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Virtuelle Realität (VR)
| Das Verständnis für den Prozeß der industriellen Produktion sowie die Akzeptanz neuer Technologien haben für den Fortbestand unserer Industriegesellschaft eine entscheidende Bedeutung. In den letzten Jahren ist der Produktionsprozeß jedoch - begleitet vom vermehrten Einsatz der Informationstechnologie - erheblich komplexer und unüberschaubarer geworden.
Das Projekt Virtuelles Modellunternehmen soll dazu beitragen, ein besseres Verständnis für die Abläufe in einem industriellen Produktionsunternehmen zu wecken sowie die Einsatzmöglichkeiten und Nutzenpotentiale der Informationstechnologie aufzuzeigen. Im Rahmen des Projektes wird für den Einsatz in der Forschung, der Lehre, der Erwachsenenbildung sowie für den Technologietransfer ein Industrieunternehmen modellhaft im Rechner nachgebildet.
Diese Modellunternehmen, die virtuelle Fahrradfabrik Cyberbikes AG, wird den Besuchern des Heinz Nixdorf MuseumsForums, Paderborn im Exponat Software Theater vorgeführt. Dabei wird die Technik der virtuellen Realität (VR) eingesetzt, um eine besonders eingängige, verständliche Darstellung der Sachverhalte zu ermöglichen und eine intuitive Benutzung des Systems zu gewährleisten. Die VR-Technologie basiert auf einer interaktiven, echtzeitfähigen 3D-Computergraphik, die es dem Benutzer ermöglicht, mittels spezieller Display-Technologie in die computergenerierte Szenerie einzutauchen (Immersion) und die dort vorhandenen Objekte direkt zu manipulieren (Interaktion). |
Virtuelles Modellunternehmen Cyberbikes AG Zurück zum Seitananfang
| | Die entscheidenden Vorteile eines virtuellen Modellunternehmens gegenüber anderen Formen der Unternehmensdarstellung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Die Abläufe innerhalb eines Industrieunternehmens können in Realzeit dargestellt werden. Dadurch wird die Abbildungstreue zum tatsächlichen Unternehmen gewährleistet. Darüber hinaus ist es möglich, einzelne Abläufe jederzeit zu beschleunigen (Entwicklungsarbeit, Lieferzeiten etc.) oder zu verlangsamen (Bearbeiten durch Werkzeugmaschinen, Informationsflüsse zwischen Datenverarbeitungsanlagen).
- Durch die räumliche Darstellung von Unternehmen wird es möglich, sich im Modell fast wie in der Wirklichkeit zu bewegen. Der Immersionseffekt (Erlebnis der räumlichen Tiefe) erleichtert es dem Besucher, Abläufe und Zusammenhänge einfacher und schneller zu erfassen.
- Problemsituationen - insbesondere jener Art, die in der Praxis nur selten auftreten oder großen Schaden verursachen - können jederzeit simuliert werden. Die Auswirkungsanalyse beschränkt sich nicht nur auf Zahlenmaterial, sondern der Fehler kann visuell nachvollzogen werden. Selbst ein interaktiver Eingriff, der der Fehlerbeseitigung dient, ist möglich.
- Objekte und Prozesse in einem Industrieunternehmen und der Einfluß der Informationstechnik werden viel anschaulicher als in der Realität verdeutlicht. Die konzeptionelle Gestaltung von Produkten, die es real noch nicht gibt, ist möglich.
- Für die räumliche Darstellung der Unternehmen müssen diese nicht real existieren. Es können auch Produktionsstätten vergangener oder zukünftiger Epochen dargestellt und in Funktion betrachtet werden. Architektonische Ideen, Visionen oder historische Grundlagen können in die Gestaltung des Modells einbezogen werden.
Um die Funktionsbereiche, die Leistungserstellungsprozesse sowie die Wirkzusammenhänge eines Industrieunternehmens den Besuchern des Heinz Nixdorf MuseumsForums anschaulich und verständlich näherbringen zu können, wurde die Cyberbikes AG als Virtuelles Modellunternehmen realisiert.
Eine Fahrradfabrik bot sich als Prototyp für ein Virtuelles Modellunternehmen an, da das Fahrrad ein Gegenstand des täglichen Lebens ist, der allen Museumsbesuchern ein Begriff ist und dessen prinzipielle Funktionsweise auch technisch nicht versierten Besuchern bekannt ist.
Außerdem ist das Fahrrad gesellschaftlich voll akzeptiert. Neben seiner Beliebtheit als Freizeitgerät symbolisiert es das umweltfreundliche Verkehrsmittel schlechthin.
Zur Implementierung der virtuellen Fahrradfabrik wurde zuerst ein Prototyp eines Fabrikationsbereiches modelliert. Dieser Prototyp wurde 1995 fertiggestellt. Seit Oktober 1996 kann der Museumsbesucher die realitätsnahe Abbildung des Fabrikationsbereiches - eingefaßt in die innovative Architektur eines modernen Industrieunternehmens - erleben. In der dritten Projektstufe, die bis Ende 1997 abgeschlossen sein soll, wird die Wechselwirkung des Fabrikationsbereiches mit dem Bürobereich (Entwicklung, Konstruktion und Verwaltung) visualisiert. Dazu werden neben den typischen Arbeitsplätzen auch abstraktere Elemente eines Unternehmens, wie z.B. Informations- und Datenflüsse sichtbar gemacht. |
Rundgang durch die Cyberbikes AG Zurück zum Seitananfang
Gebäude und Umgebung
| Da es sich bei der Cyberbikes AG um ein virtuelles Unternehmen handelt, läßt sich folgerichtig keine reale Stadt, an dem diese Unternehmen angesiedelt ist nennen. Vielmehr ist auch dieser Ort virtueller Natur, der ähnlich dem Unternehmen einem ständigen Wandel, Neuorganistion und Fortentwicklung unterworfen ist.
Für die Gebäudeorganisation mußte eine Struktur und Orientierung etwickelt werden, die die unterschiedlichen Funktionszusammenhänge des Innenlebens erkennbar und nachvollziehbar macht. Der bis zu drei Stockwerken hohe Bau gliedert sich in den kompakten, gläsernen Werkshallenkomplex, einen langgestreckten Verwaltungsriegel und der an der Nordseite abgekoppelten Werkscafeteria. |
| Foyer
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Das Foyer stellt sowohl in der virtuellen Welt der Cyberbikes AG, wie auch in diesen Web-Seiten einen Knotenpunkt des Unternehmens dar. Schon rein räumlich als Mittelpunkt konzipiert, dient das Foyer als Informationszentrum für die Besucher und als Kommunikationszentrum für die Mitarbeiter des Unternehmens. Die einzelnen Bereiche des Gebäudes sind von hier aus zugänglich. |
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Verwaltung
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Vom Foyer aus gelangt man direkt in den Verwaltungstrakt.
Ein Ziel der dritten Projektstufe, die bis Ende 1997 abgeschlossen sein soll, ist den realitätsnahen Bürobereich mit Entwicklung/Konstruktion, Arbeitsplanung und Auftragsabwicklung zu erstellen. Zu diesem Zweck werden im Bürobereich vorhandene, typische Arbeitsplätze modelliert.
Entsprechend der Unternehmensstruktur werden zur Zeit für den Bürobereich in Zusammenarbeit mit namhaften deutschen Möbelherstellern innovative Büro- und Gestaltungskonzepte erarbeitet.
Außerdem wird zu den Arbeitsplätzen die jeweils typischen Software integriert(d.h. CAD-Systeme in der Entwicklung/Konstrucktion, CAP-Systeme in der Arbeitsplanung und PPS-Systeme in der Auftragsabwicklung).
Ziel ist es mit Hilfe der VR-Technologie verschiedene Prinzipien der Organisation und Arbeitsweise sichtbar und erfahrbar zu machen. |
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Fabrikation
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Vom Foyer aus erreicht man auch die Werkshalle der Cyberbikes AG, die in einzelnen Fabrikationsbereiche unterteilt ist.
Die Architektur der Werkshalle mußte den hohen Anforderungen an Flexibilität gerecht werden und bietet Erweiterungs-(Rückbau-)möglichkeiten in Tiefe und Länge.
An-und Auslieferungsports sowie die öffentlichen Zugänge sind in der Nordfassade untergebracht.
Besonders in den Fabrikationsbereichen steht neben der Generierung der Szenerie (bestehend aus Bild- und Tonerzeugung) die Berechnung von Gesetzmäßigkeiten wie dem technischen Verhalten von Werkzeugmaschinen, Robotern und Transportsystemen im Vordergrund.
- Tretkurbelfertigung
Einer der ersten fertiggestellten Teilbereiche im Fabrikationsbereich ist die Tretkurbelfertigung.
Hier läuft der Herstellungsprozeß zur automatischen Fertigung hochwertiger Tretkurbeln exakt so ab, wie er auch in der Realität stattfinden würde.
Der Prozeß kann durch Berühren des virtuellen Touchscreens getartet und angehalten werden. Daraufhin setzt der Roboter (RAL 10 von Komatsu) das Rohteil zum spanenden Bearbeiten nacheinander in die beiden Fräsmaschinen (Chiron FZ12W) ein und legt die fertige Tretkurbel in dem dafür vorgesehenen Container ab.
- Zahnkranzfertigung
Der Fertigungsprozeß der Zahnkränze kann ebenfalls von einem virtuellen Touchscreen aus gesteuert werden.
Die Zahnkränze, die von einer Presse aus einer Endlosstahlrolle ausgestanzt werden, fallen auf ein Förderband. Zwei Roboter (Puma 500 von Unimate) setzen sie zum beidseitigen anschleifen der Zahnflanken in Schleifmaschinen ein und legen sie anschließend in einem entsprechenden Container ab.
Während beider Fertigungsprozesse läßt sich der Ablauf der einzelnen Produktionsschritte auf dem jeweiligen Touchscreen ablesen.
- Rahmenfertigung
In der Rahmenfertigung werden die Fahrradrahmen einzeln entsprechend dem Kundenauftrag hergestellt. Dazu gehört das Zuschneiden der Rohre auf die gewünschte Länge, wobei wichtig ist, daß möglichst wenig Abfall entsteht. Das sechs Meter lange Rohmaterial reicht in jedem Fall für einen Rahmen.
Um ein einwandfreies Schweißen und nachfolgend eine Problemlose Lackierung zu ermöglichen, müssen Fettrückstände durch mehrere Tauch- und Spühlbäder entfernt werden.
Das eigentliche Zusammenfügen der Rohrteile geschieht in einer Schweißstraße. Diese Arbeit wird von Robotern (Manutec R15) ebenfalls vollautomatisch durchgeführt.
Nach einer Oberflächenbehandlung mit Sandstrahlmitteln zur Entfernung von Schweißrückständen und Verhärtungen, wird der Rahmen an einen Deckenförderer gehängt.
- Lackiererei
Die fertig montierten Fahrradrahmen werden an den Hängeförderern durch die verschiedenen Sprüh- und Trockenkammern der Lackierstraße transportiert. Der Besucher hat hier die Möglichkeit, sich ebenfalls am Förderband einzuklinken und so gleichfalls die einzelnen Stufen der Lackierung zu durchlaufen.
- Rohteillager
Die Rohmaterialien, die in der Cyberbikes AG verarbeitet werden, also z.B. Endlosstahlrollen für die Zahnkranzfertigung oder Rohre für den Rahmenbau, werden aus den LKW-Containern mit Hilfe eines sogenannten "Roll-On, Roll-Off-Systems" entladen. Dabei handelt es sich um ein Rollensystem am Boden, wie bei den Rollenförderern, die die Materialien zum Lager transportieren. Bei dem Gewicht der verschiedenen Rohteile kommt ein anderes Födersystem nicht in Frage.
Die Regale, die Ebenfalls mit Rollenförderern ausgerüstet sind werden mit Hilfe von Hydraulikstempeln beladen und entladen.
- Kommissionierungslager
Das Kommissionierungslager, in dem angelieferte Fertigteile (z.B. Ketten oder Schaltungen) und in der Cyberbikes AG hergestellte Einzelteile aufbewahrt werden, ist zum Schutz vor Staub und Diebstählen in einem geschlossenen Raum untergebracht.
Die von einem Gurtbandförderer anglieferten Kisten werden mit Hilfe eines Regalbediengerätes eingelagert. Das Gefälle des Reserveregals oben und des Kommissionierungsregales unten ist so gewählt, daß die Kisten selbständig an den Platz rutschen, an dem sie benötigt werden.
Die Kommissionierung selbst, also die Zusammenstellung der Teile, die jeweils für ein Fahrrad benötigt werden in einer Kommissionierungskiste, findet von Hand statt. Das Kommissionierungslager wird Anfang Mai in das endgültige Modell integriert.
- Endmontage
Die Endmontage der Fahrräder findet ebenfalls von Hand statt. In der Cyberbikes AG existieren vier Montagelinien, an denen jeweils alle vier Minuten ein Fahrrad fertiggestellt werden kann.
Der Rahmen, der aus der Lackiererei angeliefert wird, und der Inhalt der Kommissionierungskiste werden hier von mehreren Arbeitern zusammengefügt. Dazu gehört auch das auf Länge schneiden und entgraten der Gabel sowie das Einsetzen des Tretlagers. Diese Arbeiten werden an zwei Maschinen ausgeführt.
Vor dem Verladen der Fahrräder in einen weiteren LKW-Container findet noch eine Qualitätskontrolle statt.
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Cafeteria
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Die Cafeteria bildet vor allem einen interessanten architektonischen Blickfang, da sie auffallend geformt und mit dem restlichen Gebäude über zwei transparente Röhren verbunden ist.
Da zu einem zukunftsweisenden Unternehmen noch mehr als die futuristische Architektur der Umweltgedanke gehört, wird im Virtuellen Modellunternehmen neben der umweltschonenden Produktion auch auf eine umweltschonende Energiegewinnung Wert gelegt. Dazu sind auf dem Dach der Werkscafeteria Photovoltaikmodule angebracht. Außerdem ist eine Windkraftanlage vorhanden. |
Technische Realisierung Zurück zum Seitananfang
| Kern der Hardwareumgebung zur Darstellung des Virtuellen Modellunternehmens ist eine Silicon Graphics ONYX/RE2. Sie stellt die für die Generierung der Szenerie notwendige Graphikleistung bereit. Dazu ist die Maschine mit 256 MB Hauptspeicher, 4 Prozessoren mit je 150 MHz, 2 RealityEngine2 Graphikpipelines mit je 80 MB Bildspeicher und 16 MB Texturspeicher ausgestattet. Die Graphikpipelines dienen zur Erzeugung von zwei getrennten Bildsignalen für das linke und rechte Auge, um ein stereoskopisches Bild zu erzeugen.
Zur Unterstützung des ONYX-Systems dient eine Silicon Graphics INDY. Die Maschinen sind per Ethernet miteinander verbunden. Während auf der ONYX vorwiegend das Rendering durchgeführt wird, kann die INDY die Steuerung des Audiosystems vornehmen. Die akustische Wahrnehmung wird neben der visuellen Ebene im Rahmen der Präsentation des Virtuellen Modellunternehmens unterstützt, um eine höhere Realitätsnähe zu erzielen. Die Ausgabe von bis zu 32 unabhängigen Geräuschen erfolgt nach dem Ambisonics-Verfahren über 4 Ausgabekanäle. Die Geräusche werden dabei von einem computergesteuerten Sampler aus dem professionellen Bereich generiert. Das verwendete Verfahren geht hinsichtlich der räumlichen Qualität über den aus dem Film- und Kinobereich bekannten "Surround"-Sound hinaus, da auch im hinteren Bereich eine differenzierte Positionierung der "virtuellen Geräuschquellen" möglich ist
Zur Verfügung stehen außerdem VR-typische Ein-, Ausgabe-Geräte wie ein HMD (Head Mounted Display) mit dazugehörigem Trackingsystem und eine Flying 3D-Mouse.
Zur gestaltmäßigen Modellierung der Anlage wurde die Echtzeit 3D-Software ModelGen verwendet. Ein Teil der Modellierung der Werkzeugmaschinen und Roboter wurde außerdem mit den CAD-Systemen I-DEAS Master Series, ProEngineer und AutoCAD durchgeführt.Anschließend wurden für die modellierten Maschinen Steuerprogramme entworfen und getestet. Diese beiden Arbeitsschritte erfolgten überwiegend mit dem Softwareprodukt ROBCAD.
Die Umsetzung der Echtzeitumgebung wurde basierend auf IRIS Performer von Silicon Graphics realisiert. Bei der Wahl der VR-Systemsoftware fiel die Wahl auf das System dVS des britischen Unternehmens DIVISION, da dieses System von den kommerziell vertriebenen VR-Softwarepaketen am ehesten geeignet war, die Umsetzung der geforderten Architektur- und Datenbasen in Echtzeit zu ermöglichen. |
Veröffentlichungen Zurück zum Seitananfang
| - Gausemeier, J.; Ebbesmeyer, P.; Grafe, M.:
Realistic Modeling of the Manufacturing Area of a Virtual Enterprise.
Virtual Reality World `95, Stuttgart, 21. 23. Februar 1995.
- Gausemeier, J.; von Bohuszewicz, O., Ebbesmeyer, P., Grafe, M.:
The Visualization of Automized Manufacturing Processes in a Virtual Enterprise.
15th ASME International Computers in Engineering Conference: Virtual Environments and Systems for Product Development. Boston, 17. 21. September, 1995.
- Gausemeier, J.; Ebbesmeyer, P.; Grafe, M.:
Virtuelles Modellunternehmen Realitätsnahe Simulation von industriellen Leistungserstellungsprozessen.
in: VDI Berichte Nr. 1215, 1995, S. 335 343.
- Gausemeier, J.; von Bohuszewicz, O.; Gehnen, G.; Grafe, M.:
Integration of real ITApplications in Virtual Manufacturing Systems.
Proceedings of The 1996 ASME Design Engineering Technical Conference, Irvine, California, August 1822 1996
- Gausemeier, J.; von Bohuszewicz, O.; Ebbesmeyer, P.; Grafe, M.:
Das Virtuelle Modellunternehmen Eine funktionale und gestaltmässige Abbildung eines Industrieunternehmens als interaktive virtuelle Umgebung.
Tagungsband Informatik `96, Klagenfurt, Österreich, 25. 27. September 1996
- Gausemeier, J.; von Bohuszewicz, O.; Gehnen, G.; Grafe, M.:
The Virtual Model Enterprise A Virtual Reality Based Testing Environment for Automated Manufacturing Systems.
Proceedings of 29th ISATA, Florence, Italy, 3rd 6th June 1996
- Gausemeier, J.; von Bohuszewicz, O.; Ebbesmeyer, P.; Grafe, M.:
Realitätsnahe Visualisierung von automatisierten Fertigungsprozessen in einem Virtuellen Modellunternehmen.
Tagungsband 7.
ASIMFachtagung ''Simualtion Anwendernutzen und Zukunftsaspekte``, Dortmund, 11. 13. Juni 1996
- Gausemeier, J.; von Bohuszewicz, O.; Grafe, M.:
Das Virtuelle Modellunternehmen neue Wege im CIMTechnologietransfer.
Tagungsband CIM `96, Zakopane, Polen, 14. 17. Mai 1996
- Gausemeier, J.; Ebbesmeyer, P.; Grafe, M.:
Nutzenpotentiale von Virtual Reality für Industrieunternehmen.
In: Dangelmaier, W.; Gausemeier,J.; (Hrsg.): Fortgeschrittene Informationstechnologie in der Produktentwicklung und Fertigung, HNI Verlagsschriftenreihe,
1996
- Gausemeier, J.; von Bohuszewicz, O.; Gehnen, G.; Grafe, M.:
Cyberbikes: An Immersive Virtual Environment controlled by real CIMApplications.
Proceedings of the FIVE 1996 Conference. Pisa 19.20. Dezember 1996
- Brandt, C.; Johnson, J.; Meyer, K.:
The Virtual Endeavour Experiment: A Networked VR Application.
Tagungsband. The Fourth International Conference on Hypermedia and Interactivity in Museums 1997, Paris, 1. 5. September 1997.
- Brandt, C.; von Bohuszewicz, O.; Ebbesmeyer, P.; Grafe, M.:
Gestaltung industrieller Leistungsprozesse mit Virtual Reality.
Tagungsband. Fachgespräch ''Virtual Reality Anwendungen in der industriellen Produktion``, Paderborn, 25. 26. Februar 1997.
- Brandt, C.; Lemke, J.:
VR based integration of technical and shape design processes in product development.
Proceedings of The 1997 ASMEDesign Enigeering Technical Conference, Sacramento, California, 15. 17. September 1997.
- Gausemeier, J.; von Bohuszewicz, O.; Ebbesmeyer, P.; Grafe, M.:
Gestaltung industrieller Leistungserstellungsprozesse mit Virtual Reality.
Industrie Management 13 (1997)
- Gausemeier, J.; von Bohuszewicz, O.; Gehnen, G.; Grafe, M.:
Cyberbikes: An Immersive Virtual Environment controlled by real CIMApplications.
ESTIEM magazine, 1/97
- Ebbesmeyer, P.:
Dynamische Texturwände Ein Verfahren zur echtzeitorientierten Bildgenerierung für Virtuelle Umgebungen technischer Objekte.
Dissertation, Heinz Nixdorf Institut, UniversitätGHPaderborn
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Diplomarbeiten Zurück zum Seitananfang
| - Cevahir, H.:
Übertragung von Bewegungsdaten aus dem Simulationssystem ROBCAD in das VUSystem dVS.
- Berns, G.:
Entwicklung eines praxisorientierten Leitfadens zum Austausch gestaltbezogener Modelldaten zwischen dem 3DCADSystem IDEAS und dem Simulationssystem ROBCAD über die IGESSchnittstelle.
- Weinholz, C.:
Entwicklung eines hybriden 3DAudioSubsystems zur Integration in Virtuelle Umgebungen
- Krumm, H.:
Analyse und Optimierung des Verfahren der dynamischen Texturwände zur Strukturierung von 3DModellen für die Echtzeitbildgenerierung
- Wohlgezogen, J.:
Konzeption und Implementierung eines 3DViewers für Produktkonfigurationsdaten
- Kremer, K.:
Konzeption eines VirtualRealityTools zur Unterstützung von Design Reviews in der Produktentwicklung
- Knobel, M.:
Konzeption eines Präsentationssystems zur interaktiven, echtzeitfähigen Darstellung von komplexen 3DModellen im Anlagenbau
- Gaube, O.:
Nutzenpotentiale von VRSystemen im Produktentwicklungsprozeß
- Braun, S.:
Entwicklung einer Benutzungsschnittstelle zur immersiven Navigation in Virtuellen Umgebungen mit Hilfe einer Flying Mouse
- Bergbauer, J.:
Konzeption eines flexiblen Fertigungssystems für die kundenauftragsspezifische Fertigung von Fahrrädern
- Grimm, O.:
Evaluierung der Einsatzmöglichkeiten des CAPTools ROBCAD/MAN in der Fertigungsplanung der Automobilindustrie
- Akca, N.:
Konzeption des Auftragabwicklungsprozesses für ein virtuelles Modellunternehmen
- Dinse, A.:
Analyse und Optimierung von Zellzerlegungsverfahren zur Strukturierung von komplexen 3DModellen für die Echtzeitbildgenerierung
- Gutapfel, S.:
Konzeption alternativer Methoden zur LevelofDetail Selektion für komplexe polygonale 3DModelle
- Bersenbrügge, J.:
Untersuchung von Verfahren zur EchtzeitFacettierung parametrisierter Flächen höherer Ordnung
- Bruckschen, R.:
Virtual Reality basierte Visualisierung numerisch ermittelter dreidimensionaler Strömungsfelder
- Wortmann, R.:
Konzeption eines VRbasierten 3DEntwurfssystems für die Planung von EinschienenTransportsystemen
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Weiterführende Literatur Zurück zum Seitananfang
| - Bishop et al.:
Research Directions in Virtual Environments.
Report of an National Science Foundation (NSF) Invitational Workshop.
Computer Graphics, Vol. 26, No.3, August 1992
- Burdea, G.; Coiffet, P.:
Virtual Reality Technology,
John Wiley & Sons, Inc., New York, 1994
- Chuter, C.J.; Ramaswamy S.; Barber, K.S.:
A Virtual Environment for Construction and Analysis of Manufacturing Prototypes,
15th ASME: International Computers in Engineering Conference Virtual Environments and Systems for Product Development.
Boston, 17. - 21. September, 1995
- Durlach N., Mavor A. (editors):
Virtual Reality: Scientific and technological challenges,
National Academy Press, Washington DC, 1995
- Walze H. (ed.):
Computer Integrated Manufacturing (CIM)- Results from Projects within the Manu-facturing Technologies Program 1988 - 1992,
Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH, PFT-Report, KfK/PFT 171, 1993
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