Link to English version: 3D-Apps with AR capabilities for teaching structural concrete
Einführung
Zum Erlernen der Grundlagen der Tragwerksplanung gehört nicht nur das Verständnis mathematischer Formeln und mechanischer Modelle, sondern auch deren Interaktion mit dem realen 3D-Raum. Unsere Professur hat gute Erfahrungen mit der Einführung von Webanwendungen gemacht, die unseren Studierenden helfen, die wichtigsten Prinzipien der Vorlesungen zu Stahlbeton zu verstehen. Diese Anwendungen konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die abstrakte Darstellung des Inhalts durch 2D-Zeichnungen, Diagramme und Text. Zusätzlich bieten sie die Möglichkeit, mit den zugrundeliegenden mechanischen Modellen zu interagieren, indem die geometrischen, materiellen oder anderen Eigenschaften mit Hilfe von Schiebereglern und Texteingabefeldern verändert werden. Während dieser Ansatz für verschiedene Lehrinhalte geeignet ist, wie die 17 Anwendungen zeigen, die bereits in unseren Bachelor-Kursen eingesetzt werden, haben wir auch Beispiele gefunden, die von einem anderen Präsentationsstil profitieren würden. Es wurden drei Aspekte der bisherigen Apps identifiziert, die uns zur Arbeit an einer neuen Generation von Apps motiviert haben. Diese sind:
- Abstrakte Darstellung von Konzepten mit Hilfe von 2D-Zeichnungen oder Diagrammen. Dies kann es den Studierenden erschweren, die gezeigten Konzepte mit Beispielen aus dem wirklichen Leben in Verbindung zu bringen.
- Viele verschiedene Eingabemöglichkeiten wie Schieberegler, Textfelder und mehrere Ausgabeziffern können für die Studierenden überwältigend sein
- Die Apps sind in verschiedenen Programmierumgebungen geschrieben, was für unerfahrene Lehrkräfte eine Hürde für die Anpassung oder Erstellung neuer Apps darstellen kann.
Um diese drei Punkte anzugehen, basiert die neue Generation von Apps auf den folgenden drei Ideen:
- Die Darstellung von Geometrie im 3D-Raum sowohl in einer virtuellen Umgebung als auch verankert in der realen Welt mit Hilfe von Augmented-Reality-Funktionen.
- Eine klare Benutzer-/Studierendenführung durch die Anwendung, um zu vermeiden, dass die Studierenden von der Komplexität des Modells überwältigt werden.
- Ein möglichst simples Implementierungskonzept im Backend, das die einfache Manipulation bestehender Beispiele und die schnelle Erstellung neuer Beispiele ermöglicht.
Es ist zu betonen, dass das neu entwickelte Framework für 3D-AR-Apps nicht dazu gedacht ist, die derzeit an unserer Professur verwendete Sammlung von Apps zu ersetzen. Vielmehr ist das Ziel, diese dort einzusetzen, wo die aktuelle Generation von Apps nicht geeignet ist.
Prototyp
Unser erstes Beispiel basiert auf einer der Übungen in der Vorlesung „Stahlbeton 1“, die sich mit der Bemessung eines Torsionsbalkens mithilfe von Fachwerkmodellen beschäftigt. Der Benutzer kann die App mit den meisten gängigen Browsern auf einem mobilen Gerät oder einem Computer aufrufen. Besuchen Sie dazu einfach den angegebenen Link oder scannen Sie den QR-Code mit der Kamera.
Sobald die App gestartet ist, können Sie ihre Funktionen über die Benutzeroberfläche erkunden.
Für die AR-Funktion gewähren Sie den Kamerazugriff, wenn Sie dazu aufgefordert werden, und scannen dann einen Aruco 6×6-Marker, um die Augmented-Reality-Funktionen zu nutzen.
Backend-Implementierungsrahmen
Der Grundgedanke des Frameworks ist, dass es auch für App-Entwickler, die nicht mit Unity vertraut sind, leicht zu verwenden und anzupassen ist. Daher wurden weit verbreitete Dateitypen als Input gewählt. Im aktuellen Stand der Projektimplementierung sind dies die folgenden rohen Eingabedateien:
– 3D-Geometrie (.3dm)
– Ebenen-Informationen (.xlsx)
– Ablaufinformationen (.xlsx)
– Schrittbeschreibungen (.markdown)
Das Framework besteht aus drei Hauptteilen. Der erste Schritt besteht darin, alle rohen Eingabedateien in Formate zu konvertieren, die leicht über das Internet kommuniziert werden können, wie OBJ, JSON und CSV. Im zweiten Schritt wird ein Unity-Projekt entworfen, das diese Materialien empfängt und in 3D-Geometrie, Diagramme oder mathematische Gleichungen umwandelt. Es wurde ein Bediensystem für Maus- und Toucheingaben in einer Browserumgebung entwickelt, das es dem Benutzer ermöglicht, die Inhalte im 3D-Raum zu erleben. Zusätzlich wird eine AR-Implementierung eingeführt, die den Studierenden helfen soll, die Geometrie im Raum zu verstehen. Der dritte Schritt umfasst die Kompilierung und Bereitstellung dieser Anwendung als Webanwendung, die dann auf einem Webserver gehostet wird, damit die Benutzer darauf zugreifen können.
Falls Sie mehr über den Ablauf zum Erstellen eines neuen Beispiels erfahren wollen, werfen Sie einen Blick auf die readMe Datei.
Fazit
Die aktuelle Version der App ist ein Zwischenstand der Ideen und stellt Fortschritte des Teams in den letzten Monaten dar. Wir wollen die Stabilität und die Benutzerfreundlichkeit der interaktiven Funktionen testen und die Kompatibilität mit einer Vielzahl von Geräten sicherstellen, bevor wir eine robuste Version für die Studierenden freigeben. Das Hauptziel der nächsten Phase ist die Erweiterung des Projekts durch weitere Beispiele.
Wir laden Sie ein, den ersten Prototyp der App auf unserer Website zu testen und würden uns freuen, wenn Sie uns Ihre Meinung mit Hilfe dieses Feedback-Fragebogens mitteilen würden.
Paul Merz and Wenqian Yang