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Daniel Farid Abawi

• Augmented Reality ist eine Technologie, mit der die Wahrnehmung der realen Umgebung durch computergenerierte Sinnesreize verändert bzw. erweitert wird. Zur Erweiterung dieser „angereicherten Realität“ werden virtuelle Informationen wie z.B. 3D-Objekte, Grafiken und Videos in Echtzeit in Abbildern der realen Umgebung dargestellt. Die Erweiterungen helfen dem Anwender Aufgaben in der Realität auszuführen, da sie ihm Informationen bereitstellen, die er – ohne AR – nicht unmittelbar wahrnehmen könnte. Die Zielsetzung ist, dem Benutzer den Eindruck zu vermitteln, dass die reale Umgebung und die virtuellen Objekte koexistent miteinander verschmelzen. Für AR-Anwendungen existieren zahlreiche potenzielle Einsatzgebiete, doch verhindern bisher einige Probleme die Verbreitung dieser Technologie. Einer breiten Nutzung von AR-Anwendungen steht beispielsweise die Problematik gegenüber, dass deren Erstellung hohe programmiertechnische Anforderungen an die Entwickler stellt. Zur Verminderung dieser Probleme ist es wünschenswert Benutzern ohne Programmierkenntnisse (Autoren) die Entwicklung von AR-Anwendungen zu ermöglichen. Zum anderen bestehen technologische Probleme bei den für die Registrierung der virtuellen Objekte essenziellen Trackingverfahren. Weiterhin weisen die bisherigen AR-Anwendungen im Allgemeinen und die mittels autorenorientierter Systeme erstellten AR-Applikationen im Besonderen Defizite bezüglich der Authentizität der Darstellungen auf. Dabei sind hauptsächlich inkorrekte Verdeckungen und unrealistische Schatten bei den virtuellen Objekten verantwortlich für den Verlust des Koexistenzeindrucks. In dieser Arbeit wird unter Berücksichtigung der Trackingprobleme und auf Basis von Analysen, die die wichtigsten Authentizitätskriterien bestimmen, ein Konzept zur authentischen Integration von virtuellen Objekten in AR-Anwendungen erarbeitet und dargelegt. Auf diesem Integrationsprozess basierend werden Konzepte für Werkzeuge mit grafischen Benutzungsschnittstellen abgeleitet, mit denen Autoren die Erstellung von AR-Anwendungen mit hoher Darstellungsauthentizität ermöglicht wird. Einerseits verfügen die mit diesen Werkzeugen erstellten AR-Anwendungen über eine verbesserte Registrierung der virtuellen Objekte. Andererseits stellen die Werkzeuge Lösungen bereit, damit die virtuellen Objekte der AR-Anwendungen korrekte Verdeckungen aufweisen und über Schatten und Schattierungseffekte verfügen, die mit der tatsächlichen Beleuchtungssituation der realen Umgebung übereinstimmen. Sämtliche dieser Autorenwerkzeuge basieren auf einem in dieser Arbeit dargelegten Prinzip, bei dem die authentische Integration mittels leicht verständlicher bzw. wenig komplexer Arbeitsschritte und auf Basis der Verwendung einer Bildsequenz der realen Zielumgebung stattfindet. Die Konzepte dieser Arbeit werden durch die Implementierung der Autorenwerkzeuge validiert. Dabei zeigt sich, dass die Konzepte technisch umsetzbar sind. Die Evaluierung basiert auf der Gegenüberstellung eines in dieser Arbeit entwickelten Anforderungskatalogs und verdeutlicht die Eignung des Integrationsprozesses und der davon abgeleiteten Konzepte der Autorenwerkzeuge. Die Autorenwerkzeuge werden in eine bestehende, frei verfügbare AR-Autorenumgebung integriert.
• Augmented Reality (AR) is a combination of the real world with a virtual world. Special technologies are used to enhance the AR user’s perceptive and interactive potential, one example of which being the real-time integration of virtual objects into the user’s view of the real environment. Such extensions assist the user in performing activities in reality, by providing information that he cannot directly perceive with his own senses. The objective is to make the user believe that the real environment and the virtual objects coexist and blend. There are a number of potential uses for AR applications. However, several problems have, thus far, prevented diffusion of this technology, such as the fact that building an AR application requires programming skills on the part of the developer. In order to diminish these problems, it would be desirable to enable users without knowledge of programming concepts (authors) to develop AR applications. On the other hand, technological problems exist with respect to tracking mechanisms, which are essential for the registration of virtual objects. Finally, current AR applications in general, as well as AR applications developed using author-oriented systems in particular, exhibit deficits with respect to the authenticity of visual representation. Specifically, incorrect occlusion, as well as unrealistic shadow casting by and onto virtual objects, are responsible for the loss of the impression of coexistence. This thesis develops and illustrates a concept for the authentic integration of virtual objects into AR applications, based on analyses that determine the most relevant authenticity criteria, and taking into account tracking problems. With this integration process as a starting point, concepts are derived for tools with graphical user interfaces that allow the development of AR applications with a high degree of visual authenticity. On the one hand, AR applications built with such tools offer improved registration of virtual objects. On the other hand, the tools provide solutions for the accurate visualization of occlusion, as well as correct shadows and shading, which coincide with the actual lighting situation in the real environment. A principle is presented in this thesis that allows the authentic integration of virtual objects in a number of simple and comprehensible steps, centered on image sequences of the real target environment. All of the authoring tools presented in this thesis are based on this principle. An implementation of the authoring tools serves as a validation for the concepts presented in this thesis, proving that they are technically realizable. In order to illustrate the adequacy of the integration process and of the derived authoring tool concepts, their evaluation is based on the comparison with a requirements catalog, which is also developed in this thesis. Finally, the authoring tools are integrated into a freely available AR authoring environment.