Augmented Reality in der Architektur

Kurzfassung der Diplomarbeit „Augmented Reality in der Architektur: Entwicklung innovativer Werkzeuge durch Verknüpfung mit ausgewählten Informationstechnologien“

Diplomarbeit, Patrick Beuchert, Sommersemester 2010, Fachgebiet Building Lifecycle Managment, Karlsruher Institut für Technologie

Technischer Fortschritt ermöglicht die Entwicklung neuer Werkzeuge sowie neuer Methoden. Auch die Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnologien führte zu tiefgreifenden Veränderungen. Die stetige Weiterentwicklung dieser Technologien ermöglicht fortwährende Leistungssteigerungen bei gleichzeitiger Miniaturisierung der Hardware. Dies führt zum einen dazu, dass heute in Deutschland wie in anderen Ländern flächendeckende Kommunikationsnetze installiert sind. Dadurch wird das Ubiquitous Computing ermöglicht, also die Allgegenwärtigkeit rechnergestützter Informationsverarbeitung. Zum anderen ermöglicht diese Entwicklung, dass viele noch junge informationstechnische Werkzeuge zunehmend die Leistungsanforderungen für einen produktiven Einsatz erfüllen können. Durch deutliche Kostensenkungen wird gleichzeitig eine breite Verfügbarkeit dieser Werkzeuge gewährleistet.

Augmented Reality in der Architektur

Diplomarbeit Patrick Beuchert: Augmented Reality in der Architektur: Entwicklung innovativer Werkzeuge durch Verknüpfung mit ausgewählten Informationstechnologien Titelseite

Mit der digitalen Revolution seit etwa Mitte der 1970er Jahre kommt es zu einem zunehmenden Einsatz dieser Informations- und Kommunikationstechnologien in nahezu allen Bereichen. Damit einher geht ein Anstieg der verfügbaren Informationsmengen, die spätestens mit der breiten Zugänglichkeit des Internet weltweit abgerufen werden können. Durch Anpassungen der Nutzer an diese neuen Werkzeuge und die gestiegene Informationsfülle verändern sich dabei die Arbeit mit diesen Technologien und der Umgang mit Informationen.

Gleichzeitig vollzieht sich in der Gesellschaft insbesondere in den jüngeren Generationen ein Mentalitätswandel, der sich in vielfältig gesteigerten Anforderungen an heutige Produkte manifestiert. Insbesondere ökologisch nachhaltige Aspekte spielen zunehmend eine wichtige Rolle. Dadurch müssen in der Produktentwicklung zunehmend mehr Aspekte beachtet und somit mehr Informationen verarbeitet werden.

Auch in der Architektur kam es mit Einführung informationstechnischer Werkzeuge zu Veränderungen. So wurde ein Prozess begonnen, der das zweidimensionale Zeichnen zunehmend erweitert über das dreidimensionale Konstruieren bis hin zum Modellieren eines virtuellen Gebäudemodells mit Verknüpfung geometrischer und semantischer Informationen. Ebenso steigen die Anforderungen an neue Planungsaufgaben, welche die Verarbeitung und Einbeziehung zusätzlicher Informationen in Entwurfs- und Planungsprozesse erfordern. Zunehmend finden auch weitere Informationstechnologien Anwendung in der Architektur. Dadurch ändern sich auch die Planungsprozesse. Die eingesetzten Werkzeuge zur Interaktion mit dieser zunehmenden Fülle an Informationen haben sich in den letzten Jahrzehnten jedoch kaum verändert.

In anderen Bereichen dagegen werden zur Interaktion mit komplexen räumlichen Daten zunehmend Virtual und Augmented Reality-Systeme verwendet. Prototypen in der Automobilindustrie werden heute fast ausschließlich in Augmented Reality-Umgebungen, sogenannten Mixed-Mock-Ups, entwickelt. Dabei ist ein schlüssiges Ineinandergreifen von etablierten Technologien zu beobachten. Durch die technische Weiterentwicklung sind heute ortsbezogene Überlagerungen von virtuellen Informationen in der Realität möglich. Diese mobilen Augmented Reality-Systeme erlauben durch ihre ortsbezogene Darstellung eine intuitivere Nutzung von Informationen. Auch in der Architektur offenbaren sich so völlig neue Möglichkeiten im Umgang mit ortsbezogenen Informationen.

Die Arbeit stellt deshalb die These auf, dass Augmented Reality-Systeme auch in der Architektur sinnvoll eingesetzt werden können. Sie geht dabei folgenden Fragen nach:

  • Mit welchen schon heute in der Architektur eingesetzten Informationstechnologien ist eine Verknüpfung möglich?
  • In welchen Bereichen der Architektur besteht Verbesserungspotential durch Augmented Reality-Systeme?
  • Welche Anwendungen sind denkbar und worin liegen deren Potentiale?

Um diese Fragen zu beantworten wurden im Rahmen dieser Arbeit ausgewählte, in der Architektur eingesetzte Informationstechnologien auf deren momentanen Stand untersucht und Anknüpfungspunkte für mobile Augmented Reality‐Systeme dargestellt, um so neue Handlungsfelder für diese Systeme im Bauwesen entwickeln zu können.

Technologien zur zwei‐ und dreidimensionalen Erfassung bilden häufig die Grundlage für weitere Anwendungen. Mit Werkzeugen der Fertigung und Verwertung werden in der Planung erzeugte Daten zur weiteren Optimierung genutzt oder automatisiert in physische Bauteile oder Modelle umgesetzt. Weitere Technologien und Werkzeuge werden zur Interaktion mit diesen Daten eingesetzt. Der vermehrte Einsatz informationstechnischer Werkzeuge findet jedoch nicht‐integrativ und isoliert von etablierten Prozessen statt.

Im Gegensatz zu vielen anderen Wirtschaftszweigen wird somit in der Architektur das große Potential dieser Werkzeuge nicht ausgenutzt. Daher ist in der weiteren Entwicklung der Aufbau einer durchgehenden digitalen Planungskette auf Basis eines virtuellen Gebäudemodells als Beschreibung geometrischer und semantischer Informationen sowie die Integration weiterer informationstechnischer Werkzeuge anzustreben.

An den Schnittstellen verschiedener Werkzeuge ergeben sich hierbei durch orts‐ und kontextbezogene Bereitstellung von Informationen Anknüpfungspunkte zum Einsatz von mobilen Augmented Reality‐Systemen, insbesondere in der Planungs‐, Bau‐ und Nutzungsphase im Lebenszyklus eines Gebäudes. Für diese drei Phasen wurden jeweils zwei Anwendungsszenarien entwickelt und der mögliche Aufbau der Augmented Reality‐Systeme sowie die sich daraus ergebenden Potentiale beschrieben.

So ermöglichen AR‐Systeme in der Planungsphase eine Verknüpfung physischer und virtueller Modelle, um deren jeweilige Vorteile bei der Beschreibung geplanter Situationen zu kombinieren. Die effizient zu bearbeitenden virtuellen Modelle lassen sich so haptisch wie physische Modelle erleben und bearbeiten. In Ein weiteres Szenario sieht die immersive Darstellung einer Planung sowie der darauf aufbauenden Simulationen mittels eines mobilen AR‐Systems schon vor der Realisierung vor. Die Planung sowie die Simulationen können so immersiv und dadurch intensiver wahrgenommen werden, um sowohl Entwurfsideen des Architekten an weitere Fachingenieure sowie Bauherren besser vermitteln, aber auch umgebende Einflüsse besser berücksichtigen zu können.

In der Bauphase können AR‐Systeme eine wertvolle Hilfestellung zu einem effizienten Baubetrieb leisten. Zum einen können sie eingesetzt werden, um automatisiert vorgefertigte Bauteile auf der Baustelle schneller zuordnen und verbauen zu können. Zum anderen können mit ihrer Hilfe in der Bauleitung Fehler im Bau durch einen teilautomatisierten Soll‐/Ist‐Abgleich besser identifiziert werden, und so zusätzliche Kosten durch nachträgliche Korrekturen vermeiden helfen.

In der Nutzungsphase können Nutzern eines Gebäudes mit AR‐Systemen, aufbauend auf einem RFID‐Netzwerk, weitreichende Informationen zur Verfügung gestellt werden. Damit ist ein Navigationssystem innerhalb von Gebäuden für blinde und sehbehinderte Menschen realisierbar, um ihnen größere Selbstständigkeit zu ermöglichen. Ebenso lassen sich in der Wartung und der Diagnose von Fehlern im Gebäudebetrieb AR‐Systeme effizient einsetzen, um sowohl Kosten als auch Ausfallzeiten zu minimieren.

 

Inhaltsverzeichnis „Augmented Reality in der Architektur“

  1. Einleitung
    1. Hintergrund
    2. Ziel der Arbeit
    3. Aufbau der Arbeit
  2. Zwischen Realität und Virtualität
    1. Entstehung
      1. VR – Virtual Reality
      2. AR – Augmented Reality
    2. Prognosen
  3. Untersuchung ausgewählter Informationstechnologien in der Architekturanwendung
    1. Modellierung
    2. Erfassung
      1. Digitale Fotografie
      2. Multishot‐Techniken
      3. Thermografie
      4. Digitale Photogrammetrie
      5. Laserscanning
    3. Fertigung und Verwertung
      1. CAM – Computer Aided Manufacturing
      2. Subtraktive Fertigungsverfahren
      3. Generative Fertigungsverfahren
      4. Simulation
      5. CGI – Computer Generated Imagery
    4. Interaktion
      1. 3D‐Darstellungssysteme
      2. 3D‐Eingabegeräte
      3. Gestensteuerung
      4. Sensoren
  4. Bewertung der Technik
    1. Technologien
    2. Einsatz im Architekturbereich
  5. Entwicklung innovativer Werkzeuge
    1. Werkzeuge in der Entwurfs‐ und Planungsphase
      1. Räumliches Modellieren mit interaktiven physischen Modellen
      2. Immersive Simulation virtueller Gebäudemodelle in realer Umgebung
    2. Werkzeuge in Fertigung und Bau
      1. Identifikation vorgefertiger Teile auf der Baustelle
      2. Werkzeug zum Soll‐/Ist‐Abgleich in der Bauleitung
    3. Werkzeuge in der Gebäudenutzung
      1. Navigation in Gebäuden für Blinde und sehbehinderte Menschen
      2. Werkzeug im Facility Managment für Wartung und Fehlerdiagnose
    4. Diskussion
  6. Fazit und Ausblick

 

Für Anfragen siehe Kontaktdaten Architekturfotograf Patrick Beuchert.