versuchen, die Einsatzfelder und Kernfunktionen mit möglichst anschaulichen Beispielen zu untermauern. Sie definieren 3 plus 1 Kernfunktionsbereiche in denen AR Mehrwerte schafft:

  • im Bereich des Visualisierens,
  • bei Anleitung, Schulung, Coaching,
  • in der Interaktion mit Produkten und deren Steuerung sowie
  • in Verbindung mit der ergänzenden, aber eigenständigen Technologie der Virtuellen Realität.

AR-Anwendungen nach dem Prinzip des Visualisierens zeigen sozusagen mit Röntgenblick die innere Funktionalität. Der Medizintechnikhersteller Accuvein macht aus dem Wärmemuster der Venen ein Bild und legt das auf die Haut. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Nadel bei der Blutabnahme die Vene trifft, ist damit dreimal so hoch. Bosch Rexroth visualisiert das Innenleben des Hydraulikaggregates Cytropac. In der 3D-Darstellung, die sich beim Betrachten eines bestimmten Punktes der Außenhaut öffnet, wird die Verflechtung der Teilsysteme und die Kühlmöglichkeiten der internen Pumpe in unterschiedlichen Konfigurationen sichtbar.

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Im Bereich Anleiten und Schulung wird AR große Einsparungen erzielen. Schriftlichen Arbeitsplänen oder Montageanleitungen zu folgen ist, wie gesehen, oft schwierig und zeitaufwendig. Die AR-Anwendung erläutert vor Ort in Echtzeit und Schritt für Schritt den Arbeitsvorgang, idealerweise noch per Datenbrille, damit beide Hände frei sind. Das Handbuch wird dabei zum interaktiven 3D-Hologramm. In einem Versuchsprojekt erzielte Boeing bei der Montage einer Flugzeugtragfläche mit dem Einsatz von AR-Technik eine 35-prozentige Zeiteinsparung und die Anzahl der Mitarbeiter, die die Aufgabe beim ersten Mal richtig erledigten, stieg um 90 %.

Fernwartung als Schlüsselanwendung für Augmented Reality

Eine Schlüsselanwendung des AR wird die Remote-Support-Funktion werden. Über AR-Geräte wird das Bild, das der Techniker vor Ort sieht, an einen Experten in der Zentrale gesendet und der kann ihm Arbeitsanweisungen per Sprache geben oder sie ins Sichtfeld einblenden. Lee Company, ein Unternehmen, das Gebäudesysteme verkauft und wartet, spart pro Monat und Techniker 500 US-Dollar an Personal- und Reisekosten. Auf einen Dollar AR-Investition seien 20 Dollar Rendite erwirtschaftet worden.

Das bisherige Steuern und Interagieren mit Produkten oder Maschinen über Knöpfe, Griffe oder mittlerweile auch integrierte Touchscreens wird durch AR auf eine neue Qualitätsstufe gehoben werden. Über eine Datenbrille steuert beispielsweise der Fabrikmitarbeiter mithilfe von Gesten und Sprachbefehle virtuelle Bedienfelder und kann beim Gang durch die Werkhalle Parameter der Maschinen überprüfen und einstellen, ohne sie physisch zu berühren. Wenngleich diese Anwendungsfunktion ein riesiges Potenzial verspricht, steht sie gerade bei kommerziellen Produkten noch ziemlich am Anfang. Die erforderlichen Technologien haben vielfach die Forschungslabors noch nicht verlassen. Aber: Die Sprachsteuerung in rauen Umgebungen macht Fortschritte, ebenso wie die Erfassung von Gesten und Blicken.

Virtuelle Realität (VR) bedeutet, mit einem computergenerierten Bild die physische Realität nachzubilden. Sie kommt zum Beispiel zu Schulungszwecken zum Einsatz, vor allem auch wenn Maschinen und Arbeitsumgebungen sich in gefährlichen oder abgelegenen Einsatzbereichen befinden oder in der Zukunft liegen. VR stellt dann als vierte Kernfunktion für die drei anderen AR-Kernfunktionen die Hintergrundrealität virtuell bereit. Audi testet das „VR-Holodeck“, eine begehbare, virtuelle Umgebung zur Designbeurteilung des 3D-Abbilds des jeweiligen Autos beim Übergang zwischen Entwicklung und Produktion. Das amerikanische Heimatschutzministerium kombiniert AR-Anweisungen und VR-Hintergrund um Katastrophenhelfer für gefährliche Notsituationen, wie Explosionen, auszubilden. Ähnlich der Energiekonzern BP, der als Hintergrund für AR-Schulungsabläufe Bohrfeldszenarien nachbildet. Beide Unternehmen senken dadurch Kosten und Risiko.

Wie schafft Augmented Reality einen wirtschaftlichen Mehrwert?

Die erweiterte Realität kann prinzipiell in zwei Anwendungsrichtungen zum Einsatz kommen:

  • als ein wertsteigernder Teil eines Produktes und
  • indem sie hilft, in allen Bereichen des Unternehmens, angefangen von der Produktentwicklung über die Fertigung bis zum Vertrieb oder Service, die Abläufe weiter zu rationalisieren.

Bei Produkten kann beispielsweise die AR-unterstützte Anzeige von Informationen zum Betrieb oder zur Sicherheit ein Alleinstellungsmerkmal sein. Head-up-Displays gibt es seit einiger Zeit auch in Autos, in Flugzeugen schon seit Jahren. Wo solche Anzeigen zu teuer sind, kann auch einfach eine App für Smartphone oder Datenbrille mitgeliefert werden, über die dann ein personalisiertes virtuelles Display zum Einstellen und Bedienen genutzt werden kann.

In der Produktentwicklung erschwert bisher die zweidimensionale Darstellung der schon seit Jahren verfügbaren 3D-Konstruktionsmodelle ein ganzheitliches Konstruieren. Mit AR-Technologie lassen sich die 3D-Modelle als Hologramm in Originalgröße in die physische Umgebung projizieren. Zum Beispiel kann das 3D-Hologramm einer Baumaschine in der späteren Einsatzumgebung „auf den Boden gestellt werden“, sodass die Entwickler um das 1:1-Modell herumgehen oder hineinsteigen können, um Sichtachsen oder Ergonomie zu testen. Und wo früher die Qualität von Prototypen bei Volkswagen mühsam anhand der 2D-Zeichnungen überprüft wurde, wird jetzt in einer AR-Anwendung der Prototyp mit dem 3D-Modell überblendet und zehnmal schneller kontrolliert.

Augmented-Reality-Anwendungen in Montage und Logistik

In der Fertigung werden dem Werker an den Arbeitsstationen die exakt richtigen Informationen zur passenden Zeit für die vielen Fertigungsschritte geliefert, inklusive zum Beispiel auch Überwachungs- oder Diagnosedaten der Anlagen, um proaktive Wartungen durchzuführen. In Fertigung und Montage kann AR deshalb auch gut für Schulungszwecke eingesetzt werden. In der Logistik werden 65 % der Lagerhaltungskosten dem Herausnehmen des Artikels aus dem Regal mithilfe der Papierliste zugeschrieben. AR-Anwendungen haben bei DHL die Kommissionierung um 25 % verbessert, indem sie den Arbeiter durch das Lager lotsen und ihn durch schrittweise Einblendung von Lagerort, Stückzahl und Positionierung des Teils auf dem Wagen, etc. unterstützen. Solche Lösungen können auch die gesuchte Lagerzelle und den konkreten Lagerort farbig markieren.

Im Marketing und Vertrieb sind die Einsatzmöglichkeiten von AR ebenfalls vielfältig. Showrooms und Produktdemonstrationen werden faszinierende (individuelle) Kundenerlebnisse bieten. Produkte lassen sich zudem in der realen Zielumgebung anschauen, was auch den Onlinehandel unterstützt. Ikea bietet Produktabbildungen und Apps dazu, mit denen sich das Möbel oder der Dekoartikel im Raum zuhause platzieren lässt. Auch der After-Sales-Service kann durch Schritt-für-Schritt-Reparaturanleitung und Remote-Support entscheidend von AR-Technologie profitieren. Das kann so weit gehen, dass der Kunde in die Wartung mit eingebunden wird und viele Arbeiten selbst erledigt. Damit können große Einsparungen im Servicebereich erzielt werden.

AR auf dem Weg in die Praxis

Es gibt also bereits über die gesamte technische Bandbreite viele Anwendungsfälle für erweiterte Realität in der Praxis. Auch wenn die meisten noch im Stadium von Pilottests oder PoCs (proof of concept) sind, jede AR-Installation braucht einen sorgfältigen Implementierungsplan, der die strategischen Vorteile dieser Anwendung klar herausarbeitet sowie die dafür notwendigen technischen und organisatorischen Lösungen und Kompetenzen im Detail plant.

Doch wo kommt das AR-Know-How her? Fachkräfte für die AR-Entwicklung sind rar. Gefragt sind unter anderem Kompetenzen im Konzipieren von Nutzererlebnissen oder -schnittstellen (UX-/UI-Design), bei dem Handling von 3D-Daten und -Modellen und deren Umsetzung in AR-Anwendungen oder besonders wichtig auch die Erstellung der Inhalte, des Content. Dabei wird noch über Jahre bei jedem Projekt entschieden werden müssen: ist der Aufbau eigener AR-Kompetenzen notwendig oder reicht Outsourcing beziehungsweise ist die Zusammenarbeit mit einem externen Partner die Lösung. Es gibt inzwischen auch in Deutschland gerade in der Start-up-Szene eine Reihe von spezialisierten AR-Anbietern.

PTC Forum Europe: Ende November 2018 zeigt PTC hier noch mehr Anwendungen von AR und VR in der Industrie

Nicht alle AR-Anwendungen sind gleich komplex. Apps, um Produkte (statische 3D-Modelle) in fremden Umgebungen zu visualisieren (Ikea), sind relativ einfach zu erstellen. Schwieriger werden dann dynamische 3D-Inhalte beispielsweise für Anleitungen oder Schulungen. Am aufwendigsten werden letztendlich Apps für interaktive Lösungen sein, mit noch nicht ausgereiften Technologien wie Gesten- oder Spracherkennung.

Woher kommen die Inhalte von AR-Anwendungen?

Ein besonderes Augenmerk gilt in jedem Fall immer der Frage, wie die Inhalte geschaffen werden. Für die detaillierten digitalen Produktdarstellungen lassen sich CAD-Modelle aus der Produktentwicklung anpassen oder es müssen Technologien wie 3D-Scanner genutzt werden. Fortgeschrittene AR-Anwendungen brauchen zudem die Anbindung an Businesssysteme oder andere externe Datenquellen, wie Sensoren, um Echtzeitdaten in den Content einzupflegen. Nicht zuletzt muss die Frage geklärt werden, ob eine eigenständige Software-App entwickelt oder ein Content-Publishing-Modell mit Inhalten aus der Cloud gewählt wird.

Momentan laufen die meisten AR-Anwendungen als Apps auf Mobilgeräten, wie Smartphone oder Tablet. Der Einsatz von Wearables wie Head-mounted Displays (HMD) oder Datenbrillen steht zwar noch am Anfang, geht für die Umgebung der Produktion aber mit großen Schritten voran. Die Vision ist, die Bildschirme in der Tasche durch Datenbrillen zu ersetzen, die die Verbraucher aufsetzen wie eine Sonnenbrille, also ohne groß darüber nachzudenken. Jedenfalls läuft im Moment ein Rennen um die „beste“ Datenbrille, denn wer diesen Markt beherrscht, könnte auch die AR-Technologie ein Stück weit kontrollieren. Allerdings lässt sich nach ersten Erfahrungen festhalten, dass es die Universalbrille für alle Anwendungen nicht geben wird. Eine Hololens von Microsoft in der jetzigen Form zum Beispiel wird sich in der rauen Umgebung der Produktion kaum durchsetzen können. Hier sind Geräte, wie die Datenbrillen vom deutschen Hersteller Trivisio leistungsfähiger. Sie können zudem auch kundenspezifisch angefertigt werden.

* Eduard Rüsing ist freier Fachjournalist aus Karlsruhe

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