Augmented Reality Campus Guide - uni- 2015-06-10آ  Augmented Reality Campus Guide Augmented Reality

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  • Fakultät für Informatik undMathematik Lehrstuhl für Informatik mit Schwerpunkt EingebetteteSysteme Prof. Dr. Matthias Kranz

    Augmented Reality Campus Guide

    Augmented Reality Campus Guide

    Christian Berger

    Bachelor-Arbeit

    Verfasser: Christian Berger Anschrift:

    Matrikelnummer: Prüfer: Prof. Dr. Matthias Kranz Betreuer: M.Sc. Marion Kölle

    Beginn: 25.06.2014 Abgabe: 24.09.2014

  • Fakultät für Informatik undMathematik Lehrstuhl für Informatik mit Schwerpunkt EingebetteteSysteme Prof. Dr. Matthias Kranz

    Erklärung Hiermit erkläre ich an Eides statt, dass ich diese Bachelor-Arbeit zum Thema

    Augmented Reality Campus Guide Augmented Reality Campus Guide

    selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe.

    Passau, den 24.09.2014 Christian Berger

    Christian Berger

  • Kurzfassung

    Augmented Reality (AR) bezeichnet die Erweiterung der vom Nutzer wahrgenommenen Realität mit Hilfe von computergenerierten Informationen. Dadurch kann man dem Nutzer dabei helfen, sich mit einer ungewohnten Umgebung vertraut zu machen. Als Anwendungsbeispiel sollte im Rahmen dieser Arbeit eine Anwendung entwickelt werden, die Studierende im ersten Semester bei der Orientierung auf dem Campus unterstützt. Dabei wurde Forschung bezüglich der nutzer- gerechten Gestaltung und Platzierung von AR Labels betrieben: Zunächst wurden prototypisch verschiedene Visualisierungen entwickelt, die dann in einer Umfrage, bei der 50 Personen teil- nahmen, hinsichtlich ihrer Interpretierbarkeit und des subjektiven Gefallens evaluiert wurden. Die Umfrage hat Indizien geliefert, dass Visualisierungen, die eine farbanaloge Markierung einsetzen, vom Nutzer bevorzugt werden. Anschließend wurde eine App entwickelt, die diese Ergebnisse berücksichtigt. Beim Entwicklungsprozess wurden verschiedene Probleme sowie deren Lösungsan- sätze dokumentiert.

    iii

  • Abstract

    Augmented Reality means the extension of the by the user perceived reality with the aid of computer generated pieces of information. Using this technology, it is possible for the user to acquaint himself with an unfamiliar environment. As an example of use, a mobile application was built as part of this thesis, that supports beginning students with their orientation on the campus. Therefore research on how AR labels should be designed an placed to fit the user’s needs was done: At first various visualizations were prototypically developed and then tested in a survey, in which 50 people participated. The survey evaluated the visualizations’ interpretability and the appreciation by the user. The survey indicated that users prefer visualizations with color-analogous markings. Subsequently an application was built, that considered these results. Problems that occurred during the process of development were documented along with possible solution approaches.

    iv

  • Inhaltsverzeichnis

    Inhaltsverzeichnis v

    1 Einleitung 1 1.1 Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Überblick über diese Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    2 Grundlagen 3 2.1 Augmented Reality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    2.1.1 Definition nach Azuma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.2 Realitäts-Virtualitätskontinuum nach Milgram . . . . . . . . . . . . . . . 4

    2.2 Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2.1 Visuelles Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2.2.1.1 Merkmalsbasierende Tracking-Systeme . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2.1.2 Modellbasierende Tracking-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . 6

    2.2.2 Nichtvisuelles Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Augmented Reality Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.3.1 Anwendungsbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3.2 Klassifizierung von AR Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3.3 Die vier Schlüsselprobleme bzw. Kriterien beim Erstellen von mAR Anwen-

    dungen nach Marco de Sa´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3.4 Beispiele für Augmented Reality Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . 10

    2.3.4.1 AR-Browser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3.4.2 Die Touring Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    3 Augmented Reality Visualisierungen 13 3.1 Kriterien für die Gestaltung und Platzierung von mAR Labels . . . . . . . . . . . 13 3.2 Entwicklung verschiedener Prototypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.3 Vorbereitung der Umfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    4 Evaluierung der entwickelten Visualisierungen 17 4.1 Ziele der Umfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    4.1.1 Forschungsfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    v

  • INHALTSVERZEICHNIS vi

    4.1.2 Hypothesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.2 Aufbau der Umfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    4.2.1 Allgemeine Informationen zur Studie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.3 Auswertung der Ergebnisse der Umfrage und Erkenntnisse . . . . . . . . . . . . . 19

    4.3.1 Erfahrungswerte der Teilnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.3.2 Interpretierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    4.3.2.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.3.2.2 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.3.2.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    4.3.3 Subjektives Gefallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.3.3.1 Markierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.3.3.2 Ausrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    5 Entwicklung der Applikation 28 5.1 Ziele und Nutzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 5.2 Design der Applikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 5.3 Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    5.3.1 Die Augmented Reality Ansicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 5.3.2 Die Karte des Campus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    5.3.2.1 Indoorkarte und Discoverability . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.3.3 Die Suchfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5.3.4 Problemstellungen beim Entwickeln der AR Anwendung . . . . . . . . . . 34

    5.3.4.1 Probleme des optischen Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.3.4.2 Repeated Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

    6 Zusammenfassung 36

    Abbildungsverzeichnis 37

    Tabellenverzeichnis 38

    Literaturverzeichnis 39

  • Kapitel 1

    Einleitung

    Für Studienanfänger und Studienanfängerinnen ist die Orientierung auf dem Campus oft zunächst schwierig. So wissen viele Erstsemester während der Orientierungswoche – dies ist die erste Woche vor Studienbeginn, in der Brückenkurse oder andere Einführungsveranstaltungen stattfin- den – nicht genau, wie sie zu einem bestimmten Gebäude oder Raum gelangen. Die Universität Passau reagiert darauf, indem sie jedes Semester während der Orientierungswoche Schilder an ver- schiedenen Stellen auf dem Campus anbringt mit Beschriftungen, die den Studierenden bei ihrer Navigation helfen sollen. Da also die Notwendigkeit besteht zusätzliche Informationen bereitzu- stellen, um Erstsemester bei ihrer Orientierung und Navigation auf dem Campus zu unterstützen, stellt sich die Frage ob diese Aufgabe nicht auch durch den Einsatz einer mobilen Anwendung und unter Verwendung geeigneter, moderner Technologie – nämlich Augmented Reality - erfüllt werden kann. Augmented Reality (AR) bezeichnet hierbei eine Anzeigetechnologie, bei der die durch den Nutzer wahrgenommene Realität mit computergenerierten Informationen überlagert wird. Wenn das Anzeigemedium dabei konkret auf mobile Geräte wie Smartphones oder Tablets eingeschränkt wird, spricht man auch von mobiler Augmented Reality (mAR). Ein sog. „Campus Guide“, der Augmented Reality einsetzt, könnte diese Problematik aufgreifen und als mobile An- wendung Studierenden bei ihrer Orientierung auf dem Campus unterstützen, indem er ihnen bei der Suche nach einem Hörsaal, Seminarraum oder der Bibliothek hilft. So können beispielsweise Navigationshinweise an Gebäude ausgerichtet werden oder allgemein Informationen passend zum Standort des Nutzers eingeblendet werden. Dass diese Technologie das Potential hat Nutzer dabei zu helfen sich mit einer neuen, unbekannten Umgebung vertraut zu machen, ist auch schon durch ähnliche Anwendungsbeispiele bekannt. So gibt es schon verschiedene mobile AR Anwendungen [1], die Touristen bei der Erkundung von fremden Städten unterstützen und ihnen Informationen über verschiedene Sehenswürdigkeiten anzeigen oder diese auf andere Points of Interests (wie z.B. Cafés oder Bars) hinweisen. Weiterhin kann die Applikation auch noch durch weitere Features wie einer Karte des Universitätsgeländes, auf der auch Karten des Innenbereichs einzelner Gebäude (sog. Indoor Maps) eingeblendet werden, dem Nutzer bei der Orientierung helfen.

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