Entwicklung eines Operatorarbeitsplatzes für die telepräsente Mikromontage

3 Grundlagen einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (S. 33-34)

In diesem Kapitel werden die Grundlagen beschrieben, deren Kenntnis notwendig ist, um einen Operatorarbeitsplatz für die telepräsente Mikromontage zu entwickeln. Dazu werden die Visualisierung und die Mensch-Maschine-Interaktion als Kernthemen näher betrachtet.

3.1 Visualisierung

3.1.1 Visualisierungsmedium

Die Rückkopplung von Informationen an den Bediener kann in verschiedenen Modalitätskanälen geschehen. Die wichtigste Modalität ist dabei die visuelle Wahrnehmung des Menschen, da dieser den größten Teil seiner Umgebung über die Augen erfasst. Die Visualisierung entscheidet in erster Linie über den Immersionsgrad eines Systems, also wie stark das Präsenzgefühl des Bedieners in der abgebildeten Welt ausgeprägt ist. Es wird zwischen dem Visualisierungsmedium und der Visualisierungsart unterschieden. Das Visualisierungsmedium ist das Gerät, auf dem Bildinformationen für den Bediener dargestellt werden. Die Visualisierungsart beschreibt, wie die Bildinformationen erzeugt werden. Diese können entweder von einer Kamera aufgenommen werden (Realbild-Visualisierung), mit Hilfe eines Modells berechnet werden (modellbasierte Visualisierung) oder es kann beides gleichzeitig geschehen (überlagerte Visualisierung).

Das Spektrum an Visualisierungsmedien ist groß. Die einfachsten und kostengünstigsten Lösungen sind Monitore. Sie lassen allerdings nur einen geringen Grad an Immersion für den Benutzer zu. Die größten Visualisierungssysteme werden im Bereich Virtual Reality (VR) eingesetzt. Bei VR-Anwendungen ist eine hochimmersive Darstellung der virtuellen Welt notwendig, um so dem Bediener ein starkes Präsenzgefühl zu vermitteln. Dieser hohe Immersionsgrad wird durch eine Verwendung von mehrseitigen Projektionsflächen erreicht. Eine CAVE ist ein Raum, in dem bis zu sechs Projektionsflächen aufgebaut sind, so dass der Bediener einer solchen CAVE die virtuelle Umgebung in allen Blickrichtungen wahrnehmen kann (CRUZ-NEIRA et al. 1993). Durch die Bestimmung der Kopfposition des Bedieners durch das VR-System, das sog. Head Tracking, kann der Bediener seinen Blickpunkt in der virtuellen Welt intuitiv anpassen. Um den Immersionsgrad noch zu steigern, werden für VR-Anwendungen stereoskopische Visualisierungen eingesetzt. Dabei wird bei der Darstellung des Bildes der Augenversatz zwischen linkem und rechtem Auge, die sog. Parallaxe, berücksichtigt. Der Bediener nimmt bei einem stereoskopischen Display genau wie in der Realität zwei unterschiedliche Bilder auf. Aus der getrennten Bildinformation erstellt das menschliche Gehirn eine dreidimensionale Szene, die räumlich wirkt. Dadurch kann der Bediener Tiefeninformationen eines Bildes wahrnehmen, was mit einer monoskopischen Darstellung nicht möglich ist. Es wird grundsätzlich zwischen aktiver und passiver Stereoskopie unterschieden. Bei der aktiven Stereoskopie werden die Bildinformationen von einer Brille, die der Bediener trägt, getrennt. Die Bildinformationen beim passiven Stereo werden direkt vom Visualisierungsmedium durch bspw. Polarisation getrennt.

Der Platzbedarf und die Investitionskosten für Mehrseitenprojektionen sind sehr hoch. Als Visualisierungsinstrument für einen einzelnen Arbeitsplatz sind sie daher nicht geeignet. Hochimmersive Einzelplatzlösungen bieten Head Mounted Displays (HMDs). Diese Visualisierungssysteme mit einem Bildschirm für jedes Auge werden auf dem Kopf getragen und bieten dem Bediener ebenfalls eine stereoskopische Darstellung. Durch die Positionsverfolgung des Kopfes, das sog. Head Tracking, wird eine freie Blickpunkteinstellung auf die Szene durch Kopfbewegungen ermöglicht. Kopffeste Visualisierungssysteme eignen sich nicht für einen längeren Einsatz, da sie zum einen durch ihr Gewicht auf die Halswirbelsäule und die Nackenmuskulatur des Benutzers drücken und zusätzlich zu Schwindel und Übelkeit, der sog. Simulation Sickness, führen (HETTINGER &, RICCIO 1992). Eine weitere Möglichkeit, eine stereoskopische Visualisierung für einen Einzelarbeitsplatz einzusetzen, sind autostereoskopische Displays. Diese Monitore trennen die Bildinformation für das linke und rechte Auge durch Linsenmasken (BERKEL &, CLARKE 1997) oder Prismenmasken (SCHWERDTNER &, HEIDRICH 1998). Der Bediener benötigt weder eine Shutterbrille wie beim Aktivstereo noch eine Polarisationsbrille. Entscheidend für die Immersion ist jedoch nicht allein das Visualisierungsmedium, sondern auch die Erzeugung und Qualität des Bildes, das auf dem Medium gezeigt wird. Dazu kann entweder ein reales Bild von einer Kamera dargestellt werden oder ein Bild aus 3D-Modellen berechnet werden.