Augmented Reality als Ersatz für die Aufbauanleitung in Papierform
Möglichkeiten von Augmented Reality in der (Selbst-)montage

Josef Wolfartsberger, Franz Obermair, Sabrina Egger und Martin Höller

Augmented Reality (AR) bezeichnet die computergesteuerte Einblendung von digitalen, kontextbezogenen Informationen in die physische Welt. Führende IT-Unternehmen investierten derzeit Millionen in die Weiterentwicklung von AR-Hardware. Bis die Technologie im privaten Bereich Fuß fasst, wird es noch einige Jahre dauern. Im industriellen Versuchsfeld wird AR schon jetzt zur Montage- und Instandhaltungs-assistenz eingesetzt. Auch für Endanwender ergeben sich daraus vielversprechende Möglichkeiten. In diesem Artikel wird die Funktionsweise einer AR-Anwendung für die Selbstmontage vorgestellt, die langfristig die klassische Aufbauanleitung in Papierform ersetzen kann.

Steigende Produktkomplexität, Variantenvielfalt, kürzere Produktlebenszyklen und Losgröße 1 sind nur einige Stichworte, mit denen sich die Unternehmen in Zeiten von Industrie 4.0 und Digitalisierung auseinandersetzen müssen. Die steigende Komplexität erfordert Assistenzsysteme, die den Menschen bei seinen Tätigkeiten unterstützen. Dabei werden Augmented Reality (AR) Systeme in der Literatur oftmals als vielversprechende Lösung präsentiert. Unter AR versteht man die Anreicherung der Realität durch künstliche, virtuelle Inhalte. Dabei kommt es zu einer Verschmelzung der realen mit der virtuellen Welt. Diese Zukunftstechnologie gewinnt in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten in Forschung und Industrie an Bedeutung [1]. Bereits 1960 entwickelte Ivan Sutherland ein Head-Mounted Display (HMD), mit dessen Hilfe er digitale Informationen im Sichtfeld der User projizierte [2]. Doch erst jetzt ist die Technik (speziell die Rechenleistung der Endgeräte) so weit fortgeschritten, dass ernsthaft über einen gewinnbringenden Einsatz von AR in der Industrie (und im privaten Bereich) nachgedacht werden darf.
Folgende Zahlen prophezeien der Technologie eine strahlende Zukunft: Im ersten Quartal 2016 wurden alleine 1,2 Milliarden Dollar in AR und VR (Virtual Reality) investiert [3]. Die International Data Corporation IDC [4] prognostiziert für 2016 einen Umsatz von 5,2 Milliarden Dollar und erwartet im Jahr 2020 weltweite Einnahmen der Branche von mehr als 162 Milliarden Dollar. Damit geht das Unternehmen von einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 181,3 Prozent aus. Gartner Inc. (die auch regelmäßig deren bekannten „Hype Cycle“veröffentlichen) prognostizieren, dass der überzogene Hype um das Thema AR 2017 endet und die Technologie bis Ende 2020 im alltäglichen Leben angekommen ist [5]. AR wird sich sowohl im privaten als auch in industriellen Bereichen massiv durchsetzen. Daran besteht kein Zweifel. Im Folgenden soll verdeutlicht werden, wo die Technologie heute steht und wie die künftige Entwicklung einzuschätzen ist.

Funktionsweise
Heutige Hardware im Bereich AR vermag noch nicht das zu leisten, was in Marketing-videos häufig demonstriert wird. Am Beispiel von „Google Glass“(Markteinführung 2013) war deutlich, dass Akkulaufzeit und Sichtbereich für die Verwendung im Alltag nicht geeignet waren. Trotz der Mängel sprang die Industrie auf die Technologie an und nutzte die Hardware für erste Gehversuche, beispielsweise in der Kommissionierung [7]. Auch Epson und Vuzix brachten Smart Glasses auf den Markt, die den Benutzer mit digitalen Informationen im Sichtfeld versorgen sollten. Bei längerem Einsatz traten jedoch ergonomische Probleme auf. Der Grund dafür: Digitale Informationen und reale Umgebung liegen auf unterschiedlichen Fokusebenen. Man bezeichnet den Effekt „Vergence-Fokus-Konflikt“der den Benutzer zum ständigen Umfokussieren zwingt und so schnell Ermüdung hervorruft [1]. Zudem kann eine verzögerte Darstellung der digitalen Informationen Übelkeit bei den Usern hervorrufen. Man spricht hier von „Motion Sickness“, die häufig im Bereich VR zu beobachten ist.
Die eben erwähnten Geräte sind als Prototypen zu betrachten, die den Weg für ausgereiftere Hardware ebnen. Aber schon jetzt zeigt sich, dass Microsofts Hololens oder Meta 2 von Metavision den Focus-Vergence-Konflikt weitgehend gelöst haben. In den nächsten Jahren werden Produkte am Markt erscheinen, die auch für den industriellen Einsatz in Bezug auf Abbildungsleistung und Ergonomie geeignet sein werden.

Bild 1: Augmented Reality mit Tablet. Die digitale Information überlagert das reale Objekt.

Wie sieht die Situation nun im Bereich AR-Software aus? Dazu wird zunächst erklärt, wie AR funktioniert. AR lässt sich vereinfacht in fünf Schritte unterteilen: Videoaufnahme, Tracking, Registrierung, Darstellung und Ausgabe. Man richtet die Kamera (beispielsweise eines Tablet-PCs) auf ein zuvor definiertes Muster (genannt „Marker“), der Algorithmus erkennt das Muster und verortet ein beliebiges digitales Objekt relativ zur Position des Markers (siehe Bild 1, hier wird ein CAD-Modell über dem Bild angezeigt). Ändert sich der Blickwinkel auf den Marker, wird auch die Position, Rotation und Skalierung der digitalen Augumentierung angepasst. So erscheint es, als wären die virtuellen Objekte in die reale Welt integriert. Die Softwarepakete, die diese bildanalytischen Lösungen bereitstellen, sind heute schon ausgereift und (zum Teil) frei verfügbar. Sie unterstützen die Entwicklung für unterschiedliche Ausgabegeräte, wie Smartphones, Tablets oder Smart Glasses. Die bekanntesten Anbieter sind Vuforia, Wikitude, ARToolkit und AR-media. Der Vollständigkeit halber sei auch Metaio erwähnt. Das Münchner Unternehmen wurde 2015 von Apple gekauft. Ein Kaufpreis wurde nie offiziell genannt. Seither ist die Software nicht mehr öffentlich verfügbar.
All diese Anbieter bieten eine Reihe an Track-ing-Technologien, die (in der Standardversion) gratis genützt werden können. Ein detaillierter Vergleich der Anbieter und deren technischen Möglichkeiten findet sich unter [9]. Bei kommerzieller Nutzung fallen zumeist Lizenzgebühren an. Die Implementierung einer einfachen AR-Applikation erfordert mittlerweile kein ExpertInnenwissen mehr. Fast alle Anbieter stellen Plug-Ins für gängige Entwicklungsumgebungen zur Verfügung. Im AR-Bereich hat sich Unity3D als vielseitiges Tool für das 3D-Rendering durchgesetzt. Unity3D ermöglicht die Entwicklung für Android und iOS. So kann beispielsweise mit Unity3D und dem Plug-In von Vuforia schnell eine einfache AR-App erstellt werden, gänzlich ohne Programmierkenntnisse.
Softwareseitig ist eine gute Basis vorhanden, um AR-Applikationen im industriellen Umfeld umzusetzen. Zum Testen der Apps sind derzeit noch Tablets am besten geeignet. Die Höhe der Investitionen in AR-Hardware lassen aber hoffen, dass schon bald brauchbare Smartglasses verfügbar sein werden. 

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Schlüsselwörter:

Augmented Reality, Selbstmontage, Smart Devices, Assistenz-systeme, Industrie 4.0