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Paul Frank Grimm

• Es ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, die Entwicklung von Virtuellen Umgebungen und insbesondere deren Inhalte in der Art zu vereinfachen, dass die bestehende Lücke zwischen der abstrakten Beschreibung und Modellierung einer Problemstellung und der praktischen Umsetzung geschlossen wird. Dazu wurden in Kapitel 1 zunächst die Gründe und Überlegungen dargestellt, die zur Erstellung der vorliegenden Arbeit beigetragen haben. Es wurde gezeigt, dass zu einer großen Verbreitung und einer guten Integration von 3D Systemen nicht nur die Verfügbarkeit der entsprechenden Hardware gehört, sondern auch die Möglichkeit für jedermann - oder zumindest für viele - diese Techniken für die eigene Arbeit zu nutzen, wobei diese Verwendung die Erstellung von Interaktionsszenarien und Verhaltensbeschreibungen einschließt. Es wurde darauf hingewiesen, dass heutige Konzepte und Technologien der Verhaltenserstellung aufgrund ihrer Komplexität nicht zur weiten Verbreitung ausreichen, und es wurden Ideen und Vorschläge für neue Ansätze genannt. Zur Hervorhebung von Kernproblemen der heutigen Vorgehensweise bei der Erstellung Virtueller Umgebungen wurden in Kapitel 2 die Motivationen und die Überlegungen, die zu den technischen Lösungen führten, mit der Sicht und den Ansprüchen unterschiedlicher Disziplinen auf die Verhaltensbeschreibung verglichen. In diesem Zusammenhang wurden die Problematiken der Interdisziplinarität, der Verhaltenspartitionierung und der Darstellung von Verhalten vorgestellt. Das Ergebnis war die Forderung nach einem Paradigmenwechsel – weg von der technischen Orientierung, hin zu einer autorenfokussierten Erstellung Virtueller Welten. Darüber hinaus wurden grundlegende Konzepte der Ingenieurswissenschaften dargelegt. Unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse wurde in Kapitel 3 eine Analyse der Problemstellung anhand bestehender Arbeiten in drei Bereichen durchgeführt: Den Bereichen der manuellen und der automatisierten Erstellung sowie dem Bereich, in dem Ingenieurskonzepte auf die 3D Computergraphik angewendet werden. Aktuelle Arbeiten wurden im Hinblick darauf untersucht, welche Strukturen und Prozesse bei der Erstellung der Verhaltensbeschreibungen für Virtuelle Umgebungen auftreten und worin diese begründet sind. Zugleich wurde dabei die Unterstützung in Form von Hilfsmitteln und Vorlagen untersucht, die der Autor während der Erstellung erfährt. Es wurde aufgezeigt, dass heutige Technologien begründetermaßen meist auf einer hierarchischen Beschreibung des Inhalts aufbauen. Zum einen hilft die Hierarchie dem geübten Benutzer bei der Strukturierung und zum anderen lassen sich solche Beschreibungen schnell in ein mathematisches Modell der notwendigen Kinematik übertragen. Aber die innere Struktur einer Szene stimmt nicht notwendigerweise mit der eines baumförmigen Graphen überein. Darüber hinaus entspricht die Granularität der zum Aufbau des Szenengraphen verwendeten Elemente nicht den Vorkenntnissen der Autoren. In Kapitel 4 wurde als Lösungsansatz das Konzept der Visual Design Pattern zur Strukturbeschreibung hergeleitet. Es ermöglicht den Aufbau von Szenen aus der Perspektive des Autors. Diesem Konzept liegt die Idee zugrunde, dass in Verhaltensbeschreibungen für Virtuelle Umgebungen wiederkehrende Muster existieren, die für den Autor sichtbar und handhabbar gemacht werden sollen. Hierfür wurde basierend auf einer Betrachtung der Anforderungen und der Zielsetzung im Bereich der 3D Computergraphik, ausgehend von der ursprünglichen Idee der Design Pattern, durch eine Spezialisierung das Konzept der Visual Design Pattern zur visuellen Strukturbeschreibung Virtueller Umgebungen erarbeitet und definiert. Die Spezialisierung erfolgte im Hinblick auf die Integration einer Pattern-Visualisierung und die dadurch möglichen Interaktionsbeschreibungen zur Anpassung. Der vorgestellte Ansatz impliziert einen angepassten Produktionsprozess, bei dem die Erfahrungen und Anwendungsbeispiele, die durch ein Visual Design Pattern zusammengefasst und beschrieben sind, in der Form von Visual Templates umgesetzt wurden, so dass diese als Strukturelemente zum Aufbau neuer Szenen sowohl bei der manuellen, als auch bei der automatisierten Erstellung benutzt werden können. Die konzeptionelle Grundlage zum Aufbau der Visual Templates basiert auf dem Einsatz von 3D Komponenten als virtuelle Abbilder realer und imaginärer Entitäten. Ausgehend von den durch das Konzept der Visual Templates gegebenen Anforderungen zum einen und den Ergebnissen der Analyse zum anderen wurden die elementaren Eigenschaften für die 3D Komponenten hergeleitet und daraus die entsprechende Architektur spezifiziert. Abschließend wurde aufgezeigt, wie die erforderliche Persistenz auf der Basis eines XML-Dialekts konzeptionell umgesetzt wird. In Kapitel 5 wurde die Realisierung der vorgestellten Konzepte dargelegt. Das Konzept der Visual Design Pattern, das daraus abgeleitete Konzept der Visual Templates und das Konzept der zum Aufbau notwendigen 3D Komponenten stellen Ansätze zur Unterstützung eines Autors Virtueller Umgebungen dar. Entsprechend wurden in Kapitel 6 die beschriebenen Konzepte und deren Realisierung anhand von unterschiedlichen Anwendungsbeispielen aus den Bereichen des Notfalltrainings, der Medizin und der Innenarchitektur angewendet, wobei die Vor- und Nachteile im Vergleich zur konventionellen Erstellung analysiert wurden. Auf dieser Grundlage erfolgte zum Abschluss eine Bewertung der in dieser Arbeit vorgestellten Konzepte im Hinblick auf die erklärten Ziele. Als Kriterien dienten hierzu die vier Prinzipien der Erstellung. Demnach dient das zugrundeliegende Konzept der Visual Design Pattern in geeigneter Weise dazu, linguistische Konstruktionsmethoden zu integrieren. Durch die Nutzung der 3D-Komponenten in der Form der Component Markup Language ist es möglich geworden, diesen Ansatz auf eine formale Grundlage zu stellen und über die Visualisierung und die Anpassung in der Form von Vorlagen als visuelle Konstruktionsmethode in Autorenumgebungen zu integrieren.