Augmented Reality wird praxisreif

Mal eben das Wohnzimmer virtuell neu einrichten, eine Partie Minigolf auf der virtuellen Anlage im Flur spielen oder die wertvolle Uhr schon vor dem Kauf als Hologramm am eigenen Handgelenk betrachten – die Vermischung virtueller Inhalte mit Bildern der physischen Umgebung macht es möglich.

Diese meist als Augmented oder Mixed Reality bezeichnete hybride Welt ist nach einer häufig zitierten Definition von Paul Milgram und Fumo Kishino ein Kontinuum, das von der Darstellung der rein physischen Umgebung auf der einen bis zum völligen Eintauchen in ein rein virtuelles Umfeld auf der anderen Seite reicht. In ihrem Artikel „A Taxonomy of Mixed Reality Visual Displays“ unterscheiden Milgram und Kishino sechs Klassen von Schnittstellen für die Anzeige von Mixed-Reality-Inhalten – vom einfachen Display, auf dem digitale Inhalte mit dem Abbild der realen Umgebung vermischt werden, über verschiedene Typen von Brillen bis hin zu komplett computergenerierten Umgebungen, in die reale Bezüge per Video oder die holografische Repräsentation realer Objekte integriert werden.

Im Folgenden soll es im Wesentlichen um zwei Ausprägungen von Mixed Reality gehen, die meist als Assisted und Augmented Reality bezeichnet werden. „Bei Assisted Reality werden Zusatzinformationen, die einen Vorgang unterstützen und vereinfachen, am Rand des Sichtfelds transparent eingeblendet“, erklärt Johanna Bellenberg, Director Marketing & Communications beim Software-Entwickler und Full-Service-Provider Picavi, der sich auf datengestützte Picking-Lösungen für Kommissionierungsprozesse spezialisiert hat.

Bekanntestes Beispiel für Assisted Reality sind die Head-up-Displays mancher Navigations- und Assistenzsysteme in Automobilen, die Informationen auf die Windschutzscheibe in das periphere Sichtfeld des Fahrers projizieren. Hierbei kommen keine ausgefeilten computergenerierten 3D-Grafiken zum Einsatz, sondern Zahlen und einfache Symbole, etwa Richtungspfeile. „Die eingeblendeten Daten beziehen sich nicht zwangsläufig auf ein bestimmtes ‚reales‘ Objekt, sondern dienen der kontextabhängigen Unterstützung im Prozess“, sagt Bellenberg.

Augmented Reality geht einen Schritt weiter und blendet computergenerierte 3D-Welten statt dürrer Zahlen oder einfacher Symbole in die reale Umgebung ein. „Hier wird die echte Realität um virtuelle, räumlich positionierte Objekte in Echtzeit erweitert“, erklärt Bellenberg, „es findet also eine Verschmelzung der beiden Realitäten statt, ohne dass man den Bezug zu den wirklichen Geschehnissen verliert.“

Während im Endkundenbereich Augmented-Reality-Apps und -Inhalte vor allem für Smartphones und Tablets angeboten werden, kommen im industriellen Umfeld überwiegend Head-Mounted Devices (HMDs) zum Einsatz. Sie werden häufig auch als Smartglasses oder Datenbrillen bezeichnet, obwohl einige Modelle gar keine Brillengläser integriert haben, sondern nur aus einer Befestigungseinrichtung und einem kleinen Anzeigegerät bestehen.

Bei dessen Ausführung lassen sich prinzipiell zwei Typen unterscheiden: „See through“-Modelle verwenden ein (teil-) durchsichtiges Display beziehungsweise einen Spiegel, während die „Look around“-Versionen – wie der Name schon andeutet – nicht-transparente Displays nutzen, die einen wenn auch kleinen Teil des Sichtfelds abdecken.

Im Bereich Assisted Reality werden hauptsächlich monokulare HMDs verwendet. Sie blenden die Informationen nur im Blickfeld eines Auges ein. Gerade bei diesem Brillentyp sei die Entwicklung sehr dynamisch, sagt Leonid Poliakov, Vice President Customer Success bei der Ubimax GmbH, einem Spezialisten für Industrielösungen in den Bereichen Wearable Computing und Assisted/Augmented Reality. „Die Hersteller haben erkannt, dass die Datenbrillen sich nicht im Endkundenbereich, sondern zunächst im professionellen Umfeld etablieren, und bringen dafür geeignete Produkte auf den Markt.“ Aktuelle Modelle wie die Glass Enterprise Edition, die Vuzix M300 oder die Realware HMT-1 trügen den raueren Bedingungen in Industrieumgebungen Rechnung. „Diese HMDs sind unempfindlich gegen Staub oder Spritzwasser und können auch einmal herunterfallen, ohne Schaden zu nehmen.“

Bei Augmented Reality sind dagegen binokulare See-through-HMDs notwendig, die die dreidimensionale Computergrafik in das Sehfeld beider Augen einblenden können. Zusätzlich wird ein Tracking-System gebraucht, das die Position des Anwenders im Raum bestimmen kann, um eine realistische Überlagerung von physischer und virtueller Realität zu ermöglichen.

Vor allem Arbeitsabläufe, die ein hohes Maß an Orientierung und Bewegung im Raum sowie schnelle Reaktionen erfordern, profitieren laut Picavi-Managerin Bellenberg von Assisted Reality. „Mit Hilfe einer strikten visuellen Führung durch die Datenbrille wird der Werker entlastet, zusätzlich wird die Fehlerquote auf nahezu null gesenkt und gleichzeitig die Produktivität maximiert.“ Ein typisches Einsatzszenario sind Logistikprozesse. So konnte etwa die Klosterfrau Healthcare Group durch den Einsatz der Picavi-Intralogistiklösung bei der Kommissionierung und internen Lagerverwaltung 30 Prozent der Handling-Zeit sparen und mit derselben Personalstärke ein deutlich größeres Auftragsvolumen bewältigen.

Zu ähnlichen Werten kommen auch die Kunden des Picavi-Konkurrenten Ubimax. Versender DHL berichtet beispielsweise von 25 Prozent Zeitersparnis, einer um 15 Prozent gestiegenen Produktivität, einer geringeren Fehlerquote und einer höhere Mitarbeiterzufriedenheit durch den Einsatz von Datenbrillen. Darüber hinaus habe sich der zeitliche Aufwand für die Einarbeitung und das Training neuer Mitarbeiter halbiert, so das Logistikunternehmen.

Diese Vorteile sprechen sich langsam auch außerhalb der Logistikbranche und der Automobilindustrie herum, die als Erste die Möglichkeiten von Assisted und Augmented Reality erkannt haben. „Der Fokus hat sich deutlich erweitert, es finden sich heute immer mehr Anwendungsmöglichkeiten im Gesundheitswesen, im Einzelhandel oder im Maschinenbau“, sagt Leonid Poliakov, „und täglich kommen neue Use-Cases für Assisted und Augmented Reality hinzu.“ Das größte Hindernis auf dem Weg zum Massenmarkt sei die Generierung und Aufbereitung von Informationen für die AR-Nutzung: „Hier fehlt es teils an den notwendigen Ressourcen.“ Ubimax hat daher mit dem Frontline Creator eine webbasierte Anwendung entwickelt, über die Kunden ohne IT-Kenntnisse Inhalte für Smartglasses zusammenstellen können. „Jeder kann sich sehr kostengünstig mit der Technologie auseinandersetzen.“

Einen ähnlichen Weg geht das französische Unternehmen Diota. Zu seinen Kunden gehören Luftfahrtunternehmen wie Dassault, Safran und Air France und Automobilhersteller wie VW, Daimler oder die PSA-Gruppe. In Deutschland kooperiert der Hersteller mit HCV Data, dem Bechtle-Kompetenzzentrum für PLM-Anwendungen (Product Lifecycle Management). Sein Diota Player erlaubt es, Daten aus Planungs- und CAD-Systemen zu importieren, aufzubereiten und zu visualisieren. Mit Hilfe des Moduls Diota Connect lassen sich Informationen aus einem PLM, aus Produktionsleitsystemen (Manufacturing Execution System, MES) und CRM-Lösungen, aber auch 3D-Modelle aus CAD-Programmen wie Catia, Siemens NX oder SolidWorks importieren und zum Beispiel für Montage- oder Wartungsanleitungen verwenden. „Eine Arbeitsanweisung kann in 20 bis 30 Minuten erstellt werden, in manchen Fällen lässt sich dieser Schritt durch Automatisierung sogar auf zwei bis drei Minuten reduzieren“, sagt Gottfried Roosen, Business Development Manager bei Diota

Der Diota Player kann mit Tablets, Beamern, PCs oder auch der Microsoft HoloLens verwendet werden. Der Hersteller bietet spezielle Endgeräte an, die aus einem Tablet oder einem Beamer und einer Industriekamera bestehen. „Die in Tablets integrierten Kameras sind nicht präzise genug, um sie für industrielle Zwecke einzusetzen“, sagt Roosen, „mit unserer Konstruktion sind wir dagegen in der Lage, computergenerierte Daten millimetergenau auf reale Gegenstände zu projizieren oder auf dem Tablet-Bildschirm zu überlagern.“

Die Einsatzmöglichkeiten reichen vom Prototyping über die Fertigung bis hin zu Wartung und Training. So lassen sich beispielsweise Montageschablonen auf eine Werkoberfläche, etwa einen Flugzeugflügel oder eine Turbine, projizieren. Es können aber auch Schritt-für-Schritt-Anweisungen für den Einbau oder Zusammenbau von Komponenten erstellt werden. Mit dem Zusatzmodul Diota Inspect lässt sich überprüfen, ob die Schritte in der korrekten Reihenfolge abgearbeitet wurden oder ob sich alle Komponenten an der richtigen Stelle befinden. Die erfolgreiche In­spektion wird dokumentiert und quittiert. Vor allem die Automobil- und Luftfahrtindustrie, aber auch andere produzierende Unternehmen setzen das System ein. „Mit Hilfe von Augmented Reality lässt sich die Fehlerrate um 60 bis 90 Prozent reduzieren und die Produktionszeit um 35 bis 85 Prozent verkürzen“, sagt Roosen. Auch bei der Wartung seien erhebliche Einsparungen realisierbar. „Aufgaben, für die bisher ein Experte für mehrere Tage eingeflogen werden musste, lassen sich nun in wenigen Stunden vor Ort und ohne tiefe fachspezifische Kenntnisse erledigen.“

Eine Sonderstellung unter den Datenbrillen nimmt die Microsoft HoloLens ein. Um die Mixed-Reality-Brille hat sich ein regelrechtes Ökosystem an Start-ups entwickelt, darunter Unternehmen wie Holo-Light, PrismAR und Viscopic. „Wir waren schon vor dem Marktstart von der HoloLens überzeugt, als wir in Deutschland die ersten Videos der Brille gesehen haben“, sagt Luis Bollinger, Chief Marketing Officer (CMO) bei Holo-Light, einem Unternehmen, das unter anderem holografische Anwendungen für Messeauftritte, Produktvisualisierung und Flottenmanagement entwickelt, „uns erschien die Technologie im gesamten Virtual- und Mixed-Reality-Markt am vielversprechendsten.“

Die Vorteile der HoloLens gegenüber anderen Mixed-Reality-HMDs wie der Meta 2 lägen in ihrer Unabhängigkeit von einem Computer, der Qualität der Hologramme und des Trackings: „Für uns ist es derzeit ganz klar das stärkste Gerät am Markt.“ Den hohen Anschaffungspreis sieht er nur bedingt als Hindernis: „Natürlich müssen die Anfangsinvestitionen in Relation zu einem möglichen Return on Investment gesetzt werden“, sagt Bollinger, „seit Kurzem kann man die HoloLens aber auch beim Systemhaus Bechtle leasen und so den Anfangsinvest deutlich senken.“

Als Innovationsberatung mit dem Fokus auf Virtual und Mixed Reality versteht sich das 2016 gegründete Start-up PrismAR. „Die Technologie hat uns begeistert“, sagt Tanja Koch, Mitgründerin und Gesellschafterin der PrismAR GbR. Die Leistungen reichen von der Bedarfsanalyse über die Ideenfindung bis hin zu HoloLens-basierten Prototypen und deren Validierung. Koch sieht die Microsoft-Brille aber durchaus auch kritisch: „Die Hardware ist noch nicht da, wo sie sein müsste.“ So sei die HoloLens für Anwendungen im medizinischen Bereich zu schwer, um sie über längere Zeit, etwa bei Operationen, zu tragen, die Tracking-Funktion sei nicht präzise genug, um OP-Besteck oder Nadeln zu führen. Dennoch ist sich Koch sicher, dass sich die technologischen Beschränkungen überwinden lassen: „Mixed Reality wird die Welt verändern, auch wenn das noch etwas dauern kann.“

Das im Umfeld der TU München gegründete Start-up Viscopic interessierte sich ebenfalls schon vor dem Marktstart in Deutschland für die HoloLens: „Wir haben immer die neuesten Technologien ins Unternehmen geholt und uns überlegt, was man damit machen kann“, sagt Marco Maier, Geschäftsführer der Viscopic GmbH. Zu den spannendsten Anwendungsmöglichkeiten zählt Maier die Bereiche Schulung und Unterricht in Industrieunternehmen: „Der Einsatz von Mixed Reality in Ausbildung und Training ist ideal, um die Mitarbeiter langsam an das Thema heranzuführen.“ Für die Deutsche Bahn hat Viscopic eine Lösung entwickelt, mit der die Wartung von Gleisen und Weichen simuliert und trainiert werden kann. „Die Hälfte der DB-Wartungstechniker geht in den kommenden Jahren in den Ruhestand, das Unternehmen muss daher viele Leute einstellen und diese möglichst schnell ausbilden“, sagt Maier. Virtuelles Training könne hier helfen, auch wenn es die Ausbildung am Objekt nicht gänzlich ersetze: „Man kann sehr gut Prozesse damit verinnerlichen und Abfolgen Schritt für Schritt lernen.“

Die Einsatzszenarien von Mixed Reality in ihren diversen Formen sind vielfältig. Vor allem in der Logistik, aber auch im Produktdesign, der industriellen Produktion komplexer Maschinen, in Wartung, Service und Support oder Schulung und Training ist die Integration digitaler Daten und Welten in die physische Umgebung bereits vielerorts erfolgreich im Einsatz.

Natürlich gibt es noch einige Herausforderungen. Die Akkulaufzeiten der Brillen reichen oft nicht für einen ganzen Arbeitstag, der Tragekomfort lässt zum Teil zu wünschen übrig, die Größe des Gesichtsfelds und die Tracking-Genauigkeit sind verbesserungsfähig. Vor allem aber fehlt es noch an Inhalten. Was nützt die beste Hardware, wenn sich die Informationen aus ERP- und Supply-Chain-Systemen, CAD-Programmen oder Installationshandbüchern gar nicht oder nur mit Mühe darauf übertragen und darstellen lassen?

Lösungen wie der Frontline Creator von Ubimax oder Diota Connect von Diota zeigen hier den Weg. Ermutigend, gerade für den Mittelstand, ist zudem, dass Systemhäuser wie Bechtle das Potenzial der Technologie erkannt haben und ihre mittelständischen Kunden bei der Integration unterstützen.

Michael Zawrel, Senior Product Marketing Manager Devices bei Microsoft, erklärt, wie die Windows-Mixed-Reality-Plattform funktioniert und warum Unternehmen trotz des hohen Preises von über 5.000 Euro auf die HoloLens setzen sollten.

com! professional: Herr Zawrel, Microsoft hat mit dem Fall Creators Update im Oktober 2017 Mixed Reality als festen Bestandteil von Windows 10 eingeführt. Was zeichnet dieses System aus?

Michael Zawrel: Windows Mixed Reality ist eine durchgängige Plattform zur Erstellung und Nutzung von Mixed-Reality-Anwendungen. Entwickler können auf der Plattform MR-Inhalte für die verschiedensten Gerätetypen und Szenarien programmieren – etwa für die App Mixed Reality Viewer auf dem PC, für eine Anwendung auf der Microsoft HoloLens oder auch für vollimmer­sive Virtual-Reality-Erfahrungen auf den neuen Windows-Mixed- Reality-Headsets unserer Partner. Anwendungen lassen sich sogar über verschiedene Gerätetypen hinweg nutzen.

Zawrel: Wir orientieren uns an der 1994 von Paul Milgram und Fumio Kishino aufgestellten Definition, wonach Mixed Reality eine Vermischung der physischen und digitalen Welt darstellt. Das umfasst das ganze Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten. Auch VR-Anwendungen sind eine Mischung aus virtuellen und physischen Komponenten. Zum Beispiel werden Orientierung und Bewegungen über Controller und Sensoren aus der physischen Welt in die künstliche digitale Welt übertragen. Deshalb sprechen wir primär von Mixed Reality.

Zawrel: Die Microsoft HoloLens hat natürlich eine Sonderstellung. Sie ist der erste völlig eigenständige, kabellose holografische Computer, ein Windows-10-Rechner, den man auf dem Kopf tragen kann. In das Blickfeld des Trägers lassen sich digitale Objekte – sogenannte Hologramme – einblenden, und zwar so, als ob sie Teil der Realität wären.

Zawrel: Die in der Brille verbauten Sensoren scannen kontinuierlich die Umgebung und erstellen davon eine räumliche Karte, wir nennen das „Spatial Mapping“. So lassen sich digitale Objekte auf Oberflächen wie einem Tisch, dem Boden oder der Wand platzieren. Hinzu kommt, dass man die holografischen Objekte per Gesten- und Sprachsteuerung bedienen oder verändern kann. Das ermöglicht viele Anwendungsszenarien.

Zawrel: Sicher. Zusammen mit BMW und der Agentur Saint Elmo’s haben wir etwa ein Szenario für den Verkauf umgesetzt, in dem der interessierte Kunde den neuen BMW X2 holografisch erleben und konfigurieren kann. Das Szenario setzt stark auf spielerische Elemente und Social-Media-Integration. So kann der Nutzer beispielsweise das Auto durch einen Hindernis-Parcours navigieren oder es virtuell umlackieren.

Zawrel: Es kommt immer auf das Ziel an, das man erreichen will. Mit der Microsoft HoloLens erwirbt man eine innovative Technologie, die sich nachhaltig einsetzen lässt – nicht nur für ein Projekt. Grundsätzlich entscheidet aber natürlich immer der Kunde.

Zawrel: Die HoloLens ist primär für aufgabenorientiertes Arbeiten konzipiert: Ich setze sie auf, erledige meine Arbeit und setze sie wieder ab. Es ist aber auf jeden Fall wichtig, dass die Brille richtig eingestellt wird, damit sie komfortabel sitzt. Im Übrigen ist sie mit 579 Gramm nicht schwerer als vergleichbare Geräte.

com! professional: Ein anderer Kritikpunkt betrifft das eingeschränkte Gesichtsfeld der HoloLens …

Zawrel: Wir adressieren mit der HoloLens ausschließlich ein kommerzielles Umfeld. Dort ist es durchaus wichtig, dass ich meine Umgebung weiterhin wahrnehmen kann.