Indoor Mapping and Reconstruction with Mobile Augmented Reality Sensor Systems

Augmented Reality (AR) ermöglicht es, virtuelle, dreidimensionale Inhalte direkt
innerhalb der realen Umgebung darzustellen. Anstatt jedoch beliebige virtuelle
Objekte an einem willkürlichen Ort anzuzeigen, kann AR Technologie auch genutzt
werden, um Geodaten in situ an jenem Ort darzustellen, auf den sich die Daten
beziehen. Damit eröffnet AR die Möglichkeit, die reale Welt durch virtuelle, ortbezogene
Informationen anzureichern. Im Rahmen der vorliegenen Arbeit wird diese
Spielart von AR als "Fused Reality" definiert und eingehend diskutiert.
Der praktische Mehrwert, den dieses Konzept der Fused Reality bietet, lässt sich
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gut am Beispiel seiner Anwendung im Zusammenhang mit digitalen Gebäudemodellen
demonstrieren, wo sich gebäudespezifische Informationen - beispielsweise der
Verlauf von Leitungen und Kabeln innerhalb der Wände - lagegerecht am realen
Objekt darstellen lassen. Um das skizzierte Konzept einer Indoor Fused Reality
Anwendung realisieren zu können, müssen einige grundlegende Bedingungen erfüllt
sein. So kann ein bestimmtes Gebäude nur dann mit ortsbezogenen Informationen
augmentiert werden, wenn von diesem Gebäude ein digitales Modell verfügbar ist.
Zwar werden größere Bauprojekt heutzutage oft unter Zuhilfename von Building
Information Modelling (BIM) geplant und durchgeführt, sodass ein digitales Modell
direkt zusammen mit dem realen Gebäude ensteht, jedoch sind im Falle älterer
Bestandsgebäude digitale Modelle meist nicht verfügbar. Ein digitales Modell eines
bestehenden Gebäudes manuell zu erstellen, ist zwar möglich, jedoch mit großem
Aufwand verbunden. Ist ein passendes Gebäudemodell vorhanden, muss ein AR
Gerät außerdem in der Lage sein, die eigene Position und Orientierung im Gebäude
relativ zu diesem Modell bestimmen zu können, um Augmentierungen lagegerecht
anzeigen zu können.
Im Rahmen dieser Arbeit werden diverse Aspekte der angesprochenen Problematik
untersucht und diskutiert. Dabei werden zunächst verschiedene Möglichkeiten
diskutiert, Indoor-Gebäudegeometrie mittels Sensorsystemen zu erfassen. Anschließend
wird eine Untersuchung präsentiert, inwiefern moderne AR Geräte, die
in der Regel ebenfalls über eine Vielzahl an Sensoren verfügen, ebenfalls geeignet
sind, als Indoor-Mapping-Systeme eingesetzt zu werden. Die resultierenden Indoor
Mapping Datensätze können daraufhin genutzt werden, um automatisiert
Gebäudemodelle zu rekonstruieren. Zu diesem Zweck wird ein automatisiertes,
voxel-basiertes Indoor-Rekonstruktionsverfahren vorgestellt. Dieses wird außerdem
auf der Grundlage vierer zu diesem Zweck erfasster Datensätze mit zugehörigen
Referenzdaten quantitativ evaluiert. Desweiteren werden verschiedene
Möglichkeiten diskutiert, mobile AR Geräte innerhalb eines Gebäudes und des zugehörigen
Gebäudemodells zu lokalisieren. In diesem Kontext wird außerdem auch
die Evaluierung einer Marker-basierten Indoor-Lokalisierungsmethode präsentiert.
Abschließend wird zudem ein neuer Ansatz, Indoor-Mapping Datensätze an den
Achsen des Koordinatensystems auszurichten, vorgestellt.

Augmented reality (AR) is generally well-suited for the interactive visualization
of all kinds of virtual, three-dimensional data directly within the physical environment
surrounding the user. Beyond that, AR holds the potential of not only
visualizing arbitrary virtual objects anywhere but to visualize geospatial data directly
in-situ in the location that the data refer to. Thus it can be used to enrich a part
of the real world surrounding the user with information about this environment and
the physical objects within it. In the scope of this work, this usage mode is defined
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and discussed under the term of ’fused reality’.
An appropriate scenario to demonstrate and elaborate on the potential of fused
reality is its application in the context of digital building models, where building
specific information, e.g. about the course of pipelines and cables within the walls,
can be visualized directly in the respective location. In order to realize the envisioned
concept of indoor fused reality, some principal requirements must be fulfilled. Among
these is the need for an appropriate digital model of a building environment at hand
which is to be enriched with virtual content. While building projects are nowadays
oftentimes designed and executed with the help of building information modeling
techniques, appropriate digital representations of older stock buildings are usually
hard to come by. If a corresponding model of a given building environment is
available, the respective AR device needs to be able to determine its current position
and orientation with respect to the model in order to realize a correct registration
of the physical building environment and the virtual content from the model. In
this work, different aspects about how to fulfill these requirements are investigated
and discussed.
First, different ways to map indoor building environments are discussed in order
to acquire raw data for constructing building models. In this context, an investigation
is presented about whether a state-of-the-art AR device can be deployed to this task
as well. In order to generate building models based on this indoor mapping data, a
novel, fully-automated, voxel-based indoor reconstruction method is presented and
evaluated on four datasets with corresponding ground truth data that were acquired
to this aim. Furthermore, different possibilities to localize mobile AR devices within
indoor environments are discussed and the evaluation of a straight-forward, markerbased
approach is presented. Finally, a novel method for aligning indoor mapping
data with the coordinate axes is presented and evaluated.