Ortsbasierte Dienste - wireless-earth

Ortsbasierte Dienste
Seminar 01919 im Sommersemster 2003
Fachbereich Informatik, Praktische Informatik II
FernUniversität
in Hagen
Fachbereich Informatik
Postfach 940
D- 58084 Hagen

2 Vorwort
Mobile vernetzte Benutzer können oft auf eine Vielzahl von Informationsdiensten zurückgreifen,
die beispielsweise durch Mobilfunkbetreiber angeboten werden. Berücksichtigen solche
Dienste den Standort des Benutzers, spricht man von ortsbasierten Diensten (engl.: locationbased
Services). Typische Beispiele für ortsbasierte Dienste sind Navigationssysteme, elektronische
Karten, Fahrplanauskünfte oder elektronische Touristenführer. Ortsinformationen
können darüber hinaus dazu benutzt werden, um andere Informationsquellen "aufzubessern".
Augmented Reality (AR) ist dabei ein wichtiges Stichwort. In Augmented-Reality-Systemen
werden virtuelle Objekte in die reale Welt eingeblendet. Dies eröffnet Anwendungsmöglichkeiten
z.B. für die Industrie oder für Architekten. Durch ortsbasierte Dienste verspricht man
sich (nicht zuletzt auf dem kommerziellen Sektor) diverse Vorteile - allerdings ist die Entwicklung
solcher Dienste noch sehr aufwendig, insbesondere da die Bestimmung des Ortes
eines mobilen Benutzers notwendig ist. Darüber hinaus stellt Augmented Reality weitere Anforderungen
an die Präzision der Positionsbestimmung, die Displaytechnologie und das
Hardwaredesign. In diesem Seminar sollen die Grundlagen von ortsbasierten Diensten, auch
im Hinblick auf die Verwendung mit Augmented Reality, untersucht werden.
Die vorliegenden Ausarbeitungen sind anlässlich eines Seminars im Sommersemester 2003 an
der Fernuniversität Hagen entstanden. Im Seminar wurden u.a. die folgenden Themen behandelt:
Positionsbestimmung, geografische Adressierung, Geo-Datenbanken, Sicherheitsaspekte,
Augmented Reality und Plattformen für ortsbasierte Dienste.
Jörg Roth und Dominic Heutelbeck, Juni 2003

3 Inhalt
Positionsbestimmung innerhalb von Gebäuden ......................................................................... 5
Jörg Schwerdtfeger
1 Grundlegende Techniken zur Positionsbestimmung ........................................................................................................5
2 Anwendungen in der Praxis............................................................................................................................................11
3 Ausblick .........................................................................................................................................................................15
Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden mit Satellitennavigation ............................... 17
Johann Zeiser
1 Einleitung.......................................................................................................................................................................17
2 Positionsbestimmung mit Satellitennavigation...............................................................................................................18
3 Global Positioning System (GPS) ..................................................................................................................................21
4 Verfahren zur verbesserten Positionsbestimmung..........................................................................................................24
5 Weitere Systeme und Entwicklungen.............................................................................................................................26
6 Anwendung ....................................................................................................................................................................27
Geoinformationssysteme und Geo-Datenbanken im Überblick............................................... 31
Joachim Marwinski
1 Geodaten ........................................................................................................................................................................31
2 Was leisten GIS ............................................................................................................................................................39
3 Geodatenbanken.............................................................................................................................................................43
4 Ausblick .........................................................................................................................................................................44
Beispiele ortsbasierter Dienste .................................................................................................47
Edgar Merl
1 Einleitung.......................................................................................................................................................................47
2 Cyberguide .....................................................................................................................................................................48
3 GUIDE ...........................................................................................................................................................................54
4 Ausblick und aktuelle Projekte.......................................................................................................................................58
Ortsbasierte Dienste mit Mobilfunk......................................................................................... 61
Andreas Werlemann
1 Einleitung.......................................................................................................................................................................61
2 Technische Voraussetzungen .........................................................................................................................................61
3 Verfahren der Positionsbestimmung...............................................................................................................................63
4 Inhalte ortsbasierter Dienste...........................................................................................................................................66
5 Fazit und Ausblick .........................................................................................................................................................69
“Nexus“ .................................................................................................................................... 73
Lothar Meschewski
1 Motivation......................................................................................................................................................................73
2 Einführung in das Projekt Nexus....................................................................................................................................73
3 Besondere Aspekte von Nexus.......................................................................................................................................74
4 Probleme ........................................................................................................................................................................80
5 Ausblick .........................................................................................................................................................................80
6 Danksagung....................................................................................................................................................................81
Sicherheit und Datenschutz für Mobile Anwendungen ........................................................... 83
Hagen Barlag
1 Der Begriff Sicherheit ....................................................................................................................................................83
2 Datenschutz....................................................................................................................................................................87
3 Fazit................................................................................................................................................................................94
Sicherheitsproblematik am Beispiel der Location Server Infrastructure ................................. 97
Stephan Drautz
1 Vorstellung von LSI .......................................................................................................................................................97
2 Sicherheitsrelevante Aspekte im Bezug auf die LSI.....................................................................................................101
3 Bedrohungsanalyse.......................................................................................................................................................104
4 Sicherheitsstrategien.....................................................................................................................................................107
5 Fazit..............................................................................................................................................................................108

4 Inhalt
Geographische Adressierung in Computernetzen .................................................................. 111
Adalbert Spakowski
1 Einleitung.....................................................................................................................................................................111
2 Adressierungsmodell....................................................................................................................................................112
3 GEOcast – ein zentral administrierbarer Ansatz...........................................................................................................112
4 GPS-Multicast Ansatz ..................................................................................................................................................116
5 Domain Name Service – Ansatz...................................................................................................................................118
6 ContextCast – ein Peer to Peer Ansatz .........................................................................................................................118
7 Zusammenfassung / Ausblick.......................................................................................................................................123
Mathematische Grundlagen für Augmented-Reality Systeme............................................... 125
Alexander Lorenz
1 Einleitung.....................................................................................................................................................................125
2 Transformationen .........................................................................................................................................................126
3 Affine Darstellung........................................................................................................................................................126
4 Registrierungsfehler .....................................................................................................................................................130
5 Abschließender Kommentar.........................................................................................................................................135
Wearable Computer und Augmented Reality Anwendungen ................................................ 137
Hermann Kollmar
1 Einführung....................................................................................................................................................................137
2 Anwendungsgebiete .....................................................................................................................................................139
3 Ausblick .......................................................................................................................................................................149
Design-Aspekte von Wearable Computern............................................................................ 153
Olaf Geschonke
1 Begriffsbestimmung .....................................................................................................................................................153
2 Akzeptanz von Wearable Computern...........................................................................................................................155
3 Integration ....................................................................................................................................................................156
4 Energieversorgung .......................................................................................................................................................157
5 Ausgabemöglichkeiten .................................................................................................................................................158
6 Eingabemöglichkeiten ..................................................................................................................................................160
7 User-interface...............................................................................................................................................................162
8 Design-Beispiel ............................................................................................................................................................163
Richtungs- Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung.............................................. 167
Johann Gröbmair
1 Zeit-und Frequenzmessung ..........................................................................................................................................167
2 Räumliche Abtastung ...................................................................................................................................................170
3 Massenträgheit .............................................................................................................................................................173
4 Mechanische Verbindungen .........................................................................................................................................174
5 Feldmessung.................................................................................................................................................................174
6 Hybridformen...............................................................................................................................................................177
7 Schlusswort und Ausblick............................................................................................................................................177
Display Technologien ............................................................................................................ 181
Dirk Schröder
1 Augmented-Reality Systeme ........................................................................................................................................181
2 Durchsicht-Display.......................................................................................................................................................182
3 Video-Durchsicht-Display............................................................................................................................................183
4 Weitere Displaytypen für Augmented-Reality Systeme...............................................................................................184
5 Probleme bei Durchsicht- und Video-Durchsicht Displays..........................................................................................186
6 Anwendungen von Displays in Augmented-Reality Systemen ....................................................................................189
7 Produktübersicht...........................................................................................................................................................193
Wearcomp, Personal Imaging und Mediated Reality ............................................................ 199
Klaus Liedel
1 Einleitung.....................................................................................................................................................................199
2 Technische Realisierung...............................................................................................................................................203
3 Weiterer Ausblick ........................................................................................................................................................204
4 Zusammenfassung und Kritik.......................................................................................................................................205

Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden mit
Satellitennavigation
J. Zeiser
Zusammenfassung: Die Satellitennavigation ermöglicht dem Benutzer überall auf der
Erde außerhalb von Gebäuden seine Position mit guter Genauigkeit zu bestimmen. Die
Entfernungsmessung mittels Signallaufzeiten zwischen dem Benutzer und vier Satelliten
bildet die Basis für die Positionsermittlung. Das amerikanische Global Positioning
System (GPS), das militärischen Ursprungs ist, stellt das bedeutendste System dar. Es
werden zwei Dienste, ein frei verfügbarer und ein verschlüsselter Dienst, angeboten.
Erweiterungen wie Referenzstationen nahe dem Benutzer bieten gegebenenfalls die
Möglichkeit die Position genauer zu bestimmen. Neue Empfänger-Chip-Generationen
führen zukünftig zur Integration der Satellitenortung in fast jedes elektronische Gerät, wie
z.B. Handys, PDAs und Uhren.
1 Einleitung
„So wie heutzutage jeder wissen muss, wie spät es ist,
wird in Zukunft niemand ohne die Ermittlung seines
genauen Standorts (Position) auskommen[5].“
Die Kenntnis der genauen Position gewinnt für jeden Menschen zunehmend an Bedeutung.
Dabei wird die Position mittels Koordinaten angegeben. Lokale Anwendungen geben die
Position vorzugsweise im kartesischen Koordinationssystem (X-Y-Z-Koordinate) an. Eine
weltweit eindeutige Position wird hingegen meist mit Längengrad, Breitengrad und Höhe
angegeben (ellipsoidisches Koordinatensystem). Auf Basis von WGS84 (World Geodetic
System 1984) lässt sich bei der Satellitennavigation an jeden Ort der Welt die Position in
beiden Koordinatensystemen bestimmen und in lokale Bezugssysteme umrechnen.
Neben der Satellitennavigation, die aktuell nur die Positionsbestimmung außerhalb von
Gebäuden unterstützt, stellen die Positionsbestimmung innerhalb von Gebäuden und die
netzwerkgestützte Positionsbestimmung die grundlegenden Systeme zur Positionsbestimmung
dar[1].
Positionsbestimmung
Satellitennavigation
Innerhalb von
Gebäuden
Netzwerkgestützt
Hauptsysteme
Überlagerte
Systeme
Infrarot-
Baken
Funk-
Baken
Visuell
Mobil-
Funk
Ultraschall
Funknetze
GPS
GLONASS
GALILEO
DGPS
WAAS
EGNOS
MSAS
Abbildung 1-1: Klassifikation der Systeme zur Positionsbestimmung [1]

18 Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden mit Satellitennavigation
Die Satellitennavigation wird in Haupt- und Überlagerungssysteme unterteilt. Abbildung 1-1
stellt die Systeme zur Positionsbestimmung dar.
Für zahlreiche Anwendungen ist es wichtig, die aktuelle Position des Benutzers zu kennen.
Die ermittelten Positionsdaten (außerhalb von Gebäuden) können auf unterschiedliche Weise
verwendet werden[1]:
• Die aktuelle Position kann benutzt werden, um den Benutzer zu einem bestimmten Zielort
zu führen (Navigation).
• Der Benutzer kann auf Basis der Position Informationen über den aktuellen Ort oder die
Umgebung abfragen, z.B. elektronischer Touristenführer.
• Die aktuelle Position kann an andere Personen übermittelt werden, um beispielsweise ein
automatisches Hilferufsystem im Notfall einen Arzt zu der Position des Patienten zu
lotsen.
• Verknüpfung mit dem Internet: Abfragen berücksichtigen die aktuelle Position. Z.B.
ermittelt der Link „Ein Restaurant in der Nähe“ je nach Position andere Ergebnisse.
• Militärische Anwendungen: Es können Flugzeuge, Fahrzeuge und Schiffe navigiert oder
Flugkörper in ein Ziel gesteuert werden.
Durch Satellitennavigation kann außerhalb von Gebäuden die Position überall auf der Erde
unabhängig von Witterungsverhältnissen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Dies stellt
den Ausgangspunkt für weitreichende Anwendungsmöglichkeiten dar.
2 Positionsbestimmung mit Satellitennavigation
2.1 Positionsbestimmung mit drei Satelliten
Um mit Hilfe von Satelliten die Position eines Benutzers bestimmen zu können, wird die
exakte Position der Satelliten und die exakte Entfernung zu den Satelliten verwendet. Drei
Satelliten werden benötigt, um die Position eines Benutzers bestimmen zu können[1]. Die drei
Satelliten bilden durch die ermittelten Entfernungen zum Benutzer drei Kugeloberflächen, die
zwei Schnittpunkte haben. Einen in der Position des Benutzers und einen Schnittpunkt im
Weltraum. Die Position im Weltraum wird ausgeschlossen und damit ist die Position des
Benutzers eindeutig bestimmt. Abbildung 2-1 zeigt den Schnitt der drei Kugeloberflächen mit
der Erdoberfläche und im Schnittpunkt der drei Kugeloberflächen die eindeutige Position des
Benutzers auf der Erde.
S
1
S 2
S 3
R 3
R 1
R 2
Benutzer U
Abbildung 2-1: Positionsbestimmung mit Satelliten

19 J. Zeiser
Die folgenden drei Gleichungen ermöglichen die Position des Benutzers U X U
,Y U
,Z U
zu
bestimmen:
2
2
2
R 1
= (X − X ) + (Y − Y ) + (Z − Z
R 2
=
)
U 1
U 1
U 1
2
2
2
− X ) + (Y − Y ) + (Z Z )
U 2
U 2
U 2
(X −
2
2
2
R 3
= (X − X ) + (Y − Y ) + (Z − Z )
U 3
U 3
U 3
Wobei R i
den Abstand vom Satelliten i zum Benutzer U und X i
,Y i
, Z i
die exakte Position
des Satelliten i darstellen.
2.2 Entfernungsmessung zum Satelliten
Die Entfernung R des Benutzers zum Satelliten wird durch eine Einwegmessung durch-
geführt (Abb. 2-2).
Satellit mit Sender
T Senden
=104800,031222s
Entfernung R
T Empfangen
=104800,111222
T = T Empfangen
- T Senden
= 0,08s
R = 24000km
Benutzer mit Empfänger
Abbildung 2-2: Das Prinzip der Entfernungsmessung - Einwegmessung
Dabei sendet der Satellit ein Signal aus und die Laufzeit T vom Satelliten zum Benutzer wird
gemessen[3]. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit c (Lichtgeschwindigkeit) mit 300000km/s
konstant ist, ergibt sich die Entfernung R=c*T=300000km/s*T.
Das folgende Beispiel zeigt, dass die Zeitmessung sehr genau sein muss. Ein Fehler von nur
1µs führt bereits zu einer Positionsabweichung von ∆R=c*1µs=300m. Aus diesem Grund sind
die Satelliten mit Atomuhren ausgestattet. Damit steht den Satellitensystem eine genaue
Uhrzeit, die sog. Systemzeit, zur Verfügung.
Die Benutzer verwenden hingegen mobile Geräte, die möglichst klein und kostengünstig sein
sollen und daher mit einer Uhr ausgestattet sind, die die benötigte Genauigkeit nicht
erreichen. Es ist auch nicht möglich die Uhren mit den Uhren der Satelliten zu synchronisieren.
Der Zeitfehler zwischen der Uhrzeit des Benutzer-Empfängers und der Systemzeit des
Satellitensystems wird durch einen zusätzlichen vierten Satelliten ausgeglichen.
2.3 Positionsbestimmung mit vier Satelliten, unter der Berücksichtigung des
empfängerseitigen Zeitfehlers
Zur Beschreibung werden folgende Größen benötigt:
T S
stellt die Systemzeit dar, bei der das Signal vom Satelliten S ausgesendet wird.
ist die Systemzeit, bei der das Signal vom Benutzer U empfangen wird.
T U
T ~ =T
S S
+ δT S
bezeichnet die lokal ermittelte Sendezeit, wobei δT S
den Offset der
Satellitenzeit zur Systemzeit darstellt.

20 Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden mit Satellitennavigation
T ~ =T
U U
+ δT U
bezeichnet die lokal ermittelte Empfangszeit, wobei δT U
den Offset des
Benutzerempfängers zur Systemzeit darstellt.
∆T=T U
-T S
ist die exakte Laufzeit des Signals.
∆ T ~ = T ~ U
- T ~ bezeichnet die ermittelte Laufzeit.
S
Die exakte Entfernung R zwischen dem Satelliten S und Benutzer U entspricht somit
R=c∆T=c(T U
-T S
).
Allerdings ermittelt der Benutzerempfänger eine fehlerhafte Entfernung, die als Pseudo-
Entfernung P bezeichnet wird. Für die Pseudo-Entfernung P zum Satelliten gilt:
P= c∆ T ~
= c( T ~ - T~ )
U S
= c((T U
+ δ T U
) - (T S
+ δ T S
))
= c((T U
- T S
) + (δ T U
- δ T S
))
= R + c(δ T U
- δT S
)
Da die Satelliten mit einer Atomuhr ausgestattet sind und überdies ihre Zeit ständig
überwacht und korrigiert wird, entspricht die Satellitenzeit weitestgehend der Systemzeit.
Daher wird δT S
=0 gesetzt.
Damit ergeben sich entsprechend der vier Satelliten die folgenden Gleichungen:
2
2
2
P 1
= (X − X ) + (Y − Y ) + (Z − Z ) +cδT
U 1
U 1
U 1
U
2
2
2
P 2
= (X − X ) + (Y − Y ) + (Z − Z ) +cδT
U 2
U 2
U 2
U
2
2
2
P 3
= (X − X ) + (Y − Y ) + (Z − Z ) +cδT
U 3
U 3
U 3
U
2
2
2
P 4
= (X − X ) + (Y − Y ) + (Z − Z ) +cδT
U 4
U 4
U 4
U
Da die Positionen der Satelliten X i
,Y i
,Z i
1 ≤ i ≤ 4 bekannt sind und die Pseudo-Entfernung
P i
durch den Empfänger gemessen wird, verbleiben die vier Unbekannten X U
,Y U
,Z U
und
δT U
. Diese können nun durch ein entsprechendes mathematisches Lösungsverfahren aus den
vorliegenden Gleichungen ermittelt werden.
Damit kann durch Hinzunahme eines vierten Satelliten der Zeitfehler auf Empfängerseite
berücksichtigt werden. Allerdings sind die Signale von den Satelliten häufig durch
verschiedene zusätzliche Fehlerquellen (siehe w.u.) gestört.

21 J. Zeiser
3 Global Positioning System (GPS)
3.1 Einleitung
Mit Beginn der 60er Jahre wurde in den USA das US Navy Navigation Satellite System
(NNSS) entwickelt, welches später in TRANSIT umbenannt wurde. In den 70er Jahren wurde
begonnen ein neues System mit der Bezeichnung Navigation System with Timing and
Ranging Global Positioning System (NAVSTAR GPS), nachfolgend als GPS bezeichnet, zu
konzipieren. Das Ziel war zunächst eine globale militärisch nutzbare Echtzeit-Positionierung
sich schnell bewegender Fahrzeuge zu Wasser, zu Lande und in der Luft zu ermöglichen. In
weiterer Folge wurde auch die zivile Nutzung berücksichtigt. Die volle Betriebsbereitschaft
wurde 1995 erklärt. Um eine globale Positionsbestimmung zu gewährleisten wurden 24
Satelliten verwendet (davon sind 21 System- und 3 Reservesatelliten) und sie wurden auf 6
Umlaufbahnen mit je 4 Satelliten positioniert (Abbildung 3-1).
Abbildung 3-1: Konstellation der Satelliten (6 Umlaufbahnen mit je 4 Satelliten) [3]
3.2 GPS-Segmente
Das GPS-System lässt sich in drei unterschiedliche Segmente gliedern, welche in ihrer
Funktionalität aufeinander abgestimmt sind:
• Weltraumsegment (Spacesegment)
• Kontrollsegment (Controllsegment)
• Benutzersegment (Usersegment)
Weltraumsegment
Monitorstationen
Kontrollsegment
MCS
Benutzersegment
Abbildung 3-2: Die drei Segmente des GPS-Systems

22 Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden mit Satellitennavigation
Das Weltraumsegment
Die Satelliten mit ihrer Konstellation und Charakteristika, wie Bahnhöhe, Bahnneigung, .. ,
definieren das Weltraumsegment. Aktuell sind 29 Satelliten im Einsatz. Sie bewegen sich mit
einer Geschwindigkeit von ca. 3,87 km/s in einer Höhe von ca. 20200km und benötigen für
einen Umlauf 12 Stunden. Es sind jeweils 5 bis 11 Satelliten gleichzeitig sichtbar.
Beispielsweise waren in Deutschland, genau genommen in Leipzig, am Montag den
21.April.2003 um 10:58:01 Uhr 9 Satelliten sichtbar[4].
Aktuell sind sog. II/IIA- und IIR-Block Satelliten im Einsatz. Im Jahr 2004 kommt eine
modifizierte Variante des IIR-Typs zum Einsatz mit der Bezeichnung IIR-M. Eine neue
Satelliten-Generation mit der Bezeichnung IIF ist für 2006 vorgesehen.
Das Kontrollsegment
Die GPS-Satelliten werden über unterschiedliche Bodenstationen in ihrer Funktionalität
überwacht und gesteuert. Das Kontrollsegment besteht aus einer Master Control Station
(MCS), Monitorstationen und Bodenantennen. Die Monitorstationen haben eine präzise feste
Position und eine Atomuhr, die mit der Systemzeit synchronisiert ist. Sie empfangen Signale
der Satelliten und berechnen Korrekturdaten. MCS sammelt die Korrekturdaten der
Monitorstationen, berechnet daraus Korrekturinformationen für die Satelliten (z.B. Systemzeit,
Position und Bahndaten) und sendet die Informationen über Bodenstationen zu den
Satelliten.
Das Benutzersegment
Es umfasst die Benutzer mit ihren GPS-Empfängern. Dem Benutzer werden die Position,
Geschwindigkeit und die Uhrzeit zur Verfügung gestellt. Es werden eine Vielzahl von GPS-
Empfängern angeboten - fortschreitende Miniaturisierung und Preisverfall. Neben den
Standalon-Geräten stehen Geräte zum Anschluß an PDAs, Notebooks oder zum Einbau in
Fahrzeugen zur Verfügung. Mittlerweilen gibt es auch bereits Uhren mit integrierten GPS.
(Die Empfänger beginnen preislich ab 150.- €. Stand: 2003)
3.3 GPS-Dienste
Die Satellitennavigation basiert auf dem Einweg-Verfahren. Die Satelliten senden ein Signal
aus und der Benutzerempfänger ermittelt daraus die Position.
Dabei stellen die Satelliten 2 Dienste bereit:
• Standard Positioning Service (SPS): Dieser Dienst stellt für alle Benutzer (insbesondere
zivile Nutzer) frei zur Verfügung und wurde früher als Coarse/Acquisition(C/A)-Code
bezeichnet. In früheren Zeiten (bis zum 1.5.2000) wurde dieser Dienst durch die sog.
Selective Availability (SA) künstlich verfälscht, damit hat die US-Armee verhindert
anderen Streitkräften eine zu genaue Positionsbestimmung zu ermöglichen.
• Precise Positioning Service (PPS): Dieser Dienst ist verschlüsselt und damit nur autorisierten
Benutzern zugänglich, wie die US-Armee und die Nato-Verbänden (früher als
Precision(P)-Code bezeichnet).
Tabelle 3-1 gibt die Genauigkeiten dieser Dienste an. Die Genauigkeiten sind dabei mit einer
Wahrscheinlichkeit von 95% angeben, d.h. 95% der Messungen über einen Zeitraum von 24
Stunden befinden sich innerhalb der angegebenen Messgenauigkeit.

23 J. Zeiser
Dienst Genauigkeit horizontal Genauigkeit vertikal
PPS 22 m 27,7 m
SPS mit SA 100 m 156 m
SPS ohne SA 25 m 43 m
Tabelle 3-1: Genauigkeiten bei der Positionsbestimmung [1]
Die Träger-Signale für diese Dienste sind im L-Band (1 bis 2GHz) angesiedelt. (Die
Korrektursignale der MCS, die vom Boden zum Satelliten gesendet werden, arbeiten
hingegen im S-Band (2 bis 4GHz)).
Die Grundfrequenz der Atomuhren (10.23 MHz) stellt sowohl für die beiden Trägerfrequenzen
L1 (1575.42 MHz) und L2 (1227.6 MHz) als auch für den SPS-Code (1.023
MHz) und den PPS-Code (10.23 MHz) die Ausgangsfrequenz dar[3]. Der PPS-Code wird auf
beide Träger L1 und L2 aufmoduliert. Der SPS-Code wird hingegen nur auf L1 zur
Verfügung gestellt. Die GPS-Nachrichten werden mit 50 Hz auf beiden Signalen bereitgestellt.
Abbildung 3-4 veranschaulicht dies.
L1: 1575.42 MHz
* 154
* 120
Grundfrequenz
10.23 MHz
L2: 1227.60 MHz
* 0.1
* 1
SPS: 1.023 MHz
+
GPS-Navigationsnachricht: 50 Hz
+
PPS: 10.23 MHz
L1-Signal
L2-Signal
Abbildung 3-4: Die Signalstruktur bei GPS
Damit der Empfänger ein Signale einem Satelliten zuordnen kann, sendet jeder Satellit einen
eindeutigen Code aus, genannt Pseudo Random Noise (PRN). Der Empfänger kennt alle
PRN-Codes und kann sie aus den überlagerten Signalen aller Satelliten herausfiltern. (Die
PRNs sind so entworfen worden, dass sie sich nicht gegenseitig stören.) Das PRN-Signal
ermöglicht dem Empfänger die Signallaufzeit und damit die Entfernung zum Satelliten zu
ermitteln.
Die Messung der Signallaufzeit erfolgt durch Verschiebung des eigenen PRN im Empfänger.
Abb. 3-5 a.) stellt das vom Satelliten gesendete und Abb. 3-5 b.) das empfangene PRN-Signal
dar. Der Empfänger produziert ein internes PRN-Referenz-Signal Abb. 3-5 c.)[3]. Der
Empfänger verschiebt es solange bis es sich mit dem empfangenen Signal deckt. Die
gemessene Signallaufzeit enthält dabei eine Empfängeruhrzeit-Abweichung (von der
Systemzeit) ∆t U
. Diese Abweichung wird durch Verwendung des vierten Satelliten (siehe
w.o.) bereinigt.

24 Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden mit Satellitennavigation
Abbildung 3-5: Signallaufzeitmessung [3]
Weitere Entwicklungen bei den GPS-Signalen[6]:
Die IIR-M-Block Satelliten werden ein neues Militärsignal (M-Code) zur Verfügung stellen.
Es wird sowohl auf L1 als auch auf L2 gesendet. Weiters wird dann auch auf L2 ein ziviles
Signal (LC2) bereit gestellt. LC2 ermöglicht neben höherer Verfügbarkeit und genauerer
Positionierung auch die GPS-Ortung in Gebäuden und Waldgebieten.
Mit der Einführung der IIF-Satelliten wird ein neuer rein ziviler Kanal L5 (1176.45 MHz)
unterstützt, damit stehen für zivile Anwendungen drei Kanäle offen.
4 Verfahren zur verbesserten Positionsbestimmung
In die Messungen gehen zahlreiche Fehler ein, die bedeutendsten sind: Uhrenfehler (Satellit),
Abweichung von der Umlaufbahn, Troposphäre, Ionosphäre und Multipath-Fehler. Um eine
höhere Genauigkeit zu erreichen, wurden daher zusätzliche Verfahren entwickelt.
4.1 Differential Global Positioning System (DGPS)
Beim DGPS-Verfahren werden dabei zusätzliche Stationen auf der Erdoberfläche
eingerichtet. Solche Stationen werden als Referenzstationen bezeichnet. Abbildung 4-1 zeigt
das Prinzip.
Die exakte Position der Referenzstation ist bekannt. Führt nun die Station eine Positionsbestimmung
mit GPS durch, so ergibt sich gegenüber der exakten Position eine Differenz.
Anhand dieser Differenz werden Korrekturdaten ermittelt und an die Benutzer im Bereich der
Referenzstation übermittelt. Das Verfahren beruht auf der Überlegung, dass die Benutzer in
der Nähe der Referenzstation ähnliche Fehler haben. Die Korrektur erfolgt mit Hilfe der
Pseudo-Entfernung.
Dabei ermittelt die Referenzstation zu jeden Satelliten i die Pseudo-Entfernung P i
. Die exakte
Entfernung zum Satellit i stellt R i
dar. Der Benutzer empfängt nun von der Referenzstation
für jeden Satelliten i einen Korrekturwert ∆P i
=P i
-R i
.

25 J. Zeiser
Abbildung 4-1: Differenzielles GPS auf Basis einer Referenzstation [3]
Der Benutzer zieht den empfangenen Korrekturwert von seiner Pseudo-Entfernung zu den
Satelliten i ab und erhält damit eine durch die Referenzstation korrigierte Position
P U
korr i
=P U i
-∆P i
. Die Genauigkeit hängt maßgeblich von der Entfernung zum Korrektursender
ab.
In Deutschland wird der kostenpflichtige Satellitenpositionierungsdienst (SAPOS) der
deutschen Landesvermessung angeboten[4]. SAPOS richtet einen permanent betriebenen,
multifunktionalen DGPS-Dienst ein. Dieser Service wird mit hoher Zuverlässigkeit
flächendeckend verfügbar sein. Grundlage des Systems bildet ein Netz von GPS-Referenzstationen.
Es werden u.a. zwei Echtzeit-Dienste (EPS und HEPS) mit folgender Genauigkeit
angeboten: Der Dienst EPS-SAPOS bietet bei einer Entfernung bis 500km von der
Basisstation eine Genauigkeit von 1 bis 3m und der Dienst HEPS-SAPOS sogar eine
Genauigkeit von 1-5cm allerdings nur bis 25km Entfernung.
4.2 Wide Area Augmention System (WAAS)
WAAS wird in den USA eingesetzt und arbeitet ähnlich wie DGPS. Mit Hilfe von Monitorstationen
mit exakten Positionen werden Korrekturdaten berechnet, die an die Benutzer
gesendet werden. Die Übertragung erfolgt mit geostationären Satelliten (Abbildung 4-2).
4 GPS-Satelliten
geostationärer Satellit
(Inmarsat)
Korrekturdaten
Benutzer
Monitorstationen
MCS
Abbildung 4-2: Das Prinzip von WAAS

26 Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden mit Satellitennavigation
Die Monitorstationen empfangen permanent GPS-Signale und geben diese Daten an die MCS
weiter. Diese berechnet die Korrekturdaten und sendet sie an den geostationären Satelliten.
Dieser Satellit sendet auf der L1-Frequenz mit einem freien PRN-Code die Korrekturdaten an
die Benutzer.
5 Weitere Systeme und Entwicklungen
GLONASS (Global Navigation Satellite System)
GLONASS wurde von den Streitkräften der ehemaligen UDSSR entwickelt und bildet das
russische Gegenstück zum amerikanischen GPS-System.
EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)
Dieses System stellt die erste Stufe eines europäischen Satellitennavigationssystems dar. Es
stellt Korrekturdaten zu den Systemen GPS und GLONASS zur Verfügung und ist zum
WAAS der USA kompatibel. EGNOS ist derzeit noch im Testbetrieb und soll 2004 voll
operationsfähig sein (Genauigkeit ~3m).
MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System)
Es wird von Japan u.a. asiatischen Ländern aufgebaut und soll 2005 betriebsbereit sein.
WAAS, EGNOS und MSAS werden miteinander kompatibel sein.
GALILEO
Die zweite Stufe eines europäischen Navigationssystems stellt GALILEO dar. Es ist ein
eigenständiges von GPS und GLONASS unabhängiges System. GALILEO soll höher
entwickelt, leistungsfähiger und sicherer sein als das amerikanische GPS.
GALILEO beruht auf einer Konstellation von dreißig Satelliten, die sich auf einer
Umlaufbahn in 24 000 km Höhe befinden, die gesamte Erdkugel abdecken und durch ein
Netz von Bodenstationen kontrolliert werden. Jeder Satellit ist mit einer Atomuhr ausgerüstet,
die eine äußerst genaue Zeitbestimmung und eine auf einen Meter genaue Standortbestimmung
jedes beweglichen oder unbeweglichen Objekts ermöglicht.
Phasen
• Entwicklungsphase 2002-2005
• Errichtungsphase 2006-2007
• Betriebsphase ab 2008
Dienste
GALILEO bietet mehrere Dienstleistungsebenen mit offenem oder mehr oder weniger
eingeschränktem Zugang an:
• ein offener und kostenloser Basisdienst (Open Service - OS), insbesondere bestimmt für
Anwendungen für die breite Öffentlichkeit und für Dienstleistungen von allgemeinem
Interesse. Dieser Dienst ist vergleichbar mit dem zivilen GPS-Signal, das für solche
Anwendungen kostenlos ist, allerdings mit einer verbesserten Qualität und Zuverlässigkeit;
• ein kommerzieller Dienst (Commercial Service – CS), der die Entwicklung von
Anwendungen für den kommerziellen Systembetrieb gestattet und der somit gegenüber

27 J. Zeiser
dem Basisdienst – insbesondere was die Funktionsgarantie angeht – ein höheres
Leistungspotential bietet;
• einen „Safety-of-Life"-Dienst (SoL) sehr hoher Qualität und Integrität für sicherheitskritische
Anwendungen wie z. B. den Luft- oder den Seeverkehr;
• einen „Search-and-Rescue"-Dienst (SAR), der die Hilfssysteme in auftretenden Not- und
Rettungssituationen deutlich verbessern soll;
• einen Öffentlichen regulierten Dienst (Public Regulated Service PRS), der verschlüsselt
ist und resistent gegenüber Störungen und Interferenzen und in erster Linie für die
Erfordernisse der öffentlichen Einrichtungen im Bereich des Zivilschutzes, der nationalen
Sicherheit und der Wahrung des Rechts bestimmt ist, die einen hohen Grad an Dienstekontinuität
benötigen.
6 Anwendung
„Die Entwicklungsaussichten sind enorm. Wie auch schon beim Mikrocomputer
vor 20 Jahren oder beim Internet vor 10 Jahren können wir uns heute die meisten
Anwendungsmöglichkeiten wahrscheinlich noch gar nicht vorstellen[5].“
In diesem Sinn ist die aktuelle Entwicklung bei den GPS-Chips überaus vielversprechend. Ein
GPS-Modul kann zukünftig auf einem Chip mit 49 Quadrat-Millimeter realisiert werden und
wird zu einem Preis von 10.- $ erhältlich sein. Damit ist die technische und ökonomische
Voraussetzungen erfüllt, GPS flächendeckend in Handys, PDAs und Uhren einzubauen und
somit ist die Integration der Satellitenortung in fast jedes elektronische Gerät zu erwarten.
Aber bereits heute ist GPS in vielen Bereichen, wie z.B. Wissenschaft und Forschung,
Wirtschaft und Industrie, Land- und Forstwirtschaft, Touristik und Freizeit, Militär usw., im
Einsatz.
Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Anwendungsbereichen:
• Straßen- und Seeverkehr
Navigation und Routenplanung, sowohl in privaten als auch in Unternehmensbereich
• Geodatenerfassung
• Flächennutzung und Planung in Land- und Forstwirtschaft
• Militär
• Maschinensteuerungs- und -leitsysteme
• Touristik und Freizeit
Outdoor-Branche, Schwammerlsuchen
Diese wenigen Anwendungsbeispiele lassen bereits die Breite und Vielfalt der aktuellen
Einsatzgebiete erkennen. Aufgrund der zu erwartenden technischen und kostenmäßigen
Verbesserungen bei den GPS-Empfängern, lässt die Zukunft eine spannende Entwicklung der
Positionsbestimmung mit Satellitennavigation erwarten.

28 Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden mit Satellitennavigation
Abkürzungen
CS
Commercial Service
C/A-Code Coarse/Acquisition-Code
DGPS
Differential Global Positioning System
EGNOS
European Geostationary Navigation Overlay Service
GLONASS Global Navigation Satellite System (bzw. Globalnaya Navigationnaya
Sputnikovaya Sistema)
GPS
Global Positioning System
INMARSAT International Maritime Satellite Organisation
MCS
Master Control Station
MSAS
Multi-Functional Satellite Augmentation System
NAVSTAR GPS Navigation System with Timing and Ranging Global Positioning
System
NNSS
Navy Navigation Satellite System
OS
Open Service
PPS
Precise Positioning Service
PRS
Public Regulated Service
PRN
Pseudo Random Noise
P-Code
Precision-Code
SA
Selective Availability
SAPOS
Satellitenpositionierungsdienst
SAPOS EPS Satellitenpositionierungsdienst Echtzeit Positionierungs-Service
SAPOS HEPS Satellitenpositionierungsdienst Hochpräziser Echtzeit Positionierungs-
Service
SAR
Search- and Rescue
SoL
Safety-of-Life
SPS
Standard Positioning Service
WAAS
Wide Area Augmention System
WGS84 World Geodetic System 1984

29 J. Zeiser
Referenzen
[1] J. Roth: Mobile Computing
FernUniversität Hagen, Hagen, 2003
[2] M. Bauer: Vermessung und Ortung mit Satelliten: NAVSTAR-GPS und andere
satellitengestützte Navigationssysteme
Wichmann Verlag, Heidelberg, 1997
[3] W. Mansfeld: Satellitenortung und Navigation: Grundlagen und Anwendung
globaler Satellitennavigationssysteme
Vieweg Verlag, Braunschweig, 1998
[4] „GPS-Informations- und Beobachtungssystem“, Bundesamt für Kartographie
und Geodäsie Außenstelle Leipzig, 24.4.2003
http://gibs.leipzig.ifag.de
[5] „GALILEO Europäisches Satellitennavigationssystem“, Generaldirektion
Energie und Verkehr der EU, 24.4.2003
http://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/galileo/index_de.htm
[6] „USNO GPS Timing Operations“, U.S. Naval Observatory, 24.4.2003
http://tycho.usno.navy.mil/gps.html

Geoinformationssysteme und Geo-Datenbanken im
Überblick
Joachim Marwinski
Oberhausen
jm.ob@uni-duisburg.de
Zusammenfassung: Geoinformationssysteme (GIS) speichern Informationen zusammen
mit ihrer geographischen Position ab. Dazu bedienen sie sich der Dienste von
Datenbanksystemen, um in konsistenten Daten ein wirtschaftliches Wiederauffinden zu
ermöglichen. GIS pflegen Daten ein und werten sie unter Berücksichtigung ihrer
geographischen Komponente aus. Die Auswertungen dienen dem Anwender als Mittel
der Entscheidungsfindung. Die Verwendung dünner Klienten ermöglicht einen vom
Betriebssystem unabhängigen Einsatz mit Zugriff auf die Daten sogar über das Internet,
während die Daten zentral gehalten werden. Angewandt wird GIS insbesondere von Verund
Entsorgern, sowie von Kommunen.
1 Geodaten
Ein Teil der Umwelt soll abgebildet werden, um diese Abbildung mit Hilfe einer
(elektronischen) Datenverarbeitungsanlage innerhalb eines GIS auszuwerten. Auf der Grundlage
dieser Auswertung werden Entscheidungen getroffen (einen Kanal zu bauen, ein Tollwutgebiet
zu impfen).
1.1 Betrachtung von Objekten
Realweltliche Objekte haben bestimmte Eigenschaften (Attribute) und Fähigkeiten, die in
einem Objektmodell abgebildet werden können.
Um ein solches Modell zu erstellen, werden die Eigenschaften eines Objektes identifiziert und
derart zusammengefasst, dass Klassen von Objekten benannt werden können, die unterschiedliche
Objekttypen enthalten. Diese Klassen können zueinander in Abhängigkeit stehen,
sodass Eigenschaften und Fähigkeiten generalisierter Objekte an spezialisierte Objekte vererbt
werden. Es entsteht auf diese Weise eine Objekthierarchie der Vererbung.
Die Werte der Objekteigenschaften können auch die Beziehungen der Objekte zueinander
aufnehmen, wie z.B. enthalten, zugehörig oder verbunden zu sein.
1.1.1 Objektklassen
Der ATKIS-Objektkatalog [ATK03] stellt einen Versuch der Normung von (Geo-) Objekten
einer realweltlichen Landschaft dar. Normung vereinfacht die Austauschbarkeit von Daten.
Im ATKIS-Objektkatalog. sind z.B. Objekte aus dem Siedlungswesen kategorisiert. Die
Eigenschaften der Objekte und auch die Objektbildungsregeln sind für jede Objektklasse festgelegt,
hier einige beispielhafte Eigenschaften

32 Geoinformationssysteme und Geo-Datenbanken im Überblick
GLS Anzahl der Streckengleise
ATP Archäologischer Typ
ADB Art der Bahn
AFT Art der Fahrbahntrennung
AGK Art der Geländekante
AGL Art der Geländelinie
AGA Art der Gewässerachse
APG Art der Grenze
WWA Art der wasserwirtsch. Anlage
AGP Art des Geländepunktes
AUS Brücke, Über/Unterführung
BNA Bahnart
BFK Bahnhofskategorie
BKT Bahnkategorie
BKL Bahnklassifizierung
KON Bauart, Konstruktionsmerkmal
Über die Definition des jeweiligen Objektes wird die Klassifizierung eines zu betrachtenden
realweltlichen Objektes ermöglicht. Ein Beispiel aus dem ATKIS-Objektartenkatalog
(ATKIS-OK) Teil D1: ATKIS-OK 50:
Definition
'Gebäude' ist eine selbstständig benutzbare, überdeckte bauliche Anlage, die von Menschen
betreten werden kann und geeignet oder bestimmt ist, dem Schutz von Menschen, Tieren,
Sachen oder der Produktion von Wirtschaftsgütern zu dienen
Erfassungskriterium Treib-, Gewächshäuser Fläche >= 2,5 ha, sonst vollzählig
GFK Gebäudefunktion
1131 Schloß
1138 Burg, Festungsgebäude
1151 Krankenhaus
1199 Empfangsgebäude
1300 Wohngebäude
1462 Jugendherberge
1463 Hütte (mit Übernachtung)
1471 Gaststätte
1700 Wirtschaftsgebäude
2515 Wasserbehälter
2732 Almhütte
2741 Gewächs-, Treibhaus
9999 sonstige
L HRG Herausragendes Gebäude
1000 Hochhaus
9997 Attribut trifft nicht zu
L NTZ Nutzung
1200 öffentlich
L ZUS Zustand
1700 verfallen, zerstört ('Ruine')
Der Katalog definiert für die einzelnen Objekte Schlüssel, die eine eindeutige Zuordnung zu
einer Objektklasse ermöglichen.
Weitere im ATKIS OK 50 definierte Objektklassen:
2000 Siedlung
2324 Kran
2100 Baulich geprägte Fläche
2325 Pumpe, Pumpstelle
2200 Siedlungsfreiflächen
2326 Wasserrad
2300 Bauwerke und sonstige Einricht. 2327 Windrad
2301 Tagebau, Grube, Steinbruch
2328 Solarzellen
2314 Absetzbecken, Schlammteich,... 2331 Archäologische Fundstätte
2315 Gebäude
2332 Denkmal, Denkstein, Standbild
2323 Dock
2333 Bildstock, Wegekreuz, Gipfelkreuz

33 Joachim Marwinski
Abbildung 13: DLM mit Ackerfläche 4101 [ATK03a]
Mithilfe derart definierter Objekte lassen sich Landschaften in einem Digitalen Landschafts-
Modell (DLM) beschreiben.
Die realweltlichen Objekte einer Landschaft werden dazu auf ein DLM abgebildet, indem die
einzelnen Objekte einer Objektklasse zugeordnet, und über die dort definierten Eigenschaften
beschrieben werden.
Im obenstehenden Beispiel sehen wir einige Flächen mit der Nummer 4101, die im ATKIS-
OK als „4101 Ackerland“ der Objektgruppe „4100 Vegetationsflächen“ des Objektbereiches
„4000 Vegetation“ zugeordnet sind.
In der Kategorisierung steckt bereits ein großer Teil an fachlichem Wissen, ebenso in der
Zusammensetzung der Eigenschaften der Objekte.
Objektbereiche und Objektgruppen
3500 Bauw. f. Verkehr. u. Kommunikation
2100 Baulich geprägte Fläche
4200 Bäume und Büsche
2300 Bauwerke u. sonstige Einrichtungen
6200 Bes. Geländeoberflächenformen
5200 Besondere Objekte in Gewässern
6100 Digitales Geländemodell (DGM)
5300 Einr. und Bauwerke an Gewässern
3300 Flugverkehr
4000 Vegetation
4100 Vegetationsflächen
3000 Verkehr
7100 Verwaltungsgebiete
5100 Wasserflächen

34 Geoinformationssysteme und Geo-Datenbanken im Überblick
In vielen Bereichen, die durch ein GIS erfasst werden können, gibt es keine normierten
Objektklassen und Objekte. Aber auch hier werden Objekte über ihre Eigenschaften beschrieben,
wie z.B. in der Epidemiologie am Beispiel der Nationalen Tollwutdatenbank [TOL]:
Stammdaten des Tieres
Identifikationsschlüssel
Tierart
Geschlecht
Alter
Eingangsdatum
Erlegungs- bzw. Fundort (8-stelliger Gemeindeschlüssel)
Nummer der Immunisierungskampagne
Köder (ausgelegter Köder im Impfgebiet)
Impfstoff (ausgelegter I. im Impfgebiet)
Welche Details in den Objekteigenschaften, hier denen des Tieres, beschrieben werden, ist
Sache der fachlichen Kompetenz, mit der die Objektbeschreibung erstellt wurde.
1.1.2 Identität
Jedes einzelne Objekt hat seine Identität. Eine Objektklasse definiert die relevanten
Eigenschaften der ihr angehörigen Objekte, während das einzelne Objekt selbst immer
einzigartig und unverwechselbar ist.
Stehen fünf gleiche Wassergläser in einer Reihe auf einem Tisch, so gehören sie zur
Kategorie „Wasserglas“. Sie können sich in der Eigenschaft „Füllungsgrad“ unterscheiden,
möglicherweise sind sie alle leer.
Aber auch im Falle der Gleichheit aller Eigenschaften ist das linke der Gläser nicht das selbe
Glas wie das rechte, denn es hat nicht seine Identität. Wird das linke zerstört, so bleibt das
rechte erhalten.
1.1.3 Bewegliche und unbewegliche Objekte
Objekte können in bewegliche und unbewegliche (z.B.: Immobilien) unterschieden werden.
Bei unbeweglichen Objekten kann die Identität anhand der räumlichen Position ermittelt
werden, bei beweglichen (z.B. Pakete) ist dazu noch z.B. eine Zeitangabe erforderlich.
Vorausgesetzt ist dabei eine genügend feine Auflösung der Positions- oder Zeitinformationen.
Eine Auflösung im Meter-Bereich ist für das obige Beispiel mit den Gläsern nicht ausreichend,
da sich mehrere (gleiche) Gläser innerhalb eines Quadratmeters Fläche befinden
können. Innerhalb eines Quadratzentimeters könnte sich aber tatsächlich nur ein Wasserglas
befinden.
Allerdings gilt dies nur für in allen Eigenschaften gleiche Objekte, wie sich am Beispiel der
russischen Matroschka-Puppen vergegenwärtigen lässt, bei denen wieder und wieder eine
gleiche kleinere Puppe in einer größeren steckt.
1.1.4 Keine Objekte
Nicht zu den Objekten zählen hier z.B. Flüssigkeiten, Gase oder (elektrische) Ströme.
Auch Weizenkörner sind in dem von uns betrachteten Modellierungsbereich keine
eigenständigen Objekte, während ein Gefäß mit Weizen (z.B. Silo) oder eine Leitung, durch
die ein bestimmter Strom fließt, ein Objekt mit einer bestimmten Eigenschaft (% Füllung mit
Weizen, Strom in Ampere) darstellt.
1.1.5 Koordinaten
Wenn wir von Geodaten sprechen, so enthalten diese Koordinaten. Die Koordinaten beziehen
sich auf ein bestimmtes Koordinatensystem, welches entweder vorausgesetzt wird, oder
ausdrücklich in den Daten angegeben sein muss.

35 Joachim Marwinski
Ein Koordinatensystem kann beispielsweise für ein Fabrikgelände auf einen der Grenzsteine
als Nullpunkt bezogen sein. Dann sind die Koordinaten zwar innerhalb des Fabrikgeländes
brauchbar, aber können nicht ohne Umrechnungen in ein umfassenderes Koordinatensystem,
z. B. das der Kommune überführt (durch rechnerische Koordinatentransformation) werden.
Daher werden Koordinaten oft in dem in Deutschland gültigen Gauß Krüger Koordinatensystem
angegeben. Die Koordinaten bestehen im Zweidimensionalen aus Rechtswert und
Hochwert, ggf. kommt die Höhe als dritte Dimension hinzu.
Die amtlichen topographischen Karten in Deutschland basieren auf einer transversalen Mercatorprojektion.
1.2 Koordinaten: Das Gauß Krüger System
Das deutsche Gauß Krüger System [BAS00], [WASY] teilt die Fläche der Bundesrepublik in
Meridianstreifensysteme ein, die um die Zentralmeridiane 6°, 9°, 12° und 15° eine
Ausdehnung von jeweils 1,5° (entspricht etwa 100 km) haben. An den Überlappungsstellen
der einzelnen Meridianstreifensysteme werden die Gauß Krüger Koordinaten, deren Fehler
(Längenverzerrung) sich mit zunehmendem Abstand von Zentralmeridian vergrößert,
aufeinander abgestimmt. Gauß Krüger Koordinaten werden in metrischen Werten angegeben.
Abbildung 14: Gauß Krüger [WASY]

36 Geoinformationssysteme und Geo-Datenbanken im Überblick
Abbildung 15: Meridianstreifen [BAS00]
Der Rechtswert gibt die Lage eines Punktes in West-Ost-Richtung an und bezieht sich auf den
Zentralmeridian des jeweiligen Meridianstreifensystems. Der Zentralmeridian entspricht dem
Wert 500.000 m oder 500 km, damit für westlich des Zentralmeridians gelegene Punkte keine
negativen Werte entstehen. Die erste Ziffer des Rechtswertes ergibt mit 3 multipliziert den
Zentralmeridian des Meridianstreifensystems.
Der Hochwert gibt die Lage eines Punktes in Nord-Süd-Richtung an und entspricht der
Entfernung eines Punktes von Äquator.[HAK82]
Bei der Projektion der Erdoberfläche auf eine Karte ist zu berücksichtigen, dass der
betrachtete Kartenausschnitt in Wirklichkeit nicht flach ist, sondern wie ein Stück
Orangenschale (in der Mitte breit, mit zwei Spitzen) gewölbt ist. Die Abweichungen
(„Spannungen“) sind in der Mitte gering und an den Spitzen größer. Deutschland liegt eher
„in der Mitte“ als an den Spitzen (Nord-Süd-Pole).
Somit sind alle zweidimensionalen Abbildungen nur Näherungen. Wichtig ist, dass die
Abweichungen innerhalb eines tolerierten Bereiches liegen. Das wird durch eine Einteilung in
genügend schmale Streifen erreicht, die im Gauß Krüger System 3° beträgt.
Da die Erde nicht exakt die Gestalt einer Kugel, sondern eine kugelähnliche Form mit
unregelmäßigen Abflachungen und Erhebungen hat, muss ihre „kartoffelähnliche“ Gestalt
(Abbildung 4) angenähert werden. Die Gestalt der Erde, ihr geographischer Körper, wird
Geoid genannt. [SCHW]
Grundlage des deutschen Gauß Krüger Systems ist der Bessel-Ellipsoid.

37 Joachim Marwinski
Abbildung 16: Figur der Erde [SCHW]
Abbildung 17: Näherung Ellipsoid [STUM]
Der Bessel-Ellipsoid ist kugelähnlich und nähert lokal für Deutschland möglichst ideal die
Gestalt der Erde an. Mit dem Besselschen Ellipsoid werden in Deutschland Karten erstellt, die
auf ca. 10 cm genau die wirklichen Verhältnisse abbilden.
Der Ellipsoid WGS84, definiert einen 1984 festgelegten weltweiten mittleren Referenzellipsoiden,
der u.a. in der Luftfahrt bedeutsam ist. Der Unterschied zum Bessel Ellipsoid
beträgt ca. 70 m. Sein Mittelpunkt ist gegenüber dem des WGS-84 606 m entlang der x-
Achse, um 23 m entlang der y-Achse, und um 413 m entlang der z-Achse verschoben
[STUM].

38 Geoinformationssysteme und Geo-Datenbanken im Überblick
In der DDR wurde der Ellipsoid Krassowski verwendet, die Meridianstreifen waren 6° breit.
Um Geodaten zu speichern und korrekt auswerten zu können, ist es erforderlich, die
verschiedenen Lagebezugssysteme zu kennen, zu wissen, bezüglich welchen Lagesystems die
Geodaten erfasst wurden, und sie ggf. umrechnen zu können. In Nordrhein Westfalen werden
z.Zt. 4 Lagebezugssysteme und 2 Höhenbezugssysteme verwendet [INFNRW]:
• System Preußische Landesaufnahme (Pr.LA.), auch „Potsdam Datum“ Geodätische
(s.[GDÄ]) Grundlage der Lagefestpunkte in der Bundesrepublik Deutschland ist das
Deutsche Hauptdreiecksnetz (DHDN). Es besteht in Nordrhein-Westfalen aus dem Block
der Preußischen Landesaufnahme (Pr.LA.). Die Koordinaten der Festpunkte sind auf das
Erdellipsoid von Bessel bezogen. Seit 1927 werden für die Lagefestpunkte rechtwinklige
Gauß Krüger Koordinaten (y, x) in 3° breiten Meridianstreifen bestimmt. Koordinaten des
Systems Pr.LA. sind Ausgangswerte für Vermessungen im Liegenschaftskataster, für
topographische Karten und geographische Informationssysteme (GIS).
• System Netz 1977 Zur Verringerung von Netzspannungen wurden seit 1977 die Koordinaten
einiger Punkte des DHDN in Nordrhein-Westfalen verbessert und die Folgenetze
mit den Gauß Krüger Koordinaten dieses Systems systematisch erneuert.
• Europäisches Datum 1950 (ED 50) Das 1950 entstandene Europäische Hauptdreiecksnetz
ist auf das Internationale Erdellipsoid von Hayford bezogen. Dieses westeuropaweit einheitliche
Bezugssystem wird Europäisches Datum 1950 (ED 50) genannt. Die verebneten
Koordinaten (North, East) mit dem Lagestatus 450 gehören zur Universalen Transversalen
Mercator-Abbildung (UTM) mit 6° breiten Meridianstreifen. Das ED 50 war bis 1996
Grundlage des militärischen NATO-Kartenwerks und anderer internationaler Kartenwerke
• Deutsches Haupthöhennetz 1912 (DHHN 12) und 1992 (DHHN 92)
Für globale und kontinentale Festpunktfelder besteht das räumliche satellitengeodätische
World Geodetic System 1984 (WGS 84), das in Europa durch das einheitliche Bezugssystem
European Terrestrial Reference System 1989 (ETRS 89) realisiert ist. Hierin sind auch aktive
Referenzstationen des Satellitenpositionierungsdienstes (SAPOS) durch dreidimensionale, auf
den Erdschwerpunkt bezogene Koordinaten (X, Y, Z) bestimmt.
Die Verwendung bestimmter Lagebezugsysteme ist also auch von den fachlichen
Anforderungen, insbesondere an die Genauigkeit und die an die großflächige Gültigkeit der
Daten (z.B. Luftfahrt) abhängig.
Undulationssysteme [WGSMAN], [INFNRW] sind für die Verknüpfung von
Lagebezugssystemen mit Höhenbezugssystemen erforderlich, um die Abweichung des
Abbildung 18: Undulation [WGSMAN]

39 Joachim Marwinski
verwendeten Ellipsoiden von der tatsächlichen Höhe des Geoids zu kompensieren. Durch den
Einfluss der Schwerkraft deformiert sich der Geoid an Stellen mit Land/ Gestein anders als an
Stellen mit Wasser.
Das Schwerefeld der Erde wird verursacht durch die gravitative Anziehung der Erdmasse,
durch die Rotation und durch kleinere Effekte wie die Gezeiten. Die Anziehung ist am Pol um
ca. 1/200 größer als am Äquator. Mit zunehmender Entfernung von den anziehenden Massen
verringert sich die Anziehung; in einer Höhe von 3000 m ist sie beispielsweise um ca. 1/1000
geringer als auf Meereshöhe. Das Schwerefeld weist zusätzlich globale, regionale und lokale
Unregelmäßigkeiten auf, da die Masse sowohl in der Erdkruste (Gebirge, Kontinentalplatten)
als auch tiefer (in Erdmantel und -kern) nicht gleichmäßig verteilt ist. [SCHW]
Das Schwerefeld ist von Bedeutung für die Satellitengeodäsie, sowie auch für die
Höhenbestimmung auf der Erde. Einhergehend mit dem unregelmäßigen Schwerefeld ist auch
die Form der Erde unregelmäßig. Von einem Ellipsoid weicht die tatsächliche Meeresoberfläche
um bis ± 100 m ab. Diese passt sich dem Schwerefeld an: Sie formt sich so, dass auf
ihr (idealisiert gesprochen) kein Wasser fließt. Die vom Schwerefeld abhängige Fließrichtung
des Wassers definiert auch die jeweilige lokale Horizontalebene und Lotrichtung. Deshalb
beziehen wir Höhen in der Regel nicht auf ein Ellipsoid, sondern auf eine idealisierte
Meeresoberfläche, den Geoid, bzw. ihre Fortsetzung in den Kontinenten. Die Höhe eines
Geländepunktes ist somit der vertikale Abstand des Punktes vom Geoid [SCHW].
2 Was leisten GIS
2.1 Was ist ein GIS
Es gibt viele verschiedene Definitionen von Geoinformationssystemen, eine davon, in
[IMAGI] definiert, lautet:
Geoinformationssystem (GIS): Ein raumbezogenes Informationssystem mit Funktionen zur
Datenerfassung, -aktualisierung, -manipulation, -verwaltung und Analyse der Geodatenbestände
sowie der kartographischen Darstellung raumbezogener Informationen.
Diese Funktionalität dient hauptsächlich der Schaffung einer Grundlage für die Entscheidungsfindung.
Ein GI-System besteht aus mehreren Komponenten, das GIS setzt sich aus Hardware und
Software zusammen. Der Aufbau ist bei den sehr unterschiedlichen Anwendungsgebieten von
GIS (z.B. kleines epidemiologisches Projekt bis Kataster einer großen Kommune) sehr unterschiedlich.
Das folgende Modell zeigt einen möglichen Aufbau: (s.a. [CASS99])

40 Geoinformationssysteme und Geo-Datenbanken im Überblick
evtl. Rechnergrenzen
Plotter
Digitalisiertablett
Scanner
Geodatenbank
DBMS
Datenbank-
Managementsystem
SQL
GIS
z.B.
SICAD oder
Smallworld
ERP
z.B.
SAP
P
D
A
Bilddatenbank
mit
Datensicherheitsverwaltung:
-Zugriffsrechte
-Wiederherstellung
-Transaktionen
HTTP/XML
Server: Apache
od. MS-Inform
Server
gewöhnliche
Klienten:
spezifisches
Betriebssystem
z.B. Oracle oder Informix
PC
MAC
UNIX
Netzwerk
‚leichte’ Klienten: Netscape /
Internetexplorer / Konqueror
über HTTP oder XML
Abbildung 19: GIS-Konfiguration
Hardwarekomponenten:
• Rechner (mehrere Systemrechner (Server), viele Arbeitsplatzrechner ‚Klient‘)
• Netzwerk
• Digitalisiertablett (zum Digitalisieren vorhandener Papier-Karten)
• Plotter
• Scanner
• PDA (tragbarer Kleinrechner)
• Arbeitsplatzdrucker (nicht dargestellt)
Natürlich kann auch das gesamte System auf nur einem einzigen Rechner betrieben werden.
Für einen schnellen Zugriff, gute Wartbarkeit und hohe Datensicherheit (die Systemrechner
werden von EDV-Spezialisten in gegen Feuer, Einbruch und Stromausfall gesicherten Räumen
betrieben) bei vielen angeschlossenen Arbeitsplatzrechnern ist das oben angegebene
Modell sinnvoll. Es speichert die Daten redundanzfrei an einer zentralen Stelle.
Dieses Modell zeigt die Besonderheit eines HTTP / XML Servers, der zwischen GIS und
Klient (das ist die Software, die auf dem Arbeitsplatzrechner läuft und Anfragen an das GIS
erzeugt bzw. Antworten darstellt) vermittelt. Diese Konfiguration erlaubt es, auf den Arbeitsplatzrechnern
‚dünne‘ Klienten einzusetzen. Sie bestehen aus einem (Java-fähigem) Internet-
Betrachter wie Microsoft Internet-Explorer, Mozilla oder Netscape, der mit dem jeweiligen
Betriebssystem des Arbeitsplatzrechners geliefert wird und HTTP oder XML Daten anzeigen
kann. Das vereinfacht die Wartung der Arbeitsplätze und erhöht die Anzahl unterstützter

41 Joachim Marwinski
Betriebssysteme, schränkt aber z.B. die Möglichkeiten ein, einen PDA oder einen
Arbeitsplatzscanner einzusetzen. [ROSE]
Ein Beispiel für eine Konfiguration mit dünnen Klienten ist der Geodatenserver des KVR
(Kommunalverband Rhein Ruhr) [KVR], der über das Internet über eine HTTP Verbindung
Kartenausschnitte zeigt, und mit JAVA-Modul auch Streckenberechnungen durchführt (auf
dem Arbeitsplatzrechner selbst). Im dargestellten Modell sind die Klienten mit dem GIS
selbst verbunden. Möglich ist auch eine Konfiguration, die die Klienten (auch) über das
ERP (Enterprise Ressource Planning) mit dem GIS verbindet. Das GIS kann ein Modul des
ERP sein, sodass ein SRP (Spatial Ressource Planning) entsteht. Dadurch werden die raumbezogenen
Fähigkeiten des GIS mit den geschäftsprozessoptimierten Ressourcenplanungsfähigkeiten
des ERP verknüpft [GAS], [WGI].
Das DBMS (Datenbank Management System), in der Regel ein relationales DBMS, bietet
dem GIS über eine Sprache wie SQL seine Dienste zum Speichern und Auffinden von Daten
an, die meist in relational verknüpften Tabellen gespeichert werden. Das GIS speichert seine
Daten nicht selbst, sondern benutzt ein DBMS, da dieses die Datenspeicherung optimiert
vornehmen kann. Es verfügt über Wiederherstellungsmechanismen (z.B. nach einem Stromausfall)
und sorgt für konsistente Daten, indem es die Speicherung nicht regelkonformer
Daten verhindert. Über Transaktionen wird sichergestellt, dass nur vollständige Datensätze
übernommen werden. Das System DBMS ist ein vom spezialisierten Datenbankhersteller
gepflegtes Modul (z.B. Oracle, Informix). Die Speicherung in einer relationalen Datenbank an
einer zentralen Stelle sorgt für die Redundanzfreiheit der Daten durch Abbildung der realweltlichen
Objekte auf genau eine Entsprechung (ihrer Identität, s.o.) in den Daten. Egal von
welchem Klienten auf ein Objekt zugegriffen wird um es zu verändern, das DBMS sorgt
dafür, dass nur die aktualisierten Daten nach der Speicherung an die anderen Klienten
weitergegeben werden. Somit hat jeder Nutzer immer den Zugriff auf aktuelle Daten.
2.2 Räumlicher Bezug
Allen GIS gemeinsam ist der räumliche Bezug der Objekte zueinander. Im einfachsten Falle
werden Objekte (Bauwerke, Strommasten, Kanaldeckel) aufgrund ihrer Koordinaten auf einer
Karte dargestellt. Die Karte selbst kann dann eine Rastergrafik (eingescannte Karte) oder ein
Orthofoto (aus einem Flugzeug senkrecht nach unten aufgenommen) sein [TES].
Wenn der Bezug zu anderen Elementen des Geländes, z. B. in einem DGM, wichtig ist, dann
handelt es sich bei den Karten, innerhalb derer das Objekt dargestellt wird, um Vektorgrafiken.
Alle oder alle wichtigen Elemente der Karte sind dann in vektorisierter Form abgespeichert.
Diese Elemente können in die auswertenden Berechnungen des GIS einbezogen
werden. Gewonnen werden die vektorisierten Karten durch Vermessung (Tachymetrie, hohe
Genauigkeit), Digitalisisierung von Orthofotos am Digitalisiertablett oder durch Einscannen
und Vektorisieren von vorhandenen Papier-Karten.
Es ist stark von der Anwendung abhängig, welche Daten gespeichert werden, und welche
Form der Karten erforderlich ist. Vektorgrafiken erfordern einen höheren Rechenaufwand bei
der Darstellung und Verarbeitung. Sie sind aber auch beliebig skalierbar, die Qualität ihrer
Darstellung ist nicht von der Auflösung abhängig.
Für sich betrachtet können bestimmte Eigenschaften mehrerer Objekte zueinander in Bezug
gebracht werden, wie z.B. die Höhe für ISO-Linien innerhalb einer Karte ausgewertet werden
kann. Es kann bei isoliert betrachteten Objekten (Messpunkten) eines DGM beispielsweise
die Hangneigung berechnet werden, um eine Aussage über die Abfließgeschwindigkeit von
Regenwasser zu treffen.
Die Abspeicherung von miteinander vernetzten Objekten ermöglicht z.B. die Wegeplanung.
Hierbei ist wichtig zu wissen, ob zwei Objekte auch tatsächlich miteinander verbunden sind.

42 Geoinformationssysteme und Geo-Datenbanken im Überblick
Für die Belange der Versorgungsunternehmen sind solche Auswertungen wichtig, z.B. bei der
Stromdurchleitung.
Die Zugehörigkeit eines Objektes zu einem anderen kann auch durch eine „ist enthalten in“
oder „gehört zu“ Beziehung ausgedrückt werden. Die Auswertung einer solchen Beziehung
liefert beispielsweise alle Objekte „Klärbecken“, die zu einer bestimmten Kläranlage gehören.
Die Beispiele Wegplanung und Klärbecken zeigen, dass räumlicher Bezug allein für bestimmte
Auswertungen um Enthaltenseins- und Verbindungsbeziehungen ergänzt werden muss.
2.3 Anwendung
Betrachten wir, wer GIS einsetzt [PDV]:
Abbildung 20: GIS-Anwender [PDV]
Ver- und Entsorger wie Energieversorger Strom und Gas, (Ab)wasserwirtschaft sowie Kommunen
mit ihren Kataster und Tiefbauämtern und kommunale Ver-/Entsorgung sowie Telekommunikationsunternehmen
sind die wichtigsten Nutzer von GIS. An den Hauptabnehmern
der GIS orientiert sich auch das Angebot auf dem GIS Markt mit fertig konfektionierten
Produkten und Fachschalen. Die Fachschalen sind Module zu einer Basissoftware, die
unterschiedlichen fachlichen Anforderungen gerecht werden, wie z.B. Wasser, Strom, Gas,
Telekommunikation, Lampen, etc..
Die Fähigkeit, digitale Geländemodelle (DGM) erstellen, bearbeiten und auswerten zu können
ist für Katasterämter, die Kartografie und andere Fachbereiche wie beispielsweise die Meteologie
erforderlich.
2.4 Fachschalen
Fachschalen liefern eine unterschiedliche Sicht auf die Daten. Sie stellen verschiedene
fachliche Berechnungs- und Analysemethoden zur Verfügung. Das fachliche Wissen um
einen bestimmten Bereich ist in den Fachschalen verankert. Beispiele für Fachschalen:
(Ab)Wasser, Strom, Gas, Lampen, Telekommunikation, allgem. „Auskunft“
Die Daten, um die es hauptsächlich geht, sind von ganz unterschiedlichen Typen, wie z.B.
Lampen und Kanalschächte. Fachwissen steckt in der Konstruktion der Datentypen (welche
Eigenschaften sind wichtig) und in den Methoden und Berechnungen.
Fachschalen sind auch verantwortlich für die Einhaltung von Planzeichnungsverordnungen,
also die korrekte Darstellung der Elemente der jeweiligen Fachschale. Bemaßungen werden
beispielsweise in unterschiedlichen Fachbereichen verschieden gehandhabt: mal Linien mit
dünnen Kreuzen am Ende, mal Linien mit Spitzen Pfeilen.

43 Joachim Marwinski
Für andere Bereiche, insbesondere in der Forschung, existieren keine Fachschalen (zu kommerziellen
Produkten), sondern das GIS selbst hat das fachliche Wissen in sich, d.h., das GIS
ist spezialisiert.
Alle GIS können unterschiedliche Informationsebenen darstellen. Damit werden Objekte aufgrund
verschiedener Kriterien ein- oder ausgeblendet. Dadurch kommen thematische Sichten
zustande, wie z.B. die aus den Atlanten bekannte topologische Sicht, die politische Sicht, Bodenschätze,
historische Grenzen, ...
Im Gegensatz zu den Fachschalen handelt es sich dabei aber nicht um völlig verschiedene
Objekttypen, die auch unterschiedliche Methoden erfordern.
Fachschalen werden innerhalb eines Unternehmens oder einer Behörde von den jeweils zuständigen
Abteilungen genutzt. Der GIS-Report [BUH02] gibt Auskunft über Anwendungsgebiete
und vorhandene Fachschalen der Softwareprodukte auf dem Markt.
2.5 Methoden
Ein GIS wendet fachliche Methoden auf seine Daten an. Die Methoden bündelt fachliches
Wissen, z.B. um die Ausbreitung von Epidemien oder um die effiziente Reinigung eines
Kanalnetzes.
Analytische wie auch prognostische und statistische Verfahren werden angewandt um
• Daten zusammenzufassen
• Eine Vorhersage zu treffen
• Spezielle Objekte zu finden
• Objektzusammenhänge zu ergründen
• Kürzeste Wegstrecken zu ermitteln
• Statistische Werte (Mittelwert, Median, Perzentile) von Objekten (mit bestimmten
Eigenschaften) zu berechnen
Solche Auswertungen dienen oft als Entscheidungshilfen, z.B., ob
• ein Gebiet gegen Tollwut geimpft wird
• alle Haltungen („Kanal“ von einem Schacht zum anderen) eines Stranges (alle
hintereinander liegende) gereinigt werden
• ein günstiges Hotel aufgrund seiner Lage gebucht wird
gelegentlich auch lediglich der Information:
• Netzverfolgung bei Leitungsbruch (der „richtige“ Schalter muss gefunden werden)
• Umleitung um Baustelle
3 Geodatenbanken
Geodatenbanken stellen Informationen bereit, die mit einem GIS gepflegt werden. Entweder
werden die Daten vom GIS selbst ausgegeben, oder Klienten stellen Anfragen an die Geodatenbank
oder über das GIS an die Geodatenbank. Einige Beispiele:
• KVR (Kommunalverband Rhein Ruhr) [KVR] liefert Stadtpläne und Orthofotos.
• Map&guide liefert Stadtpläne und Wegberechnungen
• PLEdoc Terramapserver liefert versch. Karten, z.B. die DGK5 (Dt. Grundkarte 1:5000)
• Nationale Tollwutdatenbank [TOL]
Manche Betreiber von Geodatenbanken bieten teilweise kostenpflichtige, teilweise kostenlose
Dienste an. Dabei kann auf einen für die Nutzung freigegebenen Teil der Daten zugegriffen
werden. Welcher Teil das ist, ist abhängig von Kosten, rechtlicher Situation und auch von der
Wettbewerbssituation der Anbieter, da z.B. der Zugriff auf detaillierte Daten eines Energieversorgers
interne Betriebsstrukturen preisgeben würde [FIG2].

44 Geoinformationssysteme und Geo-Datenbanken im Überblick
Auf dem wachsenden Geodatenmarkt bieten verschiedene Anbieter ihre Daten an, z.B. die
Landesvermessungsämter (LVA) solche aus den ALK/ALB (automatisierte(s) Liegenschaftskataster/
~Buch), die Energieversorger und kommerzielle Unternehmen [FIG2].
Die Abbildung in Abschnitt 2.3 zeigt, dass ein großer Teil der GIS Anwender dem regulierten
oder dem staatlichen Sektor zuzuordnen ist. Am Beispiel der SüvKan (Selbstüberwachungsverordnung
Kanalwesen: Die Verordnung regelt u.a. Schadensaufnahme und Dokumentation)
lässt sich erkennen, dass der Bedarf an Geodaten und Geodatenbanken auch einen gesetzlich
regulierten Ursprung haben kann.
3.1 Austausch
Die in einer Datenbank gespeicherten Daten lassen sich über etliche Schnittstellenformate
(z.B. DXF, Microstation, EDBS, Sicad SQD, GDF, aber auch z.B. MS-ACCESS aus nicht-
GIS) ausspielen und in ein Zielsystem übernehmen. (Die beiden erstgenannten Formate sind
aus dem CAD-Bereich) [HECK]
Auf diese Weise können Daten von verschiedenen Anbietern, die bisher in separaten Datenbanken
gespeicherten wurden, zusammengebracht werden. Ein Szenario dazu wäre eine Baustelle.
Eine digitale Stadtgrundkarte (DSGK) dient der Planung, die Energieversorger und die Telekommunikationsbetreiber
liefern Geodaten über im Baustellenbereich verlegte Leitungen und
ein kommerzielles Unternehmen errechnet die Wegbeschreibung für die Umleitung.
Die Lebenszeit der Geodaten ist erheblich höher als die der GIS. Wenn von einer GIS Software
zu einer anderen gewechselt wird, dann bleiben die Datenbestände, die die Kosten eines
GIS erheblich übertreffen, erhalten. Die Geodatenbank wird dann durch Datenmigration in ein
neues System übernommen. Dabei müssen die verschiedenen Datenmodelle im Quell- und im
Zielsystem berücksichtigt werden [BÄRK], [FIG3]. Das OpenGIS Consortium [OGIS] hat
den Austausch normiert.
4 Ausblick
GIS erweitern ERP zu spatial (räumlich) ERP, auch SPR genannt. Dadurch werden die
geschäftsprozessorientierten Informationen des ERP um raumbezogene Informationen des
GIS erweitert. Dies betrifft beispielsweise die Verwaltung von Dokumenten zu Anlagenteilen,
wie z.B. Herstelleranschrift, Kauf- und Wartungsvertrag und Gewährleitunsgsvereinbarungen.
Betrachten wir folgende Situation:
Ein Schachtdeckel ist bei einer Untersuchung als defekt eingestuft worden. Das GIS liefert
den räumlichen Zusammenhang zu anderen defekten Schachtdeckeln in der Nähe, über das
ERP werden Herstellerinformationen (incl. Typ/Bestellnummer) ermittelt. Die Bestellung
wird über das ERP aufgegeben. Beim Eintreffen der neuen Schachtdeckel berechnet das GIS
die günstigste Wegstrecke (Tourenplanung). Evtl. wird auch die Besatzung des Fahrzeuges
(Fahrer mit Führerschein Klasse 2 und Helfer, möglichst „günstig“, beide nicht krankgemeldet
oder in Urlaub) vom ERP/BIS (Betriebsmittelinformationssystem) ermittelt.
Eine weitere Abstraktion findet in manchen Bereichen vom GIS zum BIS [BERN98], [OFF]
statt. Ein BIS verwaltet zusätzlich zu den Geodaten weitere Betriebsmittelinformationen wie
z.B. Standzeiten von Anlagenteilen wie Lampen, Pumpen und kann Wartungsintervalle automatisiert
prüfen.
Die Verbindung von aktueller Position mit Geodaten ist ein Schritt in Richtung der mobilen
Dienste. Dazu ermittelt ein mobiles Gerät die aktuelle Position, beispielsweise über GPS (globales
Positionssystem) oder GSM (Protokoll der Mobiltelefonieanbieter), um dann gezielt
Daten über ein Objekt oder die Umgebung anfordern zu können. Der SMS Dienst der Hamburger
Verkehrsbetriebe [HVV] bietet Fahrplanauskünfte, die das GIS des HVV per SMS
versendet, an, die vom Nutzer durch Eingabe von Start und Ziel abgerufen wird. Der nächste
Schritt in der Entwicklung ist die Einbindung der automatischen Positionsbestimmung, die die

45 Joachim Marwinski
Eingabe der Startposition überflüssig werden lässt, sodass ein „mobiler Dienst“ (mit Standortbezug!)
entsteht.
Ein weiteres Beispiel ist die Identifikation von Anlagenteilen anhand ihrer Position (z.B.
Lampen) im Rahmen eines BIS:
Die Lampen an einer neu gebauten Straße werden aufgestellt. Es liegt ein Bauplan in vektorisierter
Form vor, in dem die Lampen eingezeichnet sind. Der Plan wird in das GIS übernommen,
das GIS erzeugt Stammdaten für ein mobiles Handgerät (z.B. PDA).
Die Lampen sollen überprüft werden, ein preisgünstiger Mitarbeiter stellt sich mit dem Handgerät
unter die Lampe, das Gerät ermittelt über GPS die Position, und der Mitarbeiter beurteilt
die Funktion der Lampe.
Damit entfallen die Schritte :
• Markierung der Lampe zwecks Identifikation mit einer Nummer, aufgemalt, mit
gravierten Schildern oder als maschinenerfassbarer Barcode
• Identifikation der Lampe: Übertragung der Nummer auf das Beurteilungsdokument
Die Fehleranfälligkeit ist geringer, da die Zuordnung der Lampe nicht über ggf. zerstörte oder
verschmierte Schilder erfolgt. Die Identität des Objektes wird anhand seiner Geoposition ermittelt.
Das Beurteilungsdokument wird abschließend in das BIS übertragen und ist von jedem
berechtigten Arbeitsplatz im Unternehmen abrufbar. Standzeitorientierte Wartungsaufträge
können durch das BIS automatisiert vergeben werden, einschließlich Materialbeschaffungsschein,
denn das BIS kennt die benötigten Lampentypen.
Referenzen
[ATK03]
[ATK03a]
[BAS00]
[BÄRK]
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ATKIS Objektartenkatalog, (2003), Beispiel zu OK 25ATKIS-Objektartenkatalog
Teil D1: Basis-DLM Objektbereich 4000 Vegetation Objektgruppe 4100
Vegetationsflächen Objektart 4101 Ackerland
http://www.atkis.de/dstinfo/dstinfo.dst_start2dst_oar=4101&inf_sprache=deu&c1=1
&dst_typ=25&dst_ver=dst&dst_land=ADV
Basilautzkis. L.(2000)
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[BERN00] Bernhard, U., (2000)
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[HAK82] Hake, Günter (1982):
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46 Geoinformationssysteme und Geo-Datenbanken im Überblick
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[GAS] Bernhard, U., (1999)
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deregulierten Marktes an integrierte Informationssysteme, Gas Erdgas gwf 140
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[GDÄ] http://www.ifag.de/Aktuelles/TIGO/TIGO_Einweihung.htm: Absätze 2-4
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[ROSE] Rose, A., (1999)
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http://www.ciss.de/download/articles/mehr-als-eine-vision.pdf
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http://www.ciss.de/download/articles/suedhessen.pdf, Seite 8
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Seite 3-5
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http://www.ciss.de/download/articles/geodatenserver-hlva.pdf
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http://www.bfav.de/organisation/ife/krankheiten/tollwut_daten.html
[WGI] http://www.wgi-gmbh.de/daten/projekte/Projekt_NEBIS_WFG.pdf
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http://www.oagis.com/gis3.htm, Abschnitt 3.2
[STUM] http://www.rainerstumpe.de/HTML/body_kartenkoordinaten.htm

Beispiele ortsbasierter Dienste
„Tourist Guide“
Edgar Merl
90489 Nürnberg
edgar.merl@web.de
Zusammenfassung: Bei mobilen elektronischen Reiseführern (Tourist Guides) handelt
es sich um kontextbewusste Anwendungen, in denen als elementare Kontextinformation
der momentane Standort des Benutzers Berücksichtigung findet. Damit stellen diese Anwendungen
insbesondere auch typische Beispiele ortsbasierter Dienste dar. Anhand
zweier Forschungsprojekte (Cyberguide und GUIDE) werden die potentiellen Anforderungen,
Konzepte sowie Lösungen und Architekturen bei der Entwicklung von mobilen
kontextbewussten Reiseführern dargestellt. Der Fokus der Betrachtung liegt hierbei auf
Konzepten und Lösungen im Rahmen der Implementierung ortsbasierter Dienste. Abschließend
wird versucht, einen kurzer Ausblick auf die künftige Entwicklung im Bereich
mobiler Tourist Guides zu geben.
1 Einleitung
1.1 Charakterisierung von „Tourist Guides“
Mobile elektronische Reiseführer (Tourist Guides) können der Kategorie der mobilen kontextbewussten
Anwendungen zugeordnet werden. Die aktuelle physikalische Position des
Nutzers stellt dabei einen elementaren Kontext dieser Anwendungen dar. Mit der standortabhängigen
Präsentation von Informationen und der Führung (Navigation) des Benutzers bilden
ortsbasierte Dienste den essentiellen Kern dieser Anwendungen. Neben der aktuellen Position
existieren noch weitere Kontextparameter, die bei der Realisierung mobiler kontextbewusster
Anwendungen eine Rolle spielen oder spielen können. Schilit et al. unterteilen, unter Benennung
konkreter Beispiele, den potentiellen Kontext in drei Kategorien [SAW94]:
• Technischer Kontext (Computing context):
Netzwerkverbindungen, Kommunikationskosten und Bandbreite, verfügbare Ressourcen
wie mobile Endgeräte, Drucker, Rechner.
• Persönlicher Kontext (User context):
Nutzerprofil, gegenwärtiger Aufenthaltsort, benachbarte Personen, soziale Verhältnisse.
• Physikalischer Kontext (Physical context):
Temperatur, Geräuschpegel, Verkehrsverhältnisse, Luftfeuchtigkeit, Lichtverhältnisse etc.
Da auch die Zeit für sehr viele Applikationen eine wichtige Kontext-Information darstellt,
führen Chen/Kotz eine zusätzliche, vierte Kontext-Kategorie ein [ChKo00]:
• Zeitlicher Kontext (Time context):
Tageszeit, Datum und Jahreszeit.

48 Beispiele ortsbasierter Dienste
1.2 Bisherige Entwicklungen und Projekte
Eines der ersten Projekte im wissenschaftlichen Umfeld, das sich mit der Entwicklung mobiler
kontextbewusster Applikationen befasste, war von Juli 1995 bis August 1997 das Projekt
Cyberguide am Georgia Institute of Technology. Im Rahmen dieses Projekts wurden Prototypen
mobiler kontextbewusster Touristenführer für Besucher innerhalb und außerhalb der
Campus-Gebäude erstellt. Der Forschungsschwerpunkt lag hierbei eher auf dem Prototyping
technischer Konzepte und der Entwicklung einer hierfür geeigneten Softwarearchitektur.
Das GUIDE-Projekt kann als eine Fortführung des Cyberguide-Projekts gesehen werden. Das
Projekt wurde von April 1997 bis Juli 1999 an der Lancaster University durchgeführt. Ziel
war es, die Besucher der Stadt Lancaster, England, mit einem stadtweiten kontextsensitiven
Multimedia-Führer auszustatten. Neben der Lösung technischer Fragen wurde hier auch viel
Zeit auf die Optimierung der Benutzerschnittstelle verwandt.
Die Beschreibung der genannten Projekte erfolgt in den nächsten beiden Kapiteln dieser Arbeit.
Im Mittelpunkt der Betrachtungen werden - dem Thema dieses Seminars folgend - die
Konzepte, Lösungen und Architekturen zur Realisierung ortsbasierter Dienste stehen.
2 Cyberguide
2.1 Einführung
Im Juli 1995 startete am Georgia Institute of Technology das Projekt Cyberguide [AAH+97].
Drei Monate vorher erfolgte die Gründung der Future Computing Environments (FCE)
Group, die sich die „rapid-prototype“-Entwicklung von Applikationen im Bereich der mobilen
Technologien zum Ziel setzte. Damit sollten kurzfristig verschiedene Möglichkeiten der
sich neu entwickelnden Technologien erforscht und Aussagen über die weitere Entwicklung
in diesem Umfeld getroffen werden können.
Entsprechend dieser Zielsetzung handelt es sich bei Cyberguide um eine Serie von Prototypen
mobiler kontextbewusster Reiseführer. Dabei wurden auf verschiedenen Plattformen unterschiedlichste
Aspekte bei der Entwicklung eines Reiseführers erforscht.
2.2 Anforderungen
Als langfristiges Ziel des Projekts wurde angegeben, dass die Applikation in der Lage sein
sollte, zu erkennen, an welcher physikalischen Position der Tourist sich aktuell befindet und
welchen Objekten er zugewandt ist. Ferner sollte die Applikation Fragen des Touristen
voraussehen und vorweggenommen beantworten. Schließlich sollte es dem Touristen möglich
sein, mit anderen Personen sowie der Umgebung in Interaktion zu treten.
Zu Beginn konzentrierte sich das Projekt allerdings nur auf einen Ausschnitt des Kontexts,
nämlich auf die Bestimmung der Position und räumlichen Orientierung der Mobileinheit und
damit des Benutzers. Die initialen Prototypen von Cyberguide fungierten hierbei als Führer
durch das Institutslabor während des monatlichen „Tags der offenen Tür“.
2.3 Konzepte und Architektur
2.3.1 Komponentenmodell
Um die geplante Entwicklung verschiedener Prototypen bestmöglichst zu unterstützen, stand
bei der Konzeption der Anwendung und beim Design der Softwarearchitektur ein modularer
Aufbau im Mittelpunkt. Ausgangspunkt waren Überlegungen, welche essentiellen Kompo-

49 Edgar Merl
nenten Bestandteil eines mobilen Reiseführers sein müssten. In der Folge wurde die Aufteilung
in vier unabhängige Module vorgenommen. Zur besseren Veranschaulichung der Komponenten
führte man zugleich eine Personifizierung der Module ein, die den Expertencharakter
der beteiligten Systeme betonen sollte. Die Kombination der folgenden Komponenten bildet
schließlich das Gesamtsystem:
• Kartograph (Landkartenmodul)
Der Kartograph besitzt genaue Kenntnis über die räumliche Umgebung. Er kennt den
Standort von Gebäuden und Sehenswürdigkeiten und besitzt Informationen über Zugangswege.
Diese Komponente wird durch eine oder mehrerer physikalische Karten realisiert.
• Bibliothekar (Informationsmodul)
Diese Komponente liefert inhaltliche Informationen über alle Sehenswürdigkeiten und
interessanten Objekte, auf die ein Tourist während seiner Tour treffen kann. Dabei kann
es sich sowohl um Beschreibungen von Gebäuden als auch um Lebensläufe von Personen
handeln, die in Verbindung mit dem aktuell besichtigten Objekt stehen. Der Bibliothekar
beantwortet spezifische Fragen („Von welchem Künstler ist das Bild“ oder „Welche seiner
Kunstwerke können noch in der Umgebung besichtigt werden“). Diese Komponente
wird als strukturierte Informationsbasis realisiert.
• Navigator (Positionsbestimmungsmodul)
Die Interessen und Informationsbedürfnisse der Besucher hängen sehr stark von ihrer aktuellen
Position ab. Aus diesem Grunde ist es wichtig, die exakte Position des Besuchers
zu kennen, um ihn über das Landkartenmodul mit einer Sicht auf die aktuelle Umgebung
versorgen zu können. Der Navigator ist für die Bereitstellung der aktuellen Position in der
augenblicklichen Umgebung zuständig. Er wird durch ein Modul realisiert, das genaue Information
über Position und Orientierung des Benutzers liefert.
• Bote (Kommunikationsmodul)
Ein Benutzer möchte Informationen empfangen und unter Umständen auch versenden.
Die Möglichkeit hierzu stellt ihm der Bote zur Verfügung. Beispielsweise könnte der Besucher
einer Ausstellung mit dem Künstler Kontakt aufnehmen wollen. Ist der Künstler
nicht präsent, so kann er über den Boten eine Nachricht für ihn hinterlassen. Um mit anderen
Nutzern in Verbindung treten zu können, kann jeder Tourist seine aktuelle Position an
einen zentralen Service übermitteln, auf den alle Nutzer zugreifen können. Ferner können
über den Boten auch Nachrichten an alle Nutzer verteilt werden („Der nächste Bus fährt in
15 Minuten“). Diese Komponente wird von einem Bündel von drahtlosen Kommunikationsdiensten
realisiert.
Das vorgestellte Komponentenmodell gewährleistet eine gute Erweiterbarkeit und Flexibilität
der zu entwickelnden prototypischen Anwendungen. Beispielsweise kann jederzeit über die
Ergänzung des Modells um einen Archivar nachgedacht werden, der den Tourverlauf und die
Reaktionen des Touristen dokumentiert. Ferner lässt sich die Implementierung einer Komponente
komplett austauschen ohne gravierenden Einflüsse auf andere Module zu nehmen.
Voraussetzung hierfür ist allerdings die exakte und stabile Definition von Schnittstellen zwischen
den einzelnen Modulen.

50 Beispiele ortsbasierter Dienste
Abbildung 21: Ein erster Cyberguide-Prototyp [AAH+97]
Abbildung 21 liefert einen visuellen Eindruck von Cyberguide und den implementierten Modulen.
Links im Bild sieht man das Landkartenmodul. Dem Benutzer steht eine zoom- und
scrollbare Karte des gesamten Institutslabors zur Verfügung. Ein Icon in Form einer Person
kennzeichnet seine eigene Position, Icons in Form von Sternen repräsentieren Sehenswürdigkeiten
bzw. interessante Objekte. In der rechten Bildhälfte ist das Informationsmodul dargestellt.
Durch Anklicken der Icons innerhalb des Landkartenmoduls werden die zu dem gewählten
Objekt verfügbaren Informationen angezeigt bzw. können abgerufen werden. In beiden
Oberflächen sind am unteren Rande Funktionen des Kommunikationsmoduls erkennbar.
2.3.2 Positionsbestimmung innerhalb von Gebäuden
Innerhalb von Gebäuden ist die Verwendung von GPS nicht möglich, da die hierfür benötigten
Satellitensignale nicht oder nur schwach zu empfangen sind. Bei der Konzeption eines
Positionsbestimmungsmoduls innerhalb der Gebäude ließ man sich deshalb von folgenden
Projekten beeinflussen, die sich bereits mit „indoor“-Positionsbestimmung beschäftigt hatten:
• PARCTab am Xerox Palo Alto Research Center [Want+95],
• Active Badge System des Olivetti Research Lab [WHFG92].
Zu Beginn wurde zur Positionsbestimmung das Active Badge System in Erwägung gezogen.
Aus Kostengründen und im Hinblick auf die langfristigen Ziele wurde jedoch auf diese Lösung
verzichtet. Grund hierfür war die Verquickung von Positionsbestimmung und Kommunikation
im Active Badge System. In der Architektur von Cyberguide sollten diese beiden
Aufgaben getrennt sein. Dadurch wurde es möglich, je nach Bedarf für jede der beiden Komponenten
speziell optimierte oder auch kostengünstigere Varianten auszuwählen.

51 Edgar Merl
Das zur „indoor“-Positionsbestimmung für Cyberguide entwickelte System basiert auf Infrarottechnik.
Abbildung 22 gibt ein Überblick über den Aufbau des Systems und die hieran beteiligten
Komponenten:
Abbildung 22: Positionsbestimmung mit Infrarotsystem [AAH+97]
Die abgebildete Variante basiert auf Infrarotsendern. Hierzu wurden an den Decken der Gebäude
herkömmliche TV-Fernbedienungen in einem rasterförmigen Muster angebracht. Jede
Fernbedienung sendet periodisch ein eindeutiges Muster (active beacon). Bewegt sich der
Tourist in den Empfangsbereich einer Fernbedienung, nimmt ein spezieller Infrarotempfänger,
der auf die Frequenz (40 kHz) der Fernbedienungen ausgerichtet ist, das Signal auf. Ein
mit dem Infrarotempfänger verbundener Mikrocontroller bestimmt daraus die Zelle, in der
sich die Mobileinheit befindet. Über ihren seriellen Port erhält die Mobileinheit vom Mikrocontroller
die entsprechende Information. Das Positionsmodul unterrichtet das Landkartenmodul
von der neuen Position, so dass diese in der Karte neu eingezeichnet werden kann.
Erste Erfahrungen im Einsatz von Cyberguide zeigten sehr schnell, dass weniger die absolute
Position des Anwenders von Nutzen ist, sondern vielmehr die Information darüber, welches
Objekt der Benutzer aktuell betrachtet. Deshalb wird versucht, anhand einer Historie der
letzten Positionen die Bewegungsrichtung und die Orientierung des Touristen einzuschätzen.
Als Mobileinheit fand in der „indoor“-Version der Apple MessagePad 100 mit Newton 1.3 als
Betriebssystem Verwendung. Auch hier fand das Kostenargument Anwendung. Das Ziel des
inkrementellen Prototyping vieler verschiedener Versionen konnte innerhalb des Projektes
nur durch geringe Hardwarekosten erreicht werden. Insbesondere im Hinblick auf die Mobileinheiten
war vorgesehen, eine größere Anzahl bereitzustellen, um möglichst viele Plattformen
für die Entwicklung und den Test der verschiedenen Prototypen bereitstellen zu können:

52 Beispiele ortsbasierter Dienste
Abbildung 23: Cyberguide „indoor“-Mobileinheit (Apple Newton)
Die technischen Daten des MessagePads lauten:
• Höhe x Breite x Länge: 19.05 x 114,3 x 184,75 mm
• Gewicht: 0,4 kg (ohne Batterien)
• LCD-Display, schwarz-weiß
• Auflösung von 336 x 240 Pixel
• Betriebsdauer mit Batterie 6-12 Stunden.
2.3.3 Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden
In einer späteren Phase des Projekts erfolgte die Erstellung von Prototypen für die Verwendung
auf dem Campusgelände und innerhalb der Stadt Atlanta. Neben der Beschäftigung mit
den zugrunde liegenden technischen Konzepten, sollte hier erneut der modulare Aufbau der
Anwendung einem Praxistest unterzogen werden. Neben dem Modul zur Positionsbestimmung
war in diesem Zusammenhang auch das Landkartenmodul durch eine geänderte Implementierung
zu ersetzen.
Zur Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden fand GPS Verwendung. Hierzu wurde in
einem Prototyp ein Trimble‘s Placer GPS 450/455 als mobile GPS-Einheit mit dem seriellen
Port des Apple MessagePad 100 verbunden. Auf den Cyberguide-Projektseiten findet sich der
Hinweis auf die Verwendung von differentiellem GPS (DGPS) durch Verwendung einer
Trimble's GPS Pathfinder® Community Base Station als stationärem GPS-Empfänger
[FCE03]. Aufgrund des überraschenden Abbruchs des Projekts fehlen jedoch leider genauere
Informationen zu den zuletzt erstellten Prototypen, so dass über die tatsächliche Verwendung
von DGPS nur spekuliert werden kann.
Die (Software-)Entwicklung der „outdoor“-Versionen erfolgte im Wesentlichen in einer Testumgebung
auf PC-Basis. In dieser Testumgebung fanden Borland’s Delphi und Microsofts
Visual Basic als Programmierumgebungen Verwendung. Als endgültige Plattform für die
„outdoor“-Version von Cyberguide war ein Apple MessagePad 2000 mit Newton 2.1 als Betriebssystem
vorgesehen. Dessen Einsatz konnte jedoch nicht mehr erfolgreich gelingen, da
zum Zeitpunkt der vorzeitigen Beendigung des Projekts, die Portierung des in der Testumgebung
entworfenen vektorbasierten Landkartenmoduls an der mangelnden Performanz der
Mobileinheit scheiterte.
2.4 Erfahrungen
Im Gegensatz zu den Vorgängerprojekten PARCTab und Active Badge erfolgte in Cyberguide
eine bewusste Trennung der Systeme zur Positionsbestimmung und Kommunikation.
Während in den Vorgängerprojekten die Mobileinheiten ihre Position an die Funkbaken (beacons)
übermittelten und die Positionsbestimmung zentral durchgeführt wurde, kennt in Cy-

53 Edgar Merl
berguide ausschließlich die Mobileinheit ihren eigenen Standort. Möchte man in einer Anwendung
dafür sorgen, dass die Mobileinheiten nicht nur ihren eigenen, sondern auch den
Standort anderer Einheiten kennen, so muss eine Form von Kommunikation zwischen ihnen
implementiert werden. Findet beispielsweise GPS Verwendung, so kann das Positionsbestimmungsmodul
alleine schon aus technischen Gründen nicht zur Kommunikation mit anderen
Mobileinheiten verwendet werden. Das nachfolgend beschriebene GUIDE-Projekt zeigt,
wie die Verwendung von Funknetzen beide Aufgabenbereiche abdecken kann.
2.5 Weiterentwicklung
Unter Berücksichtigung der Erfahrungen während der Arbeit an Cyberguide kommt das Projektteam
im Hinblick auf die langfristigen Ausgangsziele zum Schluss, dass folgende Eigenschaften
und Funktionen zentrale Bedeutung bei der künftigen Entwicklung mobiler kontextbewusster
Anwendungen haben werden:
• Visuelle Funktionen
Man sieht großes Potential in der Einführung erweiterter Realität (augmented reality) zur
Bereitstellung zusätzlicher Informationen über Displays. Über die Ausstattung der Mobileinheiten
mit visuellen Systemen ließe sich eine Verbesserung der Positionsmoduls erzielen,
indem das vom Benutzer betrachtete Objekt ermittelt werden kann. Denkbar wäre
auch, über Scanfunktionen in Verbindung mit Texterkennung und Übersetzungsfunktionen
den Reiseführer um eine „Dolmetscher“-Komponente zu erweitern.
• Direkte Anbindung der Mobileinheiten an das Internet
Viele der derzeit noch lokal oder auf eigenen Servern gehaltenen Informationen sind
ebenfalls im Internet verfügbar und werden somit redundant gehalten. Die Verbreitung
des Internets sorgt zudem für eine natürliche Vertrautheit im Umgang mit diesem Medium.
Ferner können auch andere auf dieser Technik basierenden Dienste (z.B. E-Mail)
genutzt werden.
• Erweiterung des betrachteten Kontextes
Hier steht insbesondere die Frage im Vordergrund, wie das Nutzerprofil vom System implizit
optimiert werden kann. Hierzu könnte beispielsweise das Erkennen der Reaktionen
des Nutzers auf Attraktionen (möglicherweise auch über visuelle Techniken) zählen. Auch
aufgrund der Historie der von ihm besichtigten Orte kann auf bestimmte Interessen und
Vorlieben des Nutzers geschlossen werden (dies wurde beispielsweise im nachfolgenden
Projekt GUIDE bereits versucht).
• Globales Positionsbestimmungskonzept
Die im Projekt Cyberguide entstandenen Prototypen waren exklusiv entweder für den
Gebrauch innerhalb oder außerhalb von Gebäuden nutzbar. Ziel wird sein, einem Touristen
einen mobilen Reiseführer an die Hand zu geben, der unabhängig von seiner aktuellen
Position bzw. Umgebung stets verfügbar ist.
• Schreibender Zugriff auf Informationsbasis
Das Bedürfnis eines Touristen, seine eigene Erfahrungen und Gedanken zu einem besichtigten
Objekt aufzuzeichnen, könnte beispielsweise über die Modifizierbarkeit der Informationsbasis
geschehen. Im Cyberguide-Projekt wurde bereits in diese Richtung experimentiert.
Es konnte ein Reisetagebuch erstellt werden, das neben der automatisch aufgezeichneten
Besichtigungsobjekte dem Touristen die Möglichkeit bot, mittels Digital- oder
Videokamera seine Eindrücke festzuhalten und dem Tagebuch hinzuzufügen.

54 Beispiele ortsbasierter Dienste
3 GUIDE
3.1 Einführung
Das GUIDE-Projekt wurde im April 1997 an der Lancaster University begonnen. Zu diesem
Zeitpunkt war das Cyberguide-Projekt das einzige Projekt, das sich ebenfalls der Erforschung
von mobilen kontextbewussten Reiseführern widmete. Wenngleich nach Ansicht des GUIDE-
Teams die Arbeit des Cyberguide-Teams zu sehr auf System- und Architekturdesign fokussiert
schien und dabei Fragen der Benutzerschnittstelle und der Interaktion zu wenig Beachtung
fanden, so wird das Cyberguide-Projekt doch als Basis und Motivation der Arbeit angegeben
[DCME01].
Das wesentliche Ziel bestand darin, ein System zu entwickeln, das in der Lage ist, auf einen
einzelnen Touristen individuell zugeschnittene Stadttouren zu erstellen. Konkret sollte das
System unter Berücksichtigung der inhaltlichen Interessen des Touristen, dessen verfügbarer
Zeit, seinem Aufenthaltsort, seinen finanziellen Verhältnissen, seiner Mobilität und den lokalen
Wetterverhältnissen eine jeweils geeignete Tour generieren. Für den Fall, dass sich einer
dieser Parameter ändert, sollte der Tour Guide die notwendigen Anpassungen selbständig
vornehmen.
3.2 Anforderungen
Um die Anforderungen an das zu erstellende System zu ermitteln, wurden eine Reihe von
Gesprächen und strukturierten Interviews mit den Mitarbeitern des örtlichen Tourismusbüros
(Lancaster Tourist Information Centre - TIC) geführt. Des Weiteren wurden einige Tage damit
verbracht, die Wünsche und Bedürfnisse der Besucher des TIC vor Ort durch Beobachtung
zu ermitteln. Diese Erhebungen führten zur Formulierung von vier wesentlichen Anforderungen
an das zu erstellende System [CDM+00]:
• Flexibilität
Das System sollte dem Nutzer eine möglichst große Flexibilität in seiner Bedienung ermöglichen.
Jeder Nutzer sollte die Möglichkeit besitzen, die Stadt entsprechend seinen
Bedürfnissen zu erforschen und kennen zu lernen. Beispielsweise sollte die Möglichkeit
einer geführten Tour genauso bestehen wie das Erkunden der Stadt auf eigene Faust. Das
System sollte also sowohl die Rolle eines intelligenten Stadtführers als auch die eines eher
passiven Reiseführers (einem Buch vergleichbar) übernehmen können. Keinesfalls sollte
sich der Besucher durch das System gegängelt oder unter Druck gesetzt fühlen. Er sollte
jederzeit die Freiheit haben, einen Tour zu unterbrechen und beliebig lange an Attraktionen
zu verweilen.
• Kontextabhängige Information
Die präsentierte Information sollte auf den aktuellen Kontext des Besuchers zugeschnitten
sein. Dabei sollte sowohl die persönliche Situation des Nutzers als auch die aktuellen
Rahmenbedingungen der Umgebung Berücksichtigung finden. Als persönlicher Kontext
sollten beispielsweise die Interessen des Benutzers (wie Vorlieben für Geschichte oder
Architektur) und seine aktuelle örtliche Position die bereitgestellte Information beeinflussen.
Als Beispiele für aus der Umgebung abgeleiteten Kontext sind die Tageszeit und die
Öffnungszeiten verschiedener Sehenswürdigkeiten zu nennen. Der verfügbare Kontext
sollte dabei nicht nur zur Generierung von Touren, sondern auch bei der Aufbereitung der
Information berücksichtigt werden. Beispielsweise sollte das System erkennen können,
dass ein Besucher zu einer bereits besichtigten Sehenswürdigkeit zurückgekehrt ist und
die Information daraufhin abstimmen.

55 Edgar Merl
• Verfügbarkeit von dynamischer Information
Neben den statisch abrufbaren Informationen wurde ein elementarer Bedarf zur Bereitstellung
dynamischer Information an den Besucher ermittelt. So sollte beispielsweise die
Möglichkeit bestehen, einen Nutzer über die Änderung von Öffnungszeiten zu informieren.
Oder über die Möglichkeit, eine Attraktion zu besuchen, zu der ihm der Zugang aufgrund
von Veranstaltungen zuvor verwehrt geblieben ist. Ferner könnten beispielsweise
auch die Tageskarten umliegender Restaurants für den Nutzer von Interesse sein.
• Bereitstellung interaktiver Dienste
Bei der Beobachtung der Aktivitäten der Besucher stellte sich heraus, dass eine überraschend
hohe Anzahl von Touristen wiederholt das Tourismusbüro aufsuchten. In den
meisten Fällen handelte es sich um den Wunsch nach einer speziellen Information oder
Nutzung von Diensten, die das Tourismusbüro bereitstellt. Überwiegend waren dies Reservierungen
und Buchungen, beispielsweise von Übernachtungsmöglichkeiten. Aus diesem
Grund sollte das System eine Möglichkeit zur elektronischen Kontaktaufnahme mit
dem Tourismusbüro über einen Nachrichtendienst bereitstellen. Insbesondere sollte hierüber
die Buchung und Reservierung von Veranstaltungen oder Übernachtungsmöglichkeiten
ermöglicht werden.
3.3 Konzepte und Architektur
Das System basiert auf Internet-Technik, portablen Endgeräten und einer zellbasierten Netzwerkinfrastruktur.
Die präsentierte Information wird sowohl auf das persönliche Profil des
Benutzers als auch auf seine aktuelle Umgebung zugeschnitten. Positionsinformation wird
von strategisch angeordneten Basisstationen ausgesendet. Daher bedeutet der Verlust der
Netzwerkverbindung auch den Verlust sämtlicher Positionsinformation. Um die Benutzerin
über den aktuellen Status der Positionsinformation auf dem Laufenden zu halten, stellt das
System neben der letzten bekannten Position auch die aktuelle Empfangsstärke dar. Sind
keine Positionsinformationen mehr verfügbar, wird unter Einbeziehung des Nutzers in einem
kooperativen Dialog die aktuelle Position neu justiert.
3.3.1 Mobileinheit
Als Anwenderterminal wurde ein Fujitsu TeamPad 7600 (Abbildung 24) ausgewählt, der mit
einer Lucent WaveLAN (neuerdings Orinoco)-Netzwerkkarte mit 2 Mbps Bandbreite nach
dem 802.11 Standard ausgestattet wurde.
Abbildung 24: Die GUIDE-Mobileinheit (Fujitsu TeamPad 7600)

56 Beispiele ortsbasierter Dienste
Der wesentliche Grund für die Auswahl der Mobileinheit war ein ausgewogenes Verhältnis
von Performanz und Größe und Gewicht des Geräts. Im einzelnen spielten folgende Kriterien
eine Rolle:
• Das Display bietet eine relativ hohe Auflösung: 800x600 Pixel.
• Das transflexive Display ist auch bei Sonnenlicht gut zu erkennen.
• Der TeamPad verfügt über ausreichende Prozessorleistung (Pentium 166 MMX) für den
Betrieb Java-basierter Anwendungen.
• Das Gewicht der Mobileinheit ist mit 850 Gramm noch akzeptabel.
• Mit Windows 95 kann ein Betriebssystem installiert werden, das u.a. die erforderlichen
Netzwerktreiber beinhaltet.
3.3.2 Netzwerk-Infrastruktur
Die in den Mobileinheiten verfügbaren Netzwerkkarten dienen zur drahtlosen Anbindung an
eine Reihe von Basisstationen, welche in der Nähe von bekannten Attraktionen über die gesamte
Stadt verteilt sind (Abbildung 25). Diese WaveLAN-Basisstationen decken jeweils eine
bestimmte Zelle (d.h. ein geographisches Gebiet) ab und senden ihrem Standort entsprechend
relevante Informationen.
Abbildung 25: Überblick über Verteilung der WaveLAN-Zellen [DCME01]
Bei diesen Basisstationen (Cell Server) handelt es sich um mit jeweils zwei Netzwerken verbundene
Linux-Server. Das eine Netzwerk verbindet die Server drahtlos mit den sich aktuell
in ihrer Zelle bewegenden Mobileinheiten, das andere ist fest verdrahtet und verbindet verschiedene
Server (Abbildung 26):
Abbildung 26: Die GUIDE-Netzwerkarchitektur [CMD02]

57 Edgar Merl
Jede Mobileinheit wird innerhalb der Zelle von der zugehörigen Basisstation über Broadcast
mit den Informationseinheiten versorgt, auf die innerhalb dieser Server-Zelle zuletzt häufig
zugegriffen wurde. Um die Performanz der Anwendung zu verbessern, werden diese Seiten
auf den Mobileinheiten in einem lokalen Cache bevorratet. Damit kann eine explizite Informationsanforderung
(per HTTP-Request) an den Zellserver nur auf die Fälle beschränkt bleiben,
in denen die Information lokal noch nicht vorhanden ist. Die Basisstationen wiederum
werden vom zentralen GUIDE Web-Server mit aktualisierten Informationen versorgt.
Zur Positionsbestimmung senden die WaveLAN-Server periodisch Funkbaken (beacons) aus.
Dabei handelt es sich um einfache Datagramme, die eine eindeutige Ortsbezeichnung (ID)
enthalten. Hierüber erhalten die Mobileinheiten die Information, in welcher der Zellen sie sich
gerade befinden. Im worst case liefert das System damit eine Genauigkeit von nur etwa 350
Metern im Rahmen der Positionsbestimmung. Hierbei handelt es sich um die Reichweite der
WaveLAN-Netzwerkkarten. Im allgemeinen ist auf Basis der 802.11-Funknetzwerktechnik
aber eine deutlich höherer Grad von Genauigkeit möglich. Dies liegt begründet in der relativ
schwachen Durchdringung von Gebäuden durch die Funksignale. Die im Zellgebiet vorhandene
Bebauung führt somit zu einer automatischen Begrenzung der Reichweite der Signale
und in der Folge zu einem individuellen Zuschnitt des Zellgebiets.
Schließlich dienen die Basisstationen noch als Gateways für interaktive Dienste wie beispielsweise
Buchungen oder Reservierungen.
3.3.3 Begründung der Architekturentscheidung
Als Alternative zur Verwendung der WaveLAN-Funknetzwerktechnik wurde die Nutzung
von GPS zur Positionsbestimmung in Betracht gezogen. Als positive Aspekte beim Einsatz
von GPS wurden folgende Punkte eingeschätzt:
• Die tatsächlich globale Verfügbarkeit von GPS, die eine komplette Abdeckung des Stadtgebiets
ermöglicht hätte.
• GPS-Empfangseinheiten sind relativ kompakt und handlich.
• Der Einsatz von GPS kann relativ kostengünstig erfolgen.
Dem standen aus Sicht der Entwickler von GUIDE aber auch verschiedene Nachteile gegenüber:
• Die Verfügbarkeit einer ausreichenden Zahl von Empfangssatelliten muss für den Betrieb
gewährleistet sein.
• Damit ist die Verwendung von GPS innerhalb von Gebäuden bereits ausgeschlossen.
• Aber auch innerhalb von dicht bebauten Städten kann es zu Empfangsproblemen kommen.
Nachdem man sich ursprünglich für GPS entschieden hatte, kam man in der Folge zu der Einschätzung,
dass die zusätzliche Installation von GPS gegenüber dem bereits vorhandenen
Funknetzwerk keine signifikanten Vorteile bieten würde. Die erreichbare Genauigkeit der
WaveLAN-Technik (zumeist im Bereich von 50 bis 100 Metern) wurde als ausreichend für
die in der Anwendung vorgesehene ortsbezogenen Funktionalität eingeschätzt. Insbesondere
wurde festgestellt, dass eine höhere Genauigkeit wie bei GPS keine Aussage darüber zulässt,
über welche der Sehenswürdigkeiten in seiner unmittelbaren Umgebung der Nutzer Informationen
erhalten möchte. Hierzu müsste das System in der Lage sein zu erkennen, wohin der
Blick des Besuchers aktuell gerichtet ist. Da ferner über GPS keine Möglichkeit zur Kommunikation
besteht, hätte die Einführung von GPS die Verwendung des WaveLAN-Netzes auch
nicht obsolet gemacht.

58 Beispiele ortsbasierter Dienste
3.4 Erfahrungen
Nach der Implementierung und Installation des GUIDE-Systems startete eine Feldstudie, in
der über vier Wochen hinweg insgesamt 60 Touristen zu ihren Erfahrungen im Umgang mit
dem System befragt wurden. Ziele der Interviews und Beobachtungen war, verschiedene Aspekte
wie beispielsweise die Akzeptanz durch den Benutzer und Erfahrungen mit der Granularität
der Positionsbestimmung näher zu beleuchten.
Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie waren:
• Die große Mehrheit (59/60) fand Gefallen an der Nutzung und im Umgang mit dem System
zur Erkundung der Sehenswürdigkeiten und Attraktionen der Stadt.
• Alle Nutzer schätzten die Information über ihren aktuellen Standort und die Navigationsfunktionen
als nützlich und verlässlich ein.
• Die Mehrheit (45/60) war zufrieden mit Größe und Gewicht der Mobileinheit.
• Auch die Mehrheit der Nutzer ohne Weberfahrung (21/22) hatte keine Probleme im Umgang
mit und bei der Bedienung der Anwendung.
• “Jüngere” Nutzer (10-20) waren aktiver in der Nutzung, d.h. sie riefen im Schnitt doppelt
so viele Informationen aus dem System ab, als andere Benutzergruppen.
Weitere Erfahrungen in der Folgezeit zeigten, dass die automatischen Tourenvorschläge des
Systems eher abgelehnt wurden. Der Grund liegt im wesentlichen im Initialaufwand durch die
explizite Eingabe der persönlichen Präferenzen. Hieran lässt sich gut erkennen, wie elementar
die implizite Erstellung eines Anwenderprofils für die allgemeine Akzeptanz personalisierter
Systeme ist. Später fix programmierte Standardtouren wurden gut angenommen.
3.5 Weiterentwicklung
Zum Zeitpunkt der Konzeption waren zellbasierte Systeme noch nicht verfügbar. Einer der
Vorteile dieser Systeme liegt in der höheren Genauigkeit aufgrund der kleineren Zellgrößen.
Derzeit wird im Projekt GUIDE II die Erweiterung von GUIDE um mikro-zellulare Techniken
(wie Bluetooth) vorgenommen [CMSD00].
Der Wunsch nach einer höheren Genauigkeit resultiert unter anderem aus der vorgesehenen
Erweiterung von GUIDE um die Möglichkeit zur sozialen Kooperation und Interaktion der
Nutzer. Mehrere Anwender, zum Beispiel Mitglieder einer Reisegruppe, sollen untereinander
oder auch mit dem Touristen-Informationsbüro Nachrichten austauschen können. Ferner sollen
die künftigen GUIDE-Nutzer z.B. virtuelle Notizen an bestimmten Orten hinterlegen können,
so dass eine Art Erlebnisforum für die jeweiligen Orte entsteht. Auch soll über diese Mechanismen
der eigene Standort an die anderen Gruppenmitglieder übermittelt werden können.
Spätestens hier kommen allerdings die üblichen Fragen in Zusammenhang mit dem Schutz
der Privatsphäre und der Vertraulichkeit ins Spiel.
4 Ausblick und aktuelle Projekte
Der Branchenverband Eco kommt in einer aktuellen Studie zu dem Ergebnis, dass ortsbasierte
Dienste entscheidend für die gesamte Mobilfunkbranche und ein Schlüsselfaktor für den Erfolg
des Mobile-Business sein werden [ECO03]. Die Anwendungen im Bereich ortsbasierter
Dienste seien allerdings bei weitem noch nicht ausgereift. Den befragten Experten zufolge,
werden sich Nachfrage und Angebot von Anwendungen innerhalb der kommenden Jahre
erheblich verstärken. 80 Prozent der Befragten rechnen im Jahr 2005 mit dem endgültigen
Durchbruch von ortsbasierten Diensten. Als wichtigste Branche für den Einsatz von ortsbasierten
Diensten wurde dabei mit 96 Prozent der Bereich Touristik genannt. Dies lässt ver-

59 Edgar Merl
muten, dass die Entwicklung mobiler kontextbewusster Reiseführer künftig verstärkt im
Blickpunkt des Forschungsinteresses stehen wird.
Ein aktuelles Projekt, das in diesem Zusammenhang interessant erscheint, sei abschließend
noch kurz erwähnt:
Im Mai 2002 wurde mit m-ToGuide - a mobile Tourism Guide - ein von der Europäischen
Union (EU) gefördertes Projekt vorgestellt, welches die Entwicklung eines mobilen europäischen
Reiseführers zum Ziel hat [MTG03]. Ab Mai 2003 (oder August 2003) werden für
sechs Monate erste Praxistests in Madrid, London und Siena durchgeführt. Der Reiseführer
basiert auf einem PDA und verwendet GPS zur Positionsbestimmung. Abhängig von der Position
sollen dem Benutzer ortsbezogene Informationen und Dienstleistungen auf Basis von
UMTS oder GPRS zur Verfügung gestellt werden. Unter anderem sollen Audio und Video-
Clips über Sehenswürdigkeiten, Informationen über aktuelle Veranstaltungen und die Nutzung
von Diensten von Flughäfen und Verkehrsunternehmen bereitgestellt werden. Insbesondere
sollen Reservierungen und Buchungen von Leistungen möglich sein. Die Berücksichtigung
von Interessen und Vorlieben des Benutzers soll eine personalisierte Aufbereitung der
zur Verfügung gestellten Informationen und Dienstleistungen ermöglichen. Insgesamt 17
Unternehmen aus sechs europäischen Ländern, die in den Bereichen der Touristik, mobilen
Kommunikation, Telekommunikation, IT-Beratung und Geomantik tätig sind, beteiligen sich
an dem von der EU geförderten Projekt.
Referenzen
[AAH+97] Abowd, G. D.; Atkeson, C. G.; Hong, J.; Long, S.; Kooper, R.; Pinkerton, M. (1997):
Cyberguide: A mobile contextaware tour guide,
Baltzer/ACM Wireless Networks, Band 3 (5), 1997, Seiten 421-433
[CDM+00] Cheverst, K.; Davies, N.; Mitchell, K.; Friday, A.; Efstratiou, C. (2000):
Developing a Context-aware Electronic Tourist Guide: Some Issues and Experiences,
In Proceedings of CHI‘00, Netherlands, April 2000, pp 17-24, ACM Press.
[ChKo00] Chen, G.; Kotz, D. (2000):
A Survey of Context-Aware Mobile Computing Research,
Dartmouth Computer Science Technical Report TR2000-381, 11/2000.
[CMD02] Cheverst, K.; Mitchell, K.; Davies, N. (2002):
The Role of Adaptive Hypermedia within a Context-Aware Tourist GUIDE,
Communications of the ACM, special issue on adaptive Web-based systems and
adaptive hypermedia. Vol. 45, No 5, pp. 47-51. May 2002.
[CMSD00] Cheverst, K.; Mitchell, K.; Smith, G.; Davies, N. (2000):
Exploiting Context to Support Social Awareness and Social Navigation,
In Proceedings of the Workshop on 'Awareness and the WWW' at CSCW '00,
Philadelphia, 2nd Dec 2000.
[DCME01] Davis, N.; Cheverst, K.; Mitchell, K.; Efrat, A. (2001):
Using and Determining Location in a Context Sensitive Tour Guide,
IEEE Computer,Vol. 34, pp 35-41, 08/2001.
[ECO03] Verband der deutschen Internetwirtschaft (2003):
eco-Studie: Location-Services erfolgskritisch für M-Business,
http://www.eco.de/servlet/PB/menu/1204471/index.html (Stand: 25.03.2003).
[FCE03]
Future Computing Environments (FCE) Group am Georgia Institute of Technology:
Cyberguide Project Page,
http://www.cc.gatech.edu/fce/cyberguide/ (Stand: 25.03.2003).

60 Beispiele ortsbasierter Dienste
[MTG03] Mobile Tourism Guide Partner:
m-ToGuide
http://www.mtoguide.org (Stand: 25.03.2003)
[SAW94] Schilit, B.; Adams, N.; Want R. (1994):
Context-aware computing applications,
In Proceedings of IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications,
Santa Cruz, California, December 1994, pages 85-90, IEEE Computer Society Press.
[Want+95] Want, R. et al. (1995):
An Overview of the PARCTAB Ubiquitous Computing Environment,
IEEE Personal Communications, vol 2, no 6, Dec 1995, pp. 28-43.
[WHFG92] Want, R.; Hopper, A.; Falcao, V.; Gibbons, J. (1992):
The Active Badge Location System,
ACM Transactions on Information Systems 10(1) pp. 91-102.

Ortsbasierte Dienste mit Mobilfunk
Andreas Werlemann
Zusammenfassung: Bei ortsbasierten Diensten werden die den Anwender interessierenden
Informationen anhand dessen Position spezifiziert. Ortsbasierte Dienste können in
Mobilfunknetzen bereitgestellt werden. Diese Arbeit stellt die technischen Voraussetzungen,
insbesondere die wichtigsten Verfahren zur Positionsbestimmung, ortsbasierter
Dienste in Mobilfunknetzen dar. Diese Verfahren eignen sich in unterschiedlichem Maße
für die diversen ortsbasierten Dienste, von denen einige exemplarisch dargestellt werden.
1 Einleitung
Bei ortsbasierten Diensten oder Location Based Services (LBS) handelt es sich um auf den
Standort des Anwenders bezogene Anwendungen [DB03; Ba01; Di01]. D.h. bei LBS kann
ein elektronisches Informationssystem die Relevanz von Informationen bezüglich des Standorts
des Anwenders beurteilen [Bae02]. Ortsbasierte Dienste werden u.a. im Rahmen von
Mobilfunknetzen bereitgestellt [Se01]. LBS gelten neben UMTS als die Zukunftstechnologie
im Bereich des Mobilfunks [Ba01].
2 Technische Voraussetzungen
Ortsbasierte Dienste werden u.a. in Mobilfunknetzen betrieben [Se01]. Als Mobilfunk wird
die funktechnische Übertragung von einem mobilen Sender (Mobilfunkendgerät, sog. Handy)
oder einem stationären Sender (Basisstation) zu einem mobilen Empfänger (Mobilstation)
bezeichnet [Li99]. Für sicherheitskritische Anwendungen oder bei Notwendigkeit globaler
Abdeckung durch das System ist ein Satellitennetzwerk (z.B. Inmarsat C oder D+) erforderlich,
während das GSM-Mobilfunknetz hingegen nicht ausreicht [DB03]. Gleichwohl soll im
Folgenden das GSM-Mobilfunknetz angenommen werden. Der Anbieter des ortsbasierten
Dienstes sowie der Betreiber des Mobilfunknetzes können identisch oder auch voneinander
unabhängig sein. Unabhängige Dienstanbieter müssen mit den einzelnen Netzbetreibern
jeweils separate Verträge abschließen, wenn sie ihre ortsbasierten Dienste allen Mobilfunkkunden
anbieten wollen [Se01]. Gleichzeitig unterhält heutzutage jeder Netzbetreiber (D1,
D2, E1 und E2) ein eigenes Portal für ortsbasierte Dienste, die nur von den eigenen Kunden
genutzt werden können [Se01; BG01]. Erster Anbieter im deutschen Markt für LBS war D2
[BG01].
Nahezu alle Anbieter ortsbasierter Dienste setzen für die Nutzung ihrer Dienste ein auf ihrem
WAP-Portal registriertes GSM-Handy mit WAP als Benutzeroberfläche voraus [Se01]. Für
die Nutzung eines Teils der ortsbasierten Dienste von Viag Interkom und Vodaphone reicht
anstelle eines WAP-fähigen Handys jedes SMS-fähige Mobilfunkendgerät aus [BG01]. Dabei
erfolgen sowohl die Suchanfrage als auch die Übermittlung des Suchergebnisses per SMS
[Ba01], einem von GSM spezifizierten Teleservice mit der Fähigkeit, Textnachrichten mit
einer maximalen Länge von 160 Zeichen zu übertragen [Bi02]. Dem Vorteil der Vertrautheit
der Anwender mit dem SMS-Dienst, steht die Beschränkung auf textbasierte Daten als Nachteil
von SMS gegenüber. Zudem ist das Verhältnis von übertragener Information zu Kosten
für den Anwender bei SMS relativ ungünstig, so dass dieses Verfahren insbesondere für solche
Anwendungen ausscheidet, bei denen in regelmäßigen zeitlichen Abständen Informationen
übermittelt werden müssen [DB03]. Obwohl WAP-Handys im Gegensatz zu nur SMSfähigen
Handys nicht auf Textnachrichten beschränkt sind [DB03], besteht auch bei WAP-

62 Ortsbasierte Dienste mit Mobilfunk
fähigen Handys das Problem der begrenzten Darstellbarkeit graphischer Informationen.
Hochauflösende Farbdisplays wären hier wünschenswert. Teilweise werden auch sprachgesteuerte
LBS prognostiziert, bei denen die bis dato lediglich über WAP-Seiten abrufbaren
Informationen über Sprachportale zugänglich gemacht werden, d.h. die Kommunikation zwischen
Benutzer und Portal vollständig mittels Spracherkennungs- und Sprachsynthesesysteme
abläuft [Ba01].
Ortsbasierte Dienste erlangen ihren besonderen Nutzen durch den Ortsbezug der übermittelten
Information. Dabei könnte der Standort vom Anwender zwar grundsätzlich auch z.B. manuell
über die Tastatur des Mobilfunkendgeräts vorgegeben werden [DB03], die automatische Bestimmung
des Standorts des Anwenders stellt jedoch einen Komfortgewinn durch LBS dar
[Ba01]. Für die Zwecke dieser Arbeit wird die zweite Alternative angenommen. Im dritten
Abschnitt werden derartige Verfahren der Positionsbestimmung vorgestellt.
Unabhängig von dem verwendeten Verfahren der Positionsbestimmung stellt das Ergebnis
eine Koordinate ggf. mit einer Angabe zur Genauigkeit dar. Diese Angabe erlangt ihren Wert
z.B. durch Beschreibung relativ zu einer bekannten Örtlichkeit. Für viele Anwendungen (z.B.
zu Navigationszwecken) ist die sinnvollste Wiedergabe von Positionsangaben graphischer
Natur. Eine Möglichkeit ist eine Landkarte. Die hierfür notwendigen Daten können entweder
in Form einzelner Rasterpunkte oder als Vektoren beschrieben sein: die Darstellung mittels
Rasterpunkte ist detaillierter, die Darstellung mittels Vektoren erfordert ein geringeres Datenvolumen
und ist somit schneller zu übertragen. Mehrere Datenformate auf Basis von XML
sind entwickelt worden, die ggf. in Kombination für eine konkrete Anwendung genutzt werden.
Die Karte selbst wird üblicherweise durch Überlagern mehrerer Schichten aufgebaut.
Diese Schichten stellen jeweils bestimmte Elemente der Topographie dar [DB03].
Neben dem Mobilfunknetz bzw. dem zugehörigen Mobilfunkendgerät sowie den Verfahren
der Positionsbestimmung werden Inhalte sowie redaktionelles know-how für die geeignete
Präsentation dieser Inhalte benötigt [Bae02]. Inhalte werden von Partnern geliefert, mit denen
die Portalbetreiber kooperieren [BG01]. Konkrete Beispiele ortsbasierter Dienste werden im
vierten Abschnitt dieser Arbeit gegeben. Dort wird auch der Versuch einer Systematisierung
ortsbasierter Dienste unternommen.
Die Mobilfunkbetreiber verfügen über die Kenntnis der Position des Anwenders und können
für diese Information ein Entgelt der Anbieter von LBS-Inhalten verlangen. Gleichzeitig befinden
sich die Mobilfunkbetreiber in der Lage, Zahlungsdienste anzubieten und die Endabrechnung
für die Anwender vorzunehmen [DB03]. Die Abrechnung der Dienste erfolgt i.d.R.
über die WAP-Gebühren. Im Falle unabhängiger Dienstanbieter werden die WAP-Gebühren
zwischen dem Netzbetreiber und dem Dienstanbieter geteilt [Se01]. Die Anwender müssen
sich daher nicht bei jedem einzelnen unabhängigen Anbieter ortsbasierter Dienste registrieren
lassen [DB03]. Im Gegensatz zu der leitungsvermittelten Übertragung von GSM ermöglicht
GPRS eine packetvermittelte Übertragung [Bi02]: während bei den heute noch üblichen
GSM-Handys in Abhängigkeit von der Nutzungszeit abgerechnet wird, bieten GPRS-Handys
eine zeitunabhängig abgerechnete Übertragungstechnik. Viag Interkom eröffnet seine LBS
zudem auch Kunden mit LOOP-Prepaid-Karte [BG01].
Den zahlreichen mobilen Positionssystemen und Technologien fehlt es oftmals an Interoperabilität.
Vor diesem Hintergrund haben im Oktober 2000 die Firmen Ericsson, Motorola und
Nokia das Location Interoperability Forum (LIF) gegründet, um Empfehlungen zur Herstellung
von Interoperabilität durch standardisierte Zugangsprozesse zu erarbeiten [Di01]. LIF
kooperiert zudem mit der neuen Open Mobile Alliance (OMA), die die Arbeit der Open Mo-

63 Andreas Werlemann
bile Architecture Initiative und des WAP-Forums fortführt und die große Bedeutung bei der
Entwicklung zahlreicher UMTS-Anwendungen einschließlich LBS hat [AAB03].
3 Verfahren der Positionsbestimmung
3.1 Ansätze einer Systematisierung
Ortsbasierte Dienste verwenden eines von mehreren verfügbaren Verfahren zur Positionsbestimmung,
die alle ihre Beschränkungen haben. Bei einigen muss das Mobilfunkgerät, mindestens
jedoch die SIM-Card, bei anderen die Netzwerkinfrastruktur geändert werden [DS01].
Eine denkbare Systematisierung [RG02] unterscheidet
• auf der Mobilfunkeinheit basierende Verfahren von
• netzwerkbasierten Verfahren.
Bei auf der Mobilfunkeinheit basierenden Verfahren wird die Position dezentral durch das
mobile Endgerät berechnet. Dabei werden solche Informationen berücksichtigt, die von Seiten
des Netzwerks zur Verfügung gestellt werden. Bei netzwerkbasierten Verfahren wird die Position
zunächst innerhalb des Netzwerks z.B. durch eine zentrale Auswerteeinheit ermittelt.
Anschließend wird die Position an das mobile Endgerät übertragen.
Einzelne Verfahren (z.B. Cell-ID-Verfahren, vgl. 3.2) können jedoch sowohl netzwerk- als
auch endgerät-basiert sein [DS01], so dass eine an diesem Kriterium orientierte Systematisierung
nicht eindeutig ist.
Eine an den unterschiedlichen Funktionsweisen bzw. verwendeten technischen Wirkungsprinzipien
orientierte Systematisierung [Ro03] unterscheidet Verfahren, die
• an der Richtung, aus der ein Signal empfangen wird, oder
• an der Laufzeit eines Signals vom Sender zum Empfänger oder
• an der auf dem Weg vom Sender zum Empfänger zu verzeichnenden Signalabschwächung
oder
• an der begrenzten Reichweite drahtloser Übertragungstechnologien
• ansetzen.
Im Folgenden sollen primär die drei praktisch wichtigsten Verfahren vorgestellt und soll auf
weitere Verfahren nur kurz eingegangen werden.
3.2 Cell-ID
Das als Cell of Origin (COO) [RG02], Cell Global Identity (CGI) [Ro03] oder Cell-ID bezeichnete
Verfahren gelangt in Positionierungssystemen mit Zellenstruktur zur Anwendung
und basiert auf dem Umstand, dass drahtlose Übertragungstechnologien eine begrenzte
Reichweite haben, ein gesendetes Signal also nur in einem begrenzten Bereich, der Zelle,
empfangen werden kann [Ro03]. Bei der Funkzelle handelt es sich um den kleinsten geographischen
Funkversorgungsbereich. Dieser wird von einer Basisstation bedient, deren Sendeleistung
die Größe der Funkzelle determiniert [Li99]. In jedem Moment ist das Mobilfunkgerät
bei einer Basisstation angemeldet [DB03]. Das Verfahren basiert auf der Annahme, dass
sich das mobile Endgerät geographisch in derjenigen Zelle befindet, die durch die Basisstation,
bei der das Mobilfunkgerät angemeldet ist, am besten bedient werden kann [DS01]. Die
Hauptschwierigkeit dieses Verfahrens liegt in der korrekten Vorhersage der geographischen
Abdeckung der Zellen, da die „beste“ Basisstation nicht immer die physikalisch am nächsten
gelegene ist. Die Verlässlichkeit und Genauigkeit der erhaltenen Position hängen von der Präzision
der Vorhersage der Funkverhältnisse ab [DS01]. Die Lokalisierung des Handys mittels

64 Ortsbasierte Dienste mit Mobilfunk
Cell-ID ist um so genauer, je kleiner die Zelle ist [DS01]. Bei der Festlegung der Funkzellengröße
werden die geographischen Gegebenheiten und die Anzahl der zu versorgenden Mobilfunkteilnehmer
berücksichtigt, d.h. in Ballungsgebieten haben die Funkzellen deutlich geringere
Abmessungen als in ländlichen Gebieten [Li99]. Während die Größe der Funkzellen in
städtischen Gegenden typischerweise bei rund 500m liegt, kann sich diese in ländlichen Gegenden
auf bis zu 15km erhöhen [DB03]. Die Geschwindigkeit des Verfahrens liegt üblicherweise
bei 3sec. [RG02]. Der wesentliche Vorteil des Verfahrens besteht in den niedrigen
Aufbau- und Betriebskosten sowie in dem Umstand, dass keine speziellen Entwicklungen für
das Mobilfunkgerät benötigt werden [DS01].
Eine weitergehende Eingrenzung auf einen Kreissektor wird durch die ergänzende Anwendung
des unten dargestellten Verfahrens Angle of Arrival ermöglicht [Ro03]. Da eine Funkzelle
üblicherweise von mehreren Antennen gebildet wird, die für jeweils ein Teilsegment der
Zelle zuständig sind, kann der Standort des Handys über die zuständige Antenne weiter eingegrenzt
werden [DB03; Ba01].
3.3 E-OTD
Enhanced Observed Time Difference (E-OTD) verwendet Triangulation zur Positionsbestimmung
[DB03]. Dabei wird von mindestens drei Basisstationen ein Funksignal ausgesendet.
Das Mobilfunkendgerät misst die Laufzeiten der Signale und übermittelt die daraus errechneten
Laufzeitdifferenzen an eine zentrale Auswerteeinheit (Mobile Location Center).
Diese kann aus den übermittelten Laufzeitdifferenzen die Position des Mobilfunkendgeräts
bestimmen [RG02]. Zusätzlich werden die Signallaufzeiten von den Basisstationen zu der
Mobilstation mit der Signallaufzeit von den Basisstationen zu einer Location Measurement
Unit (LMU), deren Abstand zu den Basisstationen bekannt ist, verglichen [DB03]. E-OTD
gelangt insbesondere im Zusammenhang mit GSM-Netzen zur Anwendung [Ro03]. E-OTD
ermöglicht eine Steigerung der Genauigkeit gegenüber Cell-ID um den Faktor 10 [DB03].
Die Angaben zur Genauigkeit des Verfahrens variieren von ca. 150-500m [DS01] bis ca. 30m
[Ba01]. Die Antwortgeschwindigkeit liegt bei 5sec. [RG02]. Das Verfahren erfordert jedoch
zugleich signifikante Investitionen des Mobilfunkbetreibers sowie ein geringes Softwareupdate
für die Mobilstationen [DB03, DS01, RG02].
3.4 Positionsbestimmung mittels GPS
3.4.1 Allgemein
Beim sog. Global Positioning System (GPS) handelt es sich um ein satellitengestütztes globales
System zur Positionsbestimmung [Ro03]. Dieses wurde seit 1978 vom US-amerikanischen
Verteidigungsministerium ursprünglich zu militärischen Zwecken entwickelt und in
1995 als ein aus 24 Satelliten bestehendes System für voll funktionstüchtig erklärt. Lieferte
GPS für zivile Zwecke zunächst nur Positionsangaben mit eingeschränkter Genauigkeit (sog.
selective availability), so wurde die künstliche Einschränkung der Genauigkeit am 01.05.2000
mitternachts abgeschaltet, so dass seitdem für jedermann Positionsangaben mit einer Genauigkeit
von 3-15m erhältlich sind [DB03, Ro03]. Ein europäisches Parallelsystem namens
GALILEO ist im Aufbau befindlich [Ro03]. Dieses soll in 2008 zur Verfügung stehen und
sich durch höhere Verfügbarkeit und Genauigkeit auszeichnen [AAB03].
Bei der Positionsbestimmung unter Nutzung des Global Positioning System (GPS) erzeugen
Satellit und Empfänger zu exakt derselben Zeit ein Signal, sog. Pseudo Random Code. Der
Empfänger vergleicht bei Empfang des vom Satelliten generierten Signals dieses mit dem

65 Andreas Werlemann
selbst erzeugten Signal. Der dabei festzustellende Zeitversatz entspricht der Laufzeit [RG02,
Ro03]. Hieraus berechnet der Empfänger die Entfernung x zum Satelliten, so dass bei bekannter
Position des Satelliten die Position des Empfängers als auf einer durch den Radius x
beschriebenen Halbkugel befindlich festgelegt wird. Durch die Messung eines weiteren Satelliten
kann der potentielle Standort des Empfängers auf die Schnittfläche von zwei Halbkugeln
reduziert werden. Nach Messung der Entfernung zu einem dritten Satelliten kann sich die
Position nur noch an zwei möglichen Punkten befinden, davon ein Punkt, der zu weit von der
Erdoberfläche entfernt ist [DB03, Ro03]. Für eine Positionsbestimmung in drei Dimensionen
sind genau 4 Satelliten bzw. von diesen ausgesandte Signale erforderlich [Ro03, DB03]. Bei
sog. Assisted GPS (A-GPS) werden die Messwerte über Mobilfunk zwecks Positionsberechnung
zu einer zentralen Auswerteeinheit übermittelt [RG02]. Die Genauigkeit liegt bei ca. 3-
15m [DB03].
GPS ist aufgrund eines schwachen Signals innerhalb von Gebäuden und zwischen hohen Gebäuden
(sog. urban canyon) nicht verfügbar [DB03]. Darüber hinaus erfordert die Nutzung
des GPS zur Positionsbestimmung die Integration eines vollständigen Satellitenempfängers in
das Mobilfunkendgerät [DS01]. Allerdings ist die Integration der GPS-Komponente relativ
kostengünstig und sind keine Modifikationen am Netz erforderlich [RG02].
3.4.2 Differential GPS
Beim Durchlaufen von Ionosphäre und Troposphäre kann es zu leichten Verzögerungen des
Satelliten-Signals kommen [DB03]. Daher wird bei Differential GPS (D-GPS) ein Netzwerk
stationärer Empfänger mit exakt bekannter Position als Referenz verwendet: Indem der stationäre
Empfänger unter Verwendung von GPS seine Position berechnet und die Abweichung
der gemessenen von der tatsächlichen Position bestimmt, lässt sich die Genauigkeit der GPS-
Positionsbestimmung feststellen bzw. ein Korrekturfaktor berechnen. Dieser Korrekturfaktor
wird sodann an die mobilen Empfänger übermittelt, damit diese ihre Positionsberechnungen
entsprechend korrigieren können [DB03, RG02, Ro03]. Die Genauigkeit liegt bei ca. 5m
[RG02]. Das Verfahren erfordert die Installation eines Referenzservers im Netzwerk, die Investitionen
sind jedoch geringer als bei E-OTD [DS01].
3.5 Sonstige Verfahren
3.5.1 Angle of Arrival
Antennen mit Richtungscharakteristik können die Richtung ermitteln, aus der ein bestimmtes
Signal eintrifft [Ro03]. Bei dem Verfahren Angle of Arrival (AOA) – auch direction finding
genannt - messen mindestens zwei Antennen bzw. Basistransmitterstationen die Richtung, aus
der das vom mobilen Endgerät ausgestrahlte Signal stammt. Diese Messwerte werden an eine
zentrale Auswerteeinheit übermittelt und dort zur Berechnung der Koordinaten verwendet
[RG02].
3.5.2 Signal Attenuation
Bei Signal Attenuation (SA) übermittelt das Mobilfunkendgerät eine Information über die
Stärke des empfangenen Signals an die Basisstation. Indem an dieser zugleich die Information
über die tatsächliche Stärke des Signals vorliegt, kann anhand der als Differenz feststellbaren
Signalabschwächung die Entfernung des Mobilfunkendgeräts zur Basisstation geschätzt werden.
Dieses Verfahren besitzt kaum praktische Relevanz [RG02].

66 Ortsbasierte Dienste mit Mobilfunk
3.5.3 Radio Camera System
Das Verfahren Radio Camera System bzw. Location Fingerprinting Technology basiert auf
dem Prinzip der Mustererkennung. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass das aus einer
bestimmten geographischen Lage gesandte Signal (eines Funktelefons) ein bestimmtes Muster
(finger-print) besitzt, das mit den in einer Datenbank gespeicherten Mustern verglichen
und bei Übereinstimmung erkannt werden kann [RG02].
4 Inhalte ortsbasierter Dienste
4.1 Überblick
Ortsbasierte Dienste lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen. Zum einen existieren
Dienste, bei denen der Anwender einmal seine Position abfragt, um diese Angabe anschließend
wiederholt für Anfragen ortsabhängiger Informationen zu verwenden. Dabei handelt es
sich um Dienste, die zur Lokalisierung des eigenen Standorts (Navigation) oder nahegelegener
Ziele dienen. Zum anderen existieren Dienste, die die Position eines bestimmten Objekts
verfolgen, nachdem sie durch das Erfüllen einer zuvor festgelegten Bedingung ausgelöst wurden.
Die Bedingung kann beispielsweise das Überschreiten der Zellengrenzen innerhalb eines
Mobilfunknetzes oder das Absenden eines Notrufs sein [DB03]. Die Unterscheidung wird
also danach getroffen, ob der Anwender seine eigene Position bestimmt oder ob Dritte die
Position des Anwenders bzw. der mobilen Einheit bestimmen.
Eine Aufzählung ortsbasierter Dienste, die sich am Marktpotential orientiert, [DS01] unterscheidet
• Informationsdienste,
• Notrufdienste (z.B. Pannenhilfe),
• Dienste zur Überwachung / zum Tracking von Fahrzeugflotten, etc. (B2B-Dienst) und
• Dienste, mit denen der Mobilfunknetzbetreiber seine Dienste optimieren kann (z.B.
Optimierung des Pricing).
Informationsdienste unterteilen sich dabei weiter in Business-to-Consumer-Dienste (B2C),
Consumer-to-Business-Dienste (C2B) und Consumer-to-Consumer-Dienste (C2C):
• B2C-Dienste ermöglichen Unternehmen, Angebote an Anwender in einer bestimmten
Region zu senden.
• Bei C2B-Diensten veranlasst der Anwender die Bestimmung der eigenen Position, um
Informationen über Angebote (z.B. Gaststätten, Tankstellen) in seiner unmittelbaren Umgebung
abzufragen.
• C2C-Dienste ermöglichen es dem Anwender, bestimmte Personen bzw. weitere zu einer
bestimmten Gruppe gehörende Anwender zu lokalisieren, die sich in einer bestimmten
Region aufhalten.
Die meisten Informationsdienste verwenden Cell-ID zur Positionsbestimmung, dieses Verfahren
entspricht den Genauigkeitsanforderungen von Pricing- und Informationsdiensten [DS01].
Es ist jedoch zu ungenau für Notrufdienste und für Routenplanung [Ba01]. Dienste zur Überwachung
/ zum Tracking von Fahrzeugflotten, etc. verwenden GPS [DS01].
4.2 Ausgewählte Beispiele
4.2.1 Zielgruppenspezifisches Marketing (B2C-Dienste)
B2C-Dienste ermöglichen Unternehmen, Angebote an solche Konsumenten zu senden, die
sich in einer bestimmten Region befinden. Dadurch wird zielgruppenspezifisches Marketing
durch lokal begrenzte Produktpromotionen oder Werbekampagnen via Handy an solche Kon-

67 Andreas Werlemann
sumenten ermöglicht, die diesen Informationsdienst abonniert haben und sich in der jeweiligen
Region aufhalten [DS01]. Der Vorteil ortsbasierter Werbung besteht in der sofortigen
Messbarkeit der Erfolgsquote [DB03].
4.2.2 Informationsdienste für Reisende (C2B-Dienste)
Der Mobilfunkbetreiber D2 weist mittels seines entsprechenden LBS den Weg zu der dem
Anwender nächstgelegenen Tankstelle. D2 kooperiert zu diesem Zweck mit den Unternehmen
Aral und Total/Fina, die die notwendigen Informationen bereitstellen [BG01]. Dem LBS-Nutzer
werden die Standorte der Tankstellen in Relation zu seiner aktuellen Position auf dem
Bildschirm des Handys präsentiert [BG01]. Einen Schwachpunkt dieses Angebots bildet der
Umstand, dass nicht sämtliche Tankstellen ausgewiesen werden, sondern nur die von den Kooperationspartnern
betriebenen. Eine ggf. näher gelegene Tankstelle eines dritten Anbieters
wird nicht genannt. Dieser Nachteil geht zu Lasten des LBS-Nutzers [BG01]. Darüber hinaus
erhält der LBS-Nutzer nur bei manueller Eingabe des aktuellen Standorts (Adresse) zusätzlich
eine Streckenbeschreibung. D1 bietet einen LBS, der nahegelegene Tankstellen mit günstigen
Spritpreisen ortet [BG01].
Der PASSO Verkehrsinformationsdienst von D2-Vodafone und E-Plus [Bae02] liefert aktuelle
Verkehrsinformationen für den Umkreis von 15 Kilometern um die aktuelle Funkzelle.
Das Angebot wird um eine Routenplanung ergänzt, die allerdings nicht in der Lage ist, die
aktuelle Position als Startort der Routenplanung zu übernehmen. Demgegenüber kann der
Nutzer bei Viag Interkom bezüglich der in einem beliebigen Informationsdienst dieses Anbieters
(MyGenion/M-Kompass) ermittelten Zieladresse den Weg dorthin von dem aktuellen
Standort aus durch einen Routenplaner ermitteln lassen [BG01]: z.B. Anfrage des Wegs vom
aktuellen Standort zu der nächstgelegenen Tankstelle.
Der von D2 angebotene LBS tourisline ermittelt Hotels in der Nähe des Anwenders. Neben
der Angabe der ungefähren Entfernung erhält der LBS-Nutzer die Möglichkeit, per Klick telefonisch
die Zimmerlage zu klären und eine Reservierung vorzunehmen, in Einzelfällen das
Zimmer auch direkt online zu buchen. Ein entsprechendes Angebot eröffnet D1 seinen Kunden
unter dem Namen Hotelkatalog. Auch bei dem mobilfunkbetreiberunabhängigen LBS-
Anbieter Jamba kann ein Hotelführer genutzt werden, der zudem auch gleich die Buchung im
Netz ermöglicht. Informationen über nahegelegene Restaurants bietet D1 mit dem Michelin-
Führer und dem LBS Essen und Co. [BG01].
D1 sendet dem Reisenden eine auf dessen Standort bezogene Liste mit örtlichen Taxiunternehmen,
mit denen dieser per Klick telefonisch Kontakt aufnehmen kann. Auch Jamba offeriert
einen sog. Taxifinder [BG01].
Schließlich sind noch Anwendungen denkbar, bei denen der Anwender Informationen über
seine unmittelbare Umwelt abfragt, jedoch ohne dass es sich dabei um kommerzielle Gelegenheiten
(Einkaufsmöglichkeiten u.ä.) handelt: z.B. ein elektronischer Touristenführer oder
ein interaktiver Roman, dessen Fragmente durch die Bewegung des Empfängers im Stadtraum
gesteuert werden [Bae02].
4.2.3 Personensuche per Handy (C2C-Dienste)
Die exemplarisch vorgestellten ortsbasierten Informationsdienste für Reisende wären grundsätzlich
(Ausnahme: der Reisende hat sich verirrt) auch ohne automatische Ortung denkbar.
Anwendungen, die ihren besonderen Reiz durch die automatische Standortbestimmung erlangen
und somit das Potential haben, LBS zu besonderer Popularität zu verhelfen, sind in den
Community-Funktionen bzw. C2C-Diensten zu suchen [Ba01].

68 Ortsbasierte Dienste mit Mobilfunk
Für die Funktion „friends around“ werden verschiedene Anwendungsszenarien vorgeschlagen.
Diese reichen von der spontanen Verabredung zum Kinobesuch bis zum handy-vermittelten
blind date. [Ba01]. Ein entsprechendes Angebot wird seit April 2003 von dem Hamburger
start-up-Unternehmen Mobiloco über den Mobilfunkanbieter D2-Vodafone angeboten.
Kooperationsverträge mit den übrigen Mobilfunkanbietern stehen noch aus [Ha03], einen
entsprechenden Dienst namens friendZone bietet in der Schweiz die Firma Swisscom [Bae02,
Ba01]. Eine sinnvolle Anwendung dieses Dienstes ergibt sich z.B. auch bei einem Messebesuch
in der Gruppe, die sich zunächst getrennt hat und sich anschließend wieder treffen
möchte [Bae02].
Als sog. child-watch-Applikation des D2-Finders kann durch Eingabe der Telefonnummer
des Handys, das das gesuchte Kind bei sich trägt, dessen Aufenthaltsort bestimmt werden
[Se01, Bae02]. Aus Datenschutzgründen ist diese Funktion jedoch nur unter der Voraussetzung
nutzbar, dass der Gesuchte sein Einverständnis zur Positionsbestimmung gegeben hat
[Se01]. Entsprechend ist alternativ zur child-watch-Applikation die Aufwertung des Handys
zum elektronischen Babysitter durch ein Zusatzgerät möglich: Der sog. Phonetracker sendet
eine SMS, wenn das eingeschaltete Handy des zu überwachenden Kindes einen bestimmten
Bereich verlässt [Ba01].
Der Handy-Finder von Genion [Se01, Bae02, BG01, Ba01] ermöglicht die Lokalisierung des
verlegten oder verlorenen Handys von der Genion-Homepage aus. Allerdings ist die Ortsangabe
relativ grob (z.B. der Stadtteil). Der Server sendet eine SMS an das geortete Handy, um
eine unbemerkte Überwachung der Person, die das Handy bei sich trägt, zu unterbinden
[BG01, Ba01].
4.2.4 Notrufdienste
Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich in den Fällen, in denen nicht der Suchende,
sondern der zu Suchende den Anstoß zur Positionsbestimmung gibt. Auf diese Weise können
in einem Notfall Hilfskräfte an den Standort des Hilfsbedürftigen gerufen werden [Ba01].
Konkrete Anwendungen stellen z.B. ein Notruf im Gebirge [Bae02] oder das vom Hersteller
Vitaphone angebotene sog. Herz-Handy dar. Beim Herz-Handy kann der Benutzer bei Auftreten
von Herzbeschwerden mittels Notruftaste Kontakt zur Servicezentrale herstellen, die
sodann aufgrund der Positionsdaten des Benutzers Rettungskräfte direkt zum Patienten schicken
kann. Das Herz-Handy ist GPS-fähig [Ba01, S.4].
4.2.5 Tracking von Fahrzeugflotten (B2B-Dienste)
Anwendungen zum Flottenmanagement ermöglichen Unternehmen, die aktuelle Position von
Transportfahrzeugen bzw. der durch diese transportierten Güter nahezu in Echtzeit zu verfolgen.
Kunden können so über den aktuellen Standort ihrer Warenlieferungen und damit über
den voraussichtlichen Zeitpunkt der Lieferung informiert werden. Zusätzliche eilige Lieferungen
können durch das Fahrzeug aufgenommen werden, das sich gerade in der Nähe befindet
[DB03].
4.2.6 LBS und Pricing
Schließlich kann die Information über den Standort des Anwenders auch zwecks Abrechnung
der erbrachten Telefondienstleistungen des Mobilfunkbetreibers verwendet werden: so z.B.
für den Genion-Home-Tarif, bei dem der Anwender für alle Gespräche im Umkreis eines
durch den Kunden zuvor bestimmten Punktes anstelle des Mobilfunktarifs den Festnetztarif
bezahlt [Ba01].

69 Andreas Werlemann
5 Fazit und Ausblick
Ortsbasierte Dienste gewinnen in dem Maße an Bedeutung, in dem die technischen Voraussetzungen
für ortsbasierte Dienste gegeben sind [Bae02]:
• ausreichende Leistungsfähigkeit der Mobiltelefongeräte für diesen Zweck,
• zivile Nutzbarkeit des ursprünglich ausschließlich militärisch genutzten GPS,
• ausreichender Entwicklungsstand von Software für die Umwandlung von Text in Sprache
und umgekehrt (idealerweise verfügt das Handy über eine Sprachaus- und –eingabe, die
im Gegensatz zu bildschirmbasierten Menüs beliebig miniaturisiert werde kann, ohne dass
funktionale Nachteile auftreten),
• Verfügbarkeit von elektronischen Landkarten und Stadtplänen, Geocodierung und
Routenplanung.
Einerseits steigt die Leistungsfähigkeit der Hardware bei sinkenden Kosten [DB03]. Andererseits
wächst das Bedürfnis für ortsbasierte Dienste in dem Maße, in dem die Mobilität der
Bevölkerung bei gleichzeitigem Wunsch nach jederzeitiger Erreichbarkeit bzw. Informationsverfügbarkeit
steigt [Bae02].
Ortsunkundige Reisende verlieren viel Zeit bei der Deckung ihrer Grundbedürfnisse (Nahrungsaufnahme,
Übernachtungsmöglichkeit) bzw. der Suche nach entsprechenden Angeboten.
Insoweit besteht ein Markt, dem durch ein Angebot, das komfortable Bedienung mit Effizienz
verbindet, zu entsprechen ist [DS01]. In den USA wird die Technologie zur Positionsbestimmung
und damit letztlich auch der Markt für LBS zusätzlich durch die Vorschrift E911 gefördert
[DB03]. Diese beinhaltet in einer zweiten Stufe (UMTS) die Maßgabe, dass in den meisten
Fällen Notrufe mittels Handy auf bis zu 50-100 Meter genau ortbar sein müssen [DB03,
AAB03]. Eine ähnliche Vorschrift namens E112 der Europäischen Kommission befindet sich
in Vorbereitung [DB03]. Einen Impuls für die Verbreitung und Fortentwicklung könnten LBS
schließlich auch durch die Integration entsprechender Funktionen in Automobile erfahren.
Aufgrund der Notwendigkeit lediglich geringer Bandbreite sowie der mobilen Verfügbarkeit
eignen sich LBS auf WAP-Basis gut für Automobile [Ba01].
LBS bieten den Mobilfunknetz-Betreibern eine Möglichkeit zur Differenzierung gegenüber
dem Wettbewerb [DS01]. Darüber hinaus erhoffen sich die Mobilfunkbetreiber ein lukratives
Geschäft [Ba01]. Insbesondere diejenigen Mobilfunkbetreiber, die hohe Investitionen in
UMTS-Lizenzen getätigt haben, müssen über Geschäftsmodelle nachdenken, die zur Amortisation
dieser Investitionen beitragen. Die Betreiber von GSM-Netzen haben ein Interesse
daran, den durchschnittlichen Umsatz pro Anwender durch eine Ergänzung sprachbasierter
Dienste durch datenintensive Mehrwert-Dienste zu steigern, nachdem eine Steigerung der
Anzahl der Mobilfunkkunden seit Ende der 1990er Jahre kaum noch möglich ist [DB03]. Allerdings
arbeiten die ortsbasierten Dienste noch nicht kostendeckend, so dass diese durch
Einnahmen aus dem übrigen Mobilfunkgeschäft quersubventioniert werden müssen [Se01].
Gegen die Ortung des Mobilfunkanwenders durch den Mobilfunkbetreiber und die anschließende
Weitergabe dieser Ortsinformation an dritte Dienstleistungsanbieter bestehen datenschutzrechtliche
Bedenken [Ba01, Di01]. Diesen begegnen einzelne Mobilfunkanbieter wie
T-D1 dadurch, dass sie die Ortung jeweils von der expliziten diesbezüglichen Einverständniserklärung
durch den Anwender abhängig machen [Ba01]. Entscheidend für die Akzeptanz
ortsbasierter Dienste ist der konkrete Anwendungsnutzen. Dieser kann z.B. in der Kombination
der reinen Information über ein Angebot mit der Möglichkeit, dieses zu bestellen bzw. zu
reservieren, bestehen. Für auch auf andere Weise leicht beschaffbare Informationen wird der
Anwender hingegen kein Geld bezahlen wollen [Bae02]. Unter diesem Gesichtspunkt er-

70 Ortsbasierte Dienste mit Mobilfunk
scheint ein mobiler Routenplaner im Ausland wegen etwaiger Verständigungsprobleme sinnvoller
als im Inland [Ha03]. Anwendungen, die ihren besonderen Reiz durch die automatische
Standortbestimmung erlangen und somit das Potential haben, LBS zu besonderer Popularität
zu verhelfen, sind in den Community-Funktionen bzw. C2C-Diensten zu suchen [Ba01].
Referenzen
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71 Andreas Werlemann
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Milchkuh oder Seifenblase Neues Wachstum mit Location Based Services;
NET Zeitschrift für Kommunikationsmanagement, Vol. 55, No. 11/2001, 55-58

“Nexus“
Lothar Maschewski
Tubizerstraße 40
70825 Korntal
Maschewski2@compuserve.de
Zusammenfassung: Der Fortschritt in der Miniaturisierung von Computern, die rasante
Entwicklung von Sensortechnologie, sowie die Weiterentwicklung von GPS, General
Positioning System, wird dazu führen, dass zunehmend potentiell Milliarden von Alltagsgegenständen
Informationen über ihren Zustand und den ihrer Umgebung erfassen. Durch
die Integration dieser Daten in schon bestehende Modelle entstehen neue Weltmodelle.
Innerhalb dieser Weltmodelle können nicht nur existierende Objekte und ihr Zustand abgebildet
werden, sondern zusätzlich Informationen mit diesen Objekten verknüpft werden.
Dies führt zu einer neuen Art von Applikationen, die über eine Plattform auf diese
Objekte zugreifen und diese ggf. manipulieren kann. Eine solche Plattform, NEXUS,
wird von einem Sonderforschungsbereich an der Universität Stuttgart entwickelt. Die
Modellierung und die Aufgaben dieser Plattform werden im folgenden beschrieben.
1 Motivation
Wenn wir uns in unserer Welt umschauen, gibt es viele unterschiedliche Informationen, die
mit räumlichen Bezugspunkten verbunden sind, oder mittels geographischer Daten organisiert
werden. Plakate hängen an Wänden, Verkehrschilder stehen an Kreuzungen, Türen öffnen
sich automatisch, wenn sich ein Objekt dieser Tür nähert usw. Alle diese angeführten
Beispiele haben eines gemeinsam. Ihre Existenz, sowie die damit verbundene Möglichkeit
ihrer Manipulation stehen in direktem Zusammenhang mit ihren räumlichen Koordinaten.
Dieser fundamentale Zusammenhang ist für uns Menschen eine Selbstverständlichkeit, da wir
diesen von Geburt an als gegeben erfahren haben [FKV].
Bis heute beziehen nur wenige Informationssysteme die räumlichen Daten der Systemnutzer
oder anderer Objekte mit ein, um sie für den Nutzer des Informationssystems verwertbar zu
machen. Informationssysteme, die dies heute schon tun findet man z.B. bei Navigationssystemen
sowie in der Flugsicherung. Gründe, die diese Entwicklung bisher begrenzt haben sind:
• das Fehlen einer geeigneten Sensor-Infrastruktur
• das Fehlen geeigneter Plattformen für diese Anwendungen
Dem ersten Punkt wird durch die Weiterentwicklung von GPS Rechnung getragen. Dem
zweiten Punkt widmet sich der folgende Seminarvortrag.
2 Einführung in das Projekt Nexus
2.1 Was versteht man unter dem Projekt
Das Projekt Nexus ist ein instituts- und fakultätsübergreifendes Forschungsprojekt an der
Universität Stuttgart, das LBS-Systeme untersucht und dabei das Ziel verfolgt, Grundlagenwissen
zu erarbeiten. Unter dem Oberbegriff Location Based Service (LBS) bildet sich zur
Zeit im Umfeld der mobilen Datenkommunikation eine neue Kategorie von Applikationen
heraus.
Motiviert und ermöglicht wird dies durch die rasante Weiterentwicklung im Bereich der Mobilfunknetze,
den Erfolg der drahtlosen lokalen Funknetze (WLAN’s, Wireless Local Area

74 “Nexus“
Networks) sowie die Miniaturisierung leistungsfähiger Endgeräte. Ein zusätzlicher Antrieb ist
die Notwendigkeit für Besitzer der teuren UMTS - Lizenzen, Universal Mobile Telecommunication
System, ihren Kunden attraktive Dienste anzubieten, um für die neuen Netze möglichst
schnell eine große Kundenakzeptanz zu erzielen [PK02].
2.2 Was soll das Projekt leisten
Ortsbezogene Informationsdienste zeichnen sich dadurch aus, dass Informationen nicht mehr,
wie dies z. B. bei der Verwendung von Uniform Ressource Locators (URLs) geschieht, über
ihren Speicherort adressiert werden, sondern über Positionsangaben von Orten oder Objekten,
für die sie relevant sind. Um auf Informationen zuzugreifen, sind Abbildungs- und Suchfunktionen
notwendig, die auf der Basis von Ortskoordinaten die zutreffenden Informationen auffinden
können. Komplexere ortsbezogene Dienste erlauben zusätzlich eine Selektion von
Informationen anhand weiterer Attribute. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Suche nach
allen italienischen Restaurants im Umkreis von 500 m des Anfragenden. Eine weitere wichtige
Form ortsbezogener Anwendungen ist die Navigation. Hierbei werden auf räumlichen
Datenmodellen komplexe Operationen ausgeführt, wobei das Ergebnis ein Weg ist, auf dem
der Nutzer anschließend geführt wird. Der Bezug zu dem anfragenden Nutzer ist dadurch
hergestellt, dass der Ausgangspunkt der Wegesuche sein aktueller Aufenthaltsort ist [PK02].
2.3 Wer entwickelt das Projekt
An dieser von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschergruppe
sind fünf Arbeitsgruppen aus den unterschiedlichsten Fachbereichen beteiligt. Diese Arbeitsgruppen
haben das Ziel, Konzepte und Methoden zur Realisierung einer Plattform für ortsbezogene
Anwendungen zu entwickeln [PK02].
3 Besondere Aspekte von Nexus
3.1 Technische Vorraussetzungen für das Projekt
Da der Ortsbezug ein wesentliches Merkmal von Nexus darstellt, möchte ich im weiteren die
notwendige technische Infrastruktur darstellen. Diese besteht aus einer Anzahl verschiedenster
Sensoren, die den Ortsbezug herstellen.
Das Aufgabenfeld des IND innerhalb von NEXUS besteht darin, bestehende Kommunikationsarchitekturen
zu untersuchen und auf die Kommunikationsanforderungen von ortsbewussten
Diensten hin zu bewerten, sowie neue Konzepte zu entwerfen. Anforderungen hierfür
sind die Berücksichtigung der Nutzermobilität, auch über die Grenzen von Funkzugangsnetzen
hinweg, die kosten/nutzenoptimale Verwendung von Kommunikationsressourcen, sowie
die Berücksichtigung und das Ausbalancieren von Informationsbedürfnissen mit Sicherheitsund
Datenschutzanforderungen sowohl von Nutzern und Anbietern.
Die Voraussetzungen für die kommunikationsnetzorientierten Entwicklungsprozesse sind
gemäß [PK02]:
• Zugrundelegung existierender bzw. künftig zu erwartender paketorientierter Netzinfrastrukturen.
Speziell kommen dazu in Betracht
o Bluetooth: Kleinstzellen-Funknetze (Raumnetze)
o WLAN: Wireless Local Area Networks
o GPRS: General Packet Radio Service, ein paketorientierter Datendienst, der
auf der
Basis der gegenwärtigen öffentlichen Mobilkommunikations-Infrastruktur
(„2.5. Generation“) bereitgestellt wird
• UMTS: Universal Mobile Telecommunication System; zukünftige breitbandigere

75 Lothar Maschewski
öffentliche Mobilkommunikations-Infrastruktur
• Nutzung kommerziell verfügbarer, internetfähiger Endgeräte mit multi - Funknetzzugang
als Clients, z. B.
o Mobilkommunikations-Terminals
o Laptop
o Personal Digital Assistant (PDA) u. ä.
möglichst erweitert zum Empfang von Positionsdaten über Satelliten (GPS:
Global
Positioning System u. ä. m.), Sensoren (z. B. über IR-Empfänger) oder
über Basisstationen (BTS) der öffentlichen Mobilkommunikationsnetze.
3.2 Das Augmented Area Modell
Die Basisinfrastruktur von Nexus basiert auf computergestützte Darstellungen bestimmter
Regionen (Räumen), der realen Welt, die um virtuelle Objekte erweitert werden kann. Diese
Regionen, erweitert um die in ihnen enthaltenen virtuellen Objekte, können mittels der
Nexus-Plattform dargestellt und erforscht werden. Man nennt sie Augmented Area. Technisch
betrachtet besteht eine Augmented Area aus vier Bestandteilen, siehe [PKV] :
• Objekte in einem geographischen Raum
• einer Installation der Nexus-Plattform
• einem dem geographischen Raum entsprechenden Informationsgehalt
• einer räumlichen Begrenzung
Die Verbindung innerhalb einer Augmented Area zu vituellen Objekten , Multimedia, dem
World Wide Web, Digital Libraries usw., wird über sogenannte Virtual Information Tower,
oder auch Virtual Post-It’s hergestellt. Das bedeutet, das die Verbindung einer Anwendung zu
einem Informationsdienst nur über ein reales Objekt, sprich seine geometrischen Objektdaten
realisiert wird. Es wird sich zeigen, dass dieses Modell eine Menge Vorteile gegenüber den
konventionellen Modellen der Virtuellen Welt besitzen. Beispiele für diese Augmented
Area’s sind Häuser, Stadtteile, Gebäudeteile. Schematisch sind die Augmented Area’s mit den
verschiedenen Verbindungsmöglichkeiten im Bild 1 siehe Kap.3.3 zu sehen.
3.3 Das Augmented World Modell
Im nächsten Schritt erweitert die Nexus Plattform die in sich begrenzten und isolierten Augmented
Areas zu einem Augmented World Modell. In diesem Modell sind alle Augmented
Areas integriert und in einem einheitlichen Format beschrieben. Im weiteren werden alle
durch eine gemeinsame Anwenderschnittstelle, bereitgestellt durch Nexus, erreichbar. Durch
diese Schnittstelle kann der Nexus-Nutzer problemlos zwischen den Augmented Areas wechseln,
sowie verschiedene Augmented Areas verknüpfen.
Das einheitliche Format der Augmented Areas ermöglicht die Vergleichbarkeit, sowie die
Anwendung verschiedener Mengenoperatoren, (Schnittmenge, Inklusion, Vereinigung) in
dem Augmented World Modell. Auch die Erweiterbarkeit von Nexus sowie die Notwendigkeit
der Integration der verschiedensten Datenquellen setzt ein einheitliches Datenformat voraus.

76 “Nexus“
Bild 1 Schematische Darstellung einer Augmented World mit den integrierten Augmented
Area’sowie den möglichen Links zu den externen Informationsdiensten
3.4 Modellierungsgrundsätze
Aus der Idee, mittels Nexus eine neue Virtuelle Welt zu modellieren, ergaben sich, siehe
[HKL99] die folgenden Modellierungskriterien für die neue Plattform
• Mobilität
• Heterogenität
• Interoperability
• Scalability
• Datenschutz
Mit der Mobilität von Nexus möchte ich mich nicht näher beschäftigen, da sie sich aus der
Notwendigkeit einer Technischen Infrastruktur (siehe 3.1) ableiten lässt. Es sei nur auf die
Erweiterbarkeit des Systems als ein Unteraspekt der Mobilität hingewiesen. Nexus sollte sehr
leicht neue Technologien unterstützen und diese auch in das bestehende System integrieren
können.
Auch die Heterogenität lässt sich ableiten. Da die Augmented Areas sehr verschieden sind,
muss das System in der Lage sein verschiedene Netzwerktechnologien und Navigationssysteme
zu unterstützen.
Auf den Datenschutz möchte ich etwas genauer eingehen. Die Entwicklung von Nexus erfordert
parallel die Entwicklung von Datenschutz- und Sicherheitsfunktionen auf der Basis der
„mehrseitigen Sicherheit“, mit Merkmalen wie
• Schutz gegen die Verknüpfung von Aufenthaltsorts-Daten und der Nutzung/Inanspruchnahme
von Diensten mit der Identität des Benutzers
• Authentifikation des Dienstnutzers, des Diensterbringers und Integrität der bereitgestellten
Daten
• Zurechenbarkeit und Nichtabstreitbarkeit von in Anspruch genommenen Dienstleistungen
• Aushandelbare Schutzziele und Schutzhöhen.

77 Lothar Maschewski
Ohne diese Sicherheitskonzepte wäre eine Augmented World ein transparentes System in
welchem jeder Systemnutzer alle gespeicherten Daten eines jeden anderen Systemnutzers
beliebig nutzen, oder aber auch missbrauchen könnte.
Die Skalierbarkeit des Systems spricht die Wachstumsfähigkeit der Plattform in Bezug auf die
zu verwaltende Datenmenge an. Darauf wird in Kapitel 4 noch genauer eingegangen. Grundsatz
ist, das Nexus dynamische Datenstrukturen unterstützen muss.
3.5 Die Nexus Architektur
Das Hauptziel der Nexus – Plattform besteht in der Verwaltung der Augmented Areas, sowie
in der Bereitstellung eines einheitlichen Zugangs zum Augmented World Model. Dieser
ermöglicht den verschiedenen ortsbasierten Anwendungen die Kommunikation mit diesem.
Dieses Ziel spiegelt sich natürlich auch in der Architektur der Plattform wieder. Da das Augmented
Area Model viele Objekte enthalten kann, ist es über viele Knoten verteilt. Das Model
muss ständig über den Zustand all seiner mobilen, stationären und virtuellen Objekte informiert
sein. Die Architektur der Nexus Plattform ist im folgenden Bild dargestellt vgl.
[HKL99].
Clients
Sensor
Systems
Control
Systems
Distributed
Data-Management
Location
Manageme
Query
Event
Model
Mana-
Catching
&
Local
Data-
Management
Virtual
Mobile
Basic Services
Communikati
Adaptivity
Bild 2 Schematische Darstellung der Nexus Architektur
3.5.1 Externe Komponenten
Clients, dazu zählen Ortsbasierte Anwendungen und Dienste, nutzen Nexus, indem sie über
die standardisierte Schnittstelle eine Verbindung mit dem Augmented World Model realisieren.
Der Bezug zu den Objekten der realen Welt wird durch das Sensor- und Kontrollsystem
hergestellt. Sensorsysteme, z. B. ein GPS-Sensor, liefern Informationen über den Zustand
eines realen Objekts. Oftmals benötigt dieses Objekt seinen eigenen Sensor, wenn es an Informationen
über die eigene Position oder die Position anderer Objekte in seiner Umgebung
interessiert ist. Die weitere Verbindung mit den externen Informationsdiensten, wird, siehe

78 “Nexus“
Kap. 3.3, über die VIP’s realisiert. Die Vielfalt der externen Komponenten wurde schon in
Bild 1 Kap.3.3 dargestellt.
3.5.2 Basisdienste
Basisdienste beinhalten grundsätzlich zwei Aspekte:
• Sie sind für die Kommunikation der Plattform mit den Anwendungen verantwortlich
• Sie müssen die Kompatibilität zwischen Plattform und Anwendung herstellen
Basisdienste werden von allen Komponenten des Systems genutzt, da sie sonst nicht untereinander
kommunizieren könnten.
3.5.3 Datenmanagement
Die Inhalte der Augmented Area Modele werden in verschiedenen Knoten der Nexus – Plattform
gespeichert. Diese Knoten sind entweder einzelne Computer, oder es handelt sich um
Rechnernetze. Diese speichern die obigen Informationen in Datenbanksystemen ab, die sehr
stark von den zu speichernden Inhalten geprägt sind. Grundsätzlich sind drei verschiedene
Datenformate notwendig, um das Augmented World Model zu beschreiben.
• Ein Datenformat zu Beschreibung des Eigenschaften eines realen Objekts
• Ein Datenformat zur Beschreibung der mobilen Zustände eines realen Objekts
• Ein Datenformat zur Beschreibung der Beziehungen der realen Objekte untereinander,
sowie der Beziehung zwischen realen Objekt und virtuellen Objekt
Das folgende Bild stellt die Organisation der verschiedenen Datenformate dar.
Anwendung
1
Anwendung
2
...
Anwendung
m
ASR
...
Knoten 1 Knoten 2 Knoten n
SpaSe 1
Roo
SpaSe
2
Location
Service
Andere
Dienste
Shel
Shel
Bild 3 Organisation der Datenformate unter der Plattform Nexus

79 Lothar Maschewski
3.5.4 Das Spatial Server Model
Die Spatial Server enthalten die statischen Informationen über die Augmented Area’s. Dabei
kann ein Spatial Server sowohl Informationen über ein als auch über mehrere
Gebiete enthalten. Diese Informationen bestehen aus Daten über die
• Objektgeometrie
• Koordinatensysteme
• Symbolische Beschreibungen
• Beziehungen zw. den Objekten
Datenbanksystemknoten, die diese Informationen verwalten, stellen effiziente Algorithmen
zur Verfügung, die um Objekte bzw. Objektteile zu suchen. Eine weitere Aufgabe besteht in
der effizienten Realisierung der Mengenoperationen Durchschnitt, Inklusion und Union. Deshalb
sind die Daten über die Augmented Area’s in Tree’s organisiert (siehe Bild 3). Die Gebiete
werden so auf die Knoten verteilt, das der Vaterknoten disjunkt auf die beiden Sohnknoten
aufgeteilt wird. Da es sich hier wesentlich um 2D - 2.5D Daten handelt, lassen sich
geometrischen Algorithmen auf dieser Struktur sehr gut anwenden [K03].
3.5.5 Location-Service
In diesem Teil der Server wird der dynamische Teil der Augmented Area’s verwaltet. Da sich
die Daten von bewegten Objekten sehr schnell ändern, müssen diese Daten entweder ständig
einem Update, der schnell und effizient arbeiten muss, unterliegen oder neu aufgebaut werden.
Welche Strategie man verwendet, ist von der Gesamtdatenmenge und der veränderten
Datenmenge abhängig.
3.6 Die Sprachumgebung von Nexus
Da Nexus eine Schnittstelle für die Clients anbietet, muss das System mit dem Client kommunizieren.
Dies leistet Nexus mittels 2 grundsätzlichen Sprachkonzepten [B02].
• Augmented World Modelling Language (AWML)
• Augmented World Query Language (AWQL)
Die Augmented World Modeling Language wird eingesetzt, um die Objekte des Augmented
World Models zu beschreiben. Objekte haben eine Geometrie und müssen mittels eines Koordinatensystems
einen räumlichen Bezug zu den anderen Objekten des Augmented World
Model herstellen. Auch die Beschreibung von Teilmengen der Augmented Areas mittels
Symbolischer Bezeichner, Identifier, Namen, Nummern (z B. bei der Beschreibung von Räumen
) ist vorgesehen. Bei der Struktur ist eine Ähnlichkeit zu HTML zu erkennen.
Die Augmented World Query Language erlaubt Anfragen an das Augmented World Model.
Primär erlaubt die Sprache Anfragen bzgl. der Mengenoperationen Teilmenge und
Schnittmenge. Weitere wichtige Fragestellungen sind
• Welches der gesuchten Objekte ist am nächsten zur aktuellen Position des Anfragenden
• Wie weit ist das gesuchte Objekt vom Anfragenden entfernt
AWQL ist bzgl. seiner Struktur ähnlich zu SQL. Abschließend zu den Sprachkonstrukten sei
angemerkt, das sich die Sprachkonstrukte in dem Maße weiterentwickeln werden, indem sich
die Daten-breite weiterentwickelt. Als Beispiel sei die 2.5D Darstellung als Datenformat angeführt.
Eine realistische 3D Darstellung wird genauere Abfragen realisieren, verlangt aber
auch die Weiterentwicklung der AWML sowie der AWQL Sprachkonzepte. Zur Veranschaulichung
sind im Anhang (Bild A1, BildA2) kurze Auszüge aus AWML und AWQL angeführt.

80 “Nexus“
4 Probleme
4.1 Der Trade Off zwischen Augmented World und Datenschutz
Die Nexus – Plattform hat als Vision folgende Ziele.
• Jeder kann seine persönliche Augmented Area, z. B. Italienisches Restaurant mit Adresse,
Speisekarte und Kundendatei in die Augmented World integrieren.
• Jeder Nutzer kann Anfragen an alle realen und virtuellen Objekte des Augmented World
Modells stellen
Je weiter die Verwirklichung der Ziele fortschreitet, desto größer wird der Aufwand einen
Datenschutz, siehe Kap.3.4 Modellierungsgrundsätze, zu implementieren. Je größer das
Schutzbedürfnis der realen und virtuellen Objekte ist, umso eingeschränkter ist die Nutzung
des System. Aus diesem Grund ist am Projekt Nexus fachübergreifend eine Kommission beteiligt,
die sich mit ethischen Fragen und den Vorraussetzungen für eine allgemeine Akzeptanz
des Systems beschäftigt. So wie das WWW nicht ohne die Akzeptanz und Annahme
durch Anbieter und Nutzer, ohne Homepages und Internetdienste wäre ein WWW sinnlos,
erfolgreich sein kann, wird ein System wie Nexus nur über eine große Anzahl von Dienstanbietern
und Dienstnutzern erfolgreich sein können.
4.2 Daten
Wie schon bei den Modellierungsgrundsätzen erwähnt, bilden die Daten eine zentrale Rolle
bei Nexus. Auf die Notwendigkeit einer Dynamischen Modellierung dieser
Daten wurde hingewiesen. Man wird jedoch erst nach einer Testphase des
Systems mit einer Mindestdatensatzgröße erkennen können, wo das System
noch effizienter modelliert und implementiert werden kann. Besonders in Bezug
auf die veränderlichen Orts- und Zustandsdaten werden sich zwei Fragen
herauskristallisieren:
• Update der veränderten Daten oder Neuaufbau aller bisherigen Daten
• Zentrale oder dezentrale Verwaltung dieser Daten
• Evtl. Klassifizierung der Daten mittels bestimmter Kriterien
5 Ausblick
Bei meiner Darstellung versuchte ich immer den Projektstatus von Nexus hervorzuheben.
Vieles von dem, was ich als ganz selbstverständlich beschrieb, ist erst einmal Bestandteil dieser
Vision einer allgegenwärtigen ortsbasierten Anwendungsplattform. Bisher werden Prototypen
entwickelt, die bezüglich ihres Funktionsumfangs sehr eingeschränkt sind. Ein Projekt
beschäftigt sich gerade mit der Positionsbestimmung und Sichtbarkeitsanalye durch Kombination
terrestrischer Bilder mit 3D-Stadtmodellen. Als Stadtmodell dient hier die Innenstadt
von Stuttgart. Auch wenn Nexus zur Zeit noch viele Merkmale einer Vision besitzt, wird sie
sich als Standart für die zukünftigen ortsbasierten Dienste durchsetzen. In einer Welt, wo die
Geschwindigkeit und die Flexibilität maßgebend sind, wird sich nur eine Informationstechnologie,
die ortsunabhängig ist und sehr effizient mit schon bestehenden Informationssystemen
kommunizieren kann durchsetzen. Meine Ausführungen sollten zeigen, dass die Plattform
Nexus, jetzt noch ein Projekt, ein qualifizierter Kandidat für die oben beschriebene Informationstechnologie
sein kann.

81 Lothar Maschewski
6 Danksagung
Ich bedanke mich auch bei den Mitarbeitern der Universität Stuttgart, die mir den Einstieg in
das Projekt Nexus erleichterten, und für Fragen meinerseits stets mit Rat zur Verfügung
standen.
Anhang
Bild A1: Vereinfachtes Beispiel zur Augmented World Query Language (AWQL)
Bild A2: Vereinfachtes Beispiel zur Augmented World Modeling Language (AWQL)

82 “Nexus“
Referenzen
[PK02] B. Gloss, P. J. Kühn (2002)
Modellierung und Entwurf von Kommunikations-Infrastrukturen für
orts-und kontextabhängige Dienste
Modelle, Werkzeuge und Infrastrukturen zur Unterstützung von
Entwicklungsprozessen, Achen, 20.-22. März 2002
[FKV]
[HKL99]
Dieter Fritsch, Darko Klinec & Steffen Volz
Positioning and Data Management Concepts For Location Aware
Applikations
Institute For Photogrammetry, Universität Stuttgart
Fritz Hohl, Uwe Kubach, Alexander Leonhardi, Kurt Rothermel,
Markus Schwehm (1999)
Nexus-An Open global Infrastructure for Spatial-Aware Applications
Universität Stuttgart
[B02] Christian Becker (2002)
Weltmodelle zur Unterstützung kontextbezogener Systeme
Fachbereich IPVR , Universität Stuttgart
[F03]
[K03]
Steffen Firchau
Telepointing – Positionsbestimmung und Sichtbarkeitsanalyse durch
Kombination terretricher Bilder mit 3D – Stadtmodellen
Studienarbeit
P. J. Kühn
Mobilität in NEXUS Location Based Services als Wegweiser für
IP-Mobilität
http:/ww.ind.uni-stuttgart.de

Sicherheit und Datenschutz für Mobile Anwendungen
Hagen Barlag
Fernuniversität Hagen
Universitätsstraße 1
58084 Hagen
Hagen.Barlag@Fernuni-hagen.de
Zusammenfassung: Die Diskussion des Begriffs Sicherheit bei Mobile Computing Systemen
schließt einerseits die klassischen Sicherheitsbegriffe ein, wie sie auch im stationären
Bereich anzuwenden sind. Andererseits ist hier der Kommunikationsaspekt von besonderer
Bedeutung, da die Übermittlungskanäle hier in deutlich geringerem Maß unter
der Kontrolle des Anwenders stehen, daher wird ausführlich auf die Sicherheitsaspekte
von Nachrichten eingegangen. Bei dieser Diskussion werden auch Begriffe wie Beherrschbarkeit
aufgegriffen, die nicht in allen Quellen der Sicherheit zugerechnet werden,
für den Anwender aber von entscheidender Bedeutung sind. Für den Entwickler eines
Systems ist es zudem wichtig, über die rechtlichen Datenschutzaspekte informiert zu sein,
daher wird die Rechtslage in der Bundesrepublik erörtert.
1 Der Begriff Sicherheit
1.1 Einleitung
Im allgemeinen Sprachgebrauch versteht man unter Sicherheit neben anderen Bedeutungen
einerseits die Gewissheit, vor Gefahren geschützt zu sein, andererseits die Zuverlässigkeit und
Verlässlichkeit eines Systems [DWDS03], anders ausgedrückt objektiv das Nichtvorhandensein
von Gefahren und subjektiv die Gewissheit, vor möglichen Gefahren geschützt zu sein
[Wohl99].
Im Zusammenhang mit IT-Sicherheit ist die Forderung, ein System möge sicher sein, zu unscharf,
um praktische Konsequenzen daraus abzuleiten. Sicherheitsmaßnahmen motivieren
sich durch die Schäden, die eintreten können. Dazu gehören z. B. das Bekannt werden vertraulicher
Informationen, unerlaubte Datenveränderungen mit u. U. erheblichen Auswirkungen,
das unerlaubte Auslasten eines Systems oder die Beeinträchtigung der Verfügbarkeit
[Lamp71].
Diese Punkte werden unten im Einzelnen erörtert. Solche Schäden sind aber nicht auf die
Datenverarbeitung mit einem Rechnersystem beschränkt, sondern können auch bei manueller
Bearbeitung auftreten. Daher ist es erforderlich, zwischen solchen Schäden zu unterscheiden,
die auch bei manueller Verarbeitung der entsprechenden Informationen auftreten könnten,
und solchen, die gerade durch die maschinelle Datenverarbeitung ermöglicht werden. Insbesondere
die ersteren machen es erforderlich, das Thema Sicherheit auf das organisatorische
und menschliche Umfeld eines Systems auszudehnen, [Schn00], [Kelt92], d. h., Sicherheit im
IT-Umfeld ist nicht allein durch Programmierung zu bewerkstelligen, es sind die Wechselwirkungen
mit der Außenwelt zu berücksichtigen; ein sicheres System kann nur als Ganzes
entworfen werden. Zahlreiche Schäden sind leichter durch organisatorische als durch programmtechnische
Maßnahmen zu verhindern.
Unter einer Bedrohung versteht man einen Umstand, der unter bestimmten Randbedingungen
zu einem Schaden führen kann, z. B. unerlaubte oder unerwünschte Vorgänge, speziell Operationen
mit Rechnern. D. h. ein Schaden tritt in der Regel als Manifestation einer Bedrohung
auf. Hierbei handelt es sich aber um einen eher abstrakten Begriff, der stets durch die potentiellen
Schäden konkretisiert werden muss, die bei einem entsprechenden Angriff auftreten

84 Sicherheit und Datenschutz für Mobile Anwendungen
können. [Kelt92]. So ist es z. B. bei der Analyse im Hinblick auf die Nachrichtenintegrität (s.
u.!) von entscheidender Bedeutung, welcher finanzielle oder sonstige Schaden durch eine
verfälschte Nachricht eintreten kann. Daneben ist es wichtig, zu berücksichtigen, mit welcher
Wahrscheinlichkeit ein Schaden eintritt, eine Überlegung, die zum Begriff des Risikos führt.
Vereinfacht gesprochen beinhaltet Risiko die Multiplikation aus Schaden und
Wahrscheinlichkeit.
Bedrohungen und Schäden werden durch Sicherheitsmaßnahmen abgewehrt. Diese dienen
also dazu, Schäden zu verhindern, ihr Ausmaß zu begrenzen oder ihr Eintreten aufzudecken.
In der Regel sind Sicherheitsmaßnahmen auf die konkrete Kombination von Schaden und
Bedrohung abzustimmen. Diese Überlegungen setzen daher voraus, dass man sich über die
möglichen Angriffsziele Klarheit verschafft hat, da erst hierdurch eine Abwägung der Kosten
zwischen den möglichen Schäden und den Maßnahmen, die zu ihrer Verhinderung erforderlich
sind, möglich wird.
Wir beginnen mit einer Konkretisierung der möglichen Angriffsziele, entwickeln dann eine
Bedrohungssystematik und erläutern anschließend die klassischen Sicherheitsbegriffe wie
Authentizität, Integrität, Vertraulichkeit und Nichtbestreitbarkeit, über die in der Literatur
Einigkeit besteht [Schn01], [Anon99], [Wohl99], [Roth03]. Im Anschluss daran werden einige
nicht technische Aspekte besprochen, um den Belangen des Datenschutzes abschließend
besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Diese Gesichtspunkte gelten generell bei der Diskussion
von IT Sicherheit, insbesondere im Zusammenhang mit Computernetzen.
1.2 Mögliche Angriffsziele
Der erste der möglichen Angriffspunkte liegt in den verwendeten Kommunikationswegen.
Bei LSI handelt es sich hier einerseits um die Internetverbindung zwischen den Location Servern
bzw. zwischen diesen und den mit ihnen assoziierten Servern, andererseits um die Verbindung
zwischen jenen und den mobilen Clients, der Luftschnittstelle. Es ist in beiden Fällen
damit zu rechnen, dass die Übertragungswege abgehört werden, denn sie stehen nicht unter
der Kontrolle einer einheitlichen Instanz. Es ist auch an eine Blockierung des Übertragungskanals
zu denken, dies insbesondere bei der Luftschnittstelle, wo z. B. ein Funkkanal gestört
werden kann. Das Internet ist zwar prinzipbedingt weniger leicht zu blockieren, aber einzelne
Knoten können im Falle der Ausbreitung eines Virus oder durch eine Denial of Service-Attacke
nicht erreichbar sein.
Den zweiten Angriffspunkt stellen die verwendeten Geräte dar. Einerseits könnte sich jemand
Zugriff zu einem Server verschaffen und diesen z. B. abschalten, andererseits sind die
mobilen Clients durch das System nicht bzw. nur sehr eingeschränkt schützbar.
Schließlich könnten die inhaltlichen Daten des Systems verfälscht bzw. bei etwaigen vertraulichen
Sachverhalten auch unbefugt zur Kenntnis genommen werden, hierunter fällt auch das
Betreiben eines malignen LSI-Servers.
Der letzte und praktisch wohl bedeutsamste Angriffspunkt liegt in den Menschen, die das
System benutzen bzw. warten. In vielen Fällen ist der Angriff hier am leichtesten durchzuführen.
Dieser Gesichtspunkt wird aber in der vorliegenden Arbeit nicht näher behandelt.
1.3 Bedrohungssystematik
Wohlfeil stellt eine Bedrohungssystematik mit 3 Achsen auf [Wohl99]:
1. Technisch ↔ Nichttechnisch
2. Beabsichtigt ↔ Unbeabsichtigt
3. Aktiv ↔ Passiv

85 Hagen Barlag
1.3.1 Technisch ↔ Nichttechnisch
Hier wird eingeteilt durch die Eigenschaften welches Systemteils die Bedrohung bedingt ist,
wobei zu den technischen z. B. die Eigenschaften des Übertragungskanals gehören, zu den
nichttechnischen eine Person, die einen Angriff durchführt.
1.3.2 Beabsichtigt ↔ Unbeabsichtigt
Bedrohungen können beabsichtigt oder unbeabsichtigt entstehen, unbeabsichtigt sind z. B.
Bedienungsfehler, beabsichtigte das Ausspähen von Daten.
1.3.3 Aktiv ↔ Passiv
Schließlich führt er noch aktive und passive Bedrohungen an. Passiv ist z. B. das Abhören
eines Funkkanals oder des Ethernets, aktiv das Verfälschen von Nachrichten. Aktive Bedrohungen
sind leichter zu entdecken [Wohl99].
1.4 Bedrohungsszenarien
Es werden nun verschiedene klassische Bedrohungsszenarien dargestellt und anhand derer die
Eigenschaften entwickelt, die Sicherheit ausmachen. Diese dienen als Überschriften. Einige
dieser Eigenschaften erzeugen einen Zielkonflikt mit den Anforderungen des Datenschutzes.
Dieser Aspekt wird im Kapitel Datenschutz thematisiert. Geläufige Gegenmaßnahmen werden
kurz angesprochen. Anhand dieser Eigenschaften wird im Kapitel Bedrohungsanalyse die
LSI untersucht. Dort werden auch adäquate Gegenmaßnahmen diskutiert. Die Bedrohungen
werden nach der im vorigen Kapitel vorgestellten Systematik klassifiziert.
1.4.1 Vertraulichkeit
Bei einer Verletzung der Vertraulichkeit gewinnt neben den Berechtigten noch ein unbefugter
Dritter Kenntnis über Inhalte. Es handelt sich hier um einen absichtlichen oder unabsichtlichen
passiven Angriff nichttechnischer Natur. Er kann einerseits dadurch geschehen, dass ein
Nachrichtenkanal abgehört wird, andererseits kann sich ein Unbefugter Zutritt zu dem Gerät
verschaffen, auf dem die Daten abgelegt sind. Es kann sich um einen Server handeln oder um
den Verlust oder Diebstahl eines mobilen Clients. Im Zusammenhang mit der nachträglichen
Rekonstruktion eines Bewegungsprofils wirft dies Fragen danach auf, ob eine Speicherung
zurückliegender Positionsangaben auf dem Client erfolgen darf.
Eine Verletzung der Vertraulichkeit kann durch eine Verschlüsselung erschwert werden.
Diese kann sich sowohl auf die Nachrichtenübertragung als auch auf die Ablage von Daten
erstrecken.
1.4.2 Integrität
Bei einer Verletzung der Integrität werden Daten aktiv verändert. Dies geschieht i. d. R. absichtlich,
nicht-technisch bedingt, ist jedoch auch unabsichtlich durch technische Probleme
möglich, bzw. durch eine Fehlbedienung. Auch diese Bedrohung kann sich sowohl in der
Übertragung als auch auf dem Server oder Client manifestieren.
Ein mögliches Mittel gegen Integritätsverletzung ist die Erzeugung von Redundanz. Um auch
aktive Angriffe abzudecken muss diese aber so ausgelegt sein, dass die Redundanzinformation
nicht einfach aus den geänderten Daten erzeugt werden kann (Signierung). Auch eine
Verschlüsselung erschwert eine Modifikation beträchtlich, da keine gezielte Datenverände-

86 Sicherheit und Datenschutz für Mobile Anwendungen
rung mehr möglich ist. Ein einfaches Hinzufügen von z. B. Paritätsbits deckt dagegen nur
eine unbeabsichtigte Modifikation auf.
1.4.3 Identifikation und Authentizität
Bei einer Kommunikation oder auch nur der Benutzung eines Rechners muss sich ein Benutzer
zunächst identifizieren, z. B. durch eine Login-Prozedur, bei der er sich neben der Nennung
seines (Benutzer)namens durch weitere „Beweise“ authentisiert [Kelt92]. Bei einer Authentizitätsverletzung
stammt z. B. eine Nachricht nicht von dem Absender, der der Nachricht
zu entnehmen ist. Es handelt sich um einen aktiven, nichttechnischen, beabsichtigten Angriff
oder um einen Konfigurations- oder Bedienfehler, in diesem Falle wäre er unabsichtlich. Es
ist einerseits daran zu denken, dass sich ein Fremdcomputer als LSI-Server ausgeben könnte,
andererseits könnte sich ein Client unberechtigt LSI-Dienste zunutze machen.
Ein Mittel, um Authentizitätsverletzungen zu begegnen ist die Verwendung von Message
Authentication Codes, z. B. digitaler Signaturen oder auch in diesem Falle die Verwendung
einer Verschlüsselung, die den Urheber erkennen lässt. Hier ist allerdings die begrenzte Rechenkapazität
mancher Clients zu berücksichtigen, darüber hinaus ist die Sicherheit von hinterlegten
Schlüsselinformationen auf mobilen Geräten als eher gering einzustufen.
Grundsätzlich ist eine Identifikation und Authentisierung pro Kommunikationssitzung oder
pro Nachricht möglich.
1.4.4 Autorisierung und Zugriffssteuerung
Mit der Identifikation und Authentisierung eines Benutzers geht i. d. R. eine bestimmte Autorisierung
einher, d. h. der Benutzer hat Zugriff auf nur einen Teil eines Systems [Roth03]. Bei
einer Verletzung der Autorisierung, die das ganze Spektrum der Systematik umfassen kann,
erlangt ein Benutzer Zugriff auf Systembestandteile, die ihm nicht zustehen. Hierzu muss
natürlich klar definiert sein, auf welche Systemteile welcher Benutzer Zugriff haben soll.
Diese Überlegungen sind im Zusammenhang mit LSI insbesondere in der Serverkommunikation
anzustellen: Wer darf Informationen anbieten
1.4.5 Nicht-Abstreitbarkeit
In diesem Zusammenhang ist sicherzustellen, dass einerseits der Empfänger nachweisen kann,
dass eine konkrete Nachricht tatsächlich vom vorgeblichen Absender kommt. In Erweiterung
des Authentizitätsbegriffs kann der Sender also nicht mehr abstreiten, die fragliche Nachricht
erzeugt zu haben. Andererseits kann der Sender beweisen, dass ein Empfänger eine Nachricht
tatsächlich erhalten hat. Die Einstufung in die Systematik ist hier genauso vorzunehmen, wie
bei der Authentizität.
Dieser Aspekt kann durch die Erzeugung von authentischen Quittungen für eine Nachricht
sichergestellt werden.
1.4.6 Verfügbarkeit
Bei einem Angriff auf die Verfügbarkeit steht der entsprechende Dienst bei Bedarf nicht zur
Verfügung. Es handelt sich hier i. d. R. um einen aktiven, beabsichtigten technischen Angriff
(z. B. Denial of Service-Attacke) oder um ein passives unabsichtliches technisches Problem
(Antennenmast umgefallen).
Das klassische Gegenmittel sind hier hochverfügbare Systeme, die redundant ausgelegt sind,
so dass einzelne Ausfälle den Betrieb nicht unterbinden.

87 Hagen Barlag
1.4.7 Verlässlichkeit
Ein weiterer zentraler Sicherheitsaspekt eines Systems ist dessen Verlässlichkeit, d. h. die
Funktionsweise eines Systems muss den gestellten Anforderungen genügen; insbesondere
muss der Benutzer sich auf die Ergebnisse verlassen können, und er muss sie in einer Zeit
erhalten, die seinen Bedürfnissen entspricht. In diesem Zusammenhang existiert ein Interessenkonflikt
zwischen den Sicherheitsanforderungen und den durch die begrenzte Rechenkapazität
der Clients hervorgerufenen Antwortzeiten, wenn z. B. durch die Verwendung komplexer
Verschlüsselungsverfahren deren Prozessoren überlastet werden.
1.4.8 Beherrschbarkeit
Für den Nutzer eines Systems stellt dessen Beherrschbarkeit einen zentralen Aspekt dar.
Wohlfeil definiert Beherrschbarkeit als Schutz vor den unerwünschten Auswirkungen von
Technologien und Systemen [Wohl99]. Im Zusammenhang mit der LSI ist hier wohl in erster
Linie an die Erstellung von Bewegungsprofilen zu denken, die schon durch die technische
Grundkonzeption der Identifizierung und Autorisierung verhindert werden sollte.
Darüber hinaus gehört zur Beherrschbarkeit, dass der Benutzer weiß, was mit seinen Daten
passiert (s. folgendes Kapitel Datenschutz bzw. informationelles Selbstbestimmungsrecht!).
Schließlich kann sich für den Benutzer der Eindruck einer mangelhaften Beherrschbarkeit und
daraus folgend erhebliche Akzeptanzprobleme auch durch die ausgeprägte Asymmetrie in der
Beziehung zum Provider ergeben [Haus01], [Rodd02], der Benutzer hat den (zutreffenden)
Eindruck, der Provider könne mit seinen Daten machen „was er wolle“.
2 Datenschutz
2.1 Grundlagen
Die Ausführungen in diesem Kapitel stützen sich auf die Info 1 und die Info 5 des Bundesbeauftragten
für den Datenschutz [BFD03], [BFD01], sowie auf das Bundesdatenschutzgesetz
selbst [BDSG01].
Das Ziel des Datenschutzes ist es, den Menschen vor einer Gefährdung durch die nachteiligen
Folgen einer Datenverarbeitung zu schützen, insbesondere solchen Folgen, die sein Persönlichkeitsrecht
beeinträchtigen. Dieser Grundsatz wird aus den Artikeln 1 und 2 des Grundgesetzes
hergeleitet. Besondere Beachtung verdient in diesem Zusammenhang das Recht auf
informationelle Selbstbestimmung, wie das Bundesverfassungsgericht in seinem so genannten
Volkszählungsurteil 1983 festgestellt hat, d. h. der Einzelne muss u. a. mit hinreichender Sicherheit
überschauen können, was mit seinen Daten geschieht. Eingriffe in dieses Recht sind
nur auf Grundlage eines Gesetzes zulässig, die Verarbeitung personenbezogener Daten bedarf
der Zustimmung.
Als gesetzliche Grundlage des Datenschutzes dient das Bundesdatenschutzgesetz. Es definiert
weitgehende Rechte von Personen, deren Daten automatischer Datenverarbeitung unterliegen.
Andererseits ist es nicht so, dass dem Einzelnen eine völlige Herrschaft über seine Daten zugestanden
wird, insbesondere gegenüber dem Staat. Um das Gleichgewicht zwischen dem
Bürger und den Erfordernissen privater und öffentlicher Stellen zu wahren, wird das Bundesdatenschutzgesetz
in einer ganzen Reihe von weiteren Gesetzen und Verordnungen konkretisiert,
insbesondere wird z. B. auch die Weitergabe persönlicher Daten nicht von vornherein
ausgeschlossen. Diese Regelungen haben gegenüber dem Bundesdatenschutzgesetz den Vorrang,
berufen sich aber häufig auf dieses und konkretisieren dessen Anforderungen. Im Folgenden
werden zunächst die relevanten Bestimmungen des Bundesdatenschutzgesetzes umrissen,
um dann auf die weiteren Verordnungen einzugehen.

88 Sicherheit und Datenschutz für Mobile Anwendungen
2.2 Einschlägigkeit des Bundesdatenschutzgesetzes
Die Datenverarbeitung mit Hilfe des LSI oder eines andern mobilen Dienstes unterliegt dem
Datenschutzgesetz, denn es handelt sich um die Datenverarbeitung unter Verwendung von
Datenverarbeitungsanlagen, die nicht im rein familiären Umfeld stattfindet und es handelt
sich auch nicht um die Wahrnehmung hoheitlicher Aufgaben.
Daraus ergibt sich, dass eine für den Anwender anonyme Nutzung des Dienstes grundsätzlich
vorzuziehen ist, da diese dem Prinzip der Datenvermeidung gerecht wird.
Ist dies nicht möglich so ergeben sich weitreichende Rechte für den Anwender bzw. Verpflichtungen
für denjenigen, der die Daten erhebt. Diese Rechte und Verpflichtungen werden
im Folgenden kurz dargelegt.
2.2.1 Begriffsbestimmungen
Betroffener
ist diejenige bestimmte oder bestimmbare natürliche Person,
deren Daten erhoben bzw. verarbeitet werden.
Personenbezogene Daten sind Einzelangaben über persönliche oder sachliche Verhältnisse
eines Betroffenen wie Alter, Anschrift, Vermögen, Überzeugungen
usw.
Verantwortliche Stelle ist jede Person oder Stelle, die personenbezogene Daten für sich
selbst erhebt, verarbeitet oder nutzt oder dies andere im Auftrag
vornehmen lässt.
2.2.2 Restriktive Auslegung (§§ 4, 4a BDSG)
Im Umgang mit persönlichen Daten ist alles verboten, was nicht im Rahmen des Bundesdatenschutzgesetzes
oder einer anderen Verordnung ausdrücklich erlaubt wurde. Darüber hinaus
ist der Betroffene vom Verwender der Daten unaufgefordert zu benachrichtigen.
2.2.3 Einverständniserklärung (§§ 4, 4a BDSG)
Ein Nutzer eines Dienstes muss sein Einverständnis zur Verarbeitung seiner Daten i. d. R.
schriftlich erklären, sofern die Benutzung des Systems nicht anonym erfolgen kann. Ob evt.
auf die Schriftform nach §4a Abs1 BDSG und §89 Abs. 10 TKG verzichtet werden kann, ist
bei der Analyse des Systems zu überprüfen. Dies ist u. U dann der Fall, wenn dem Benutzer
nach Art des Dienstes die Schriftform nicht zuzumuten ist (Website, Mailgruppe).
2.2.4 Zweckbestimmung (§§ 14, 18, 28, 29 BDSG)
Die Zweckbestimmung der persönlichen Daten muss geklärt sein (z. B. Abrechnung der
Leistungen mit anschließender Vernichtung der Daten), insbesondere private Stellen sind
nach §28 Abs1 Satz 2 und §29 Abs. 1 Satz 2 verpflichtet, die Zwecke konkret festzulegen.
Die Erhebung darf nicht heimlich erfolgen. Die Daten dürfen nur für den Zweck verwendet
werden, für den sie erhoben wurden. Hiervon ist jedoch eine Reihe von Ausnahmen zulässig,
die nach öffentlichen und privaten Stellen unterschieden werden. Die Ausnahmen für private
Datenerheber sind:
• Zur Wahrnehmung berechtigter Interessen der verantwortlichen Stelle.
• Wenn die Daten allgemein zugänglich sind oder veröffentlicht werden dürfen.
• Zu wissenschaftlichen Zwecken.
• Für Zwecke der Werbung, der Markt und Meinungsforschung bei „listenmäßiger
Übermittlung“, jedoch nicht, wenn die Daten im Zusammenhang mit einem Vertrags-

89 Hagen Barlag
verhältnis oder einem vertragsähnlichen Vertrauensverhältnis gewonnen wurden.
Bei der listenmäßigen Übermittlung handelt es sich um die Weitergabe eines bestimmten
Kataloges, nämlich ein freies Merkmal, Berufs-, Branchen- oder Geschäftsbezeichnung,
Namen, Titel, akademische Grade, Anschrift und Geburtsjahr. Hiergegen
hat der Betroffene ein Widerspruchsrecht, das freie Merkmal darf nicht die z. B.
die Religionszugehörigkeit oder andere „sensible Informationen“ umfassen. Das Verfahren
ist rekursiv, d. h. der dem die Daten übermittelt wurden, darf sie seinerseits
weitergeben, solange dem Betroffenen auf Verlangen mitgeteilt wird, von wem seine
Daten stammen, damit er weiß, wohin er seinen Widerspruch richten muss. Wer keine
Werbung bekommen möchte, kann sich in die entsprechende Robinson-Liste eintragen,
deren Beachtung durch die Werbewirtschaft erfolgt jedoch freiwillig.
2.2.5 Benachrichtigung (§ 34 BDSG)
Speichert eine Stelle erstmalig Daten über einen Betroffenen, so ist dieser darüber zu benachrichtigen,
sofern der Betroffene dies nicht ohnehin weiß. Das Recht auf Benachrichtigung
erstreckt sich auf die gleichen Daten wie das Auskunftsrecht (s. u.!). Eine Speicherung ohne
ausdrückliches Einverständnis des Betroffenen könnte im Zusammenhang mit Mobile Computing
und Telekommunikation eintreten, wenn die Daten listenmäßig (s. o.!) übermittelt
wurden oder wenn eine neue Stelle die Daten des Betroffenen übernimmt (Roaming, Änderung
der Benutzerverwaltungsstruktur usw.). Es sind folgende Ausnahmen von der Pflicht zur
Benachrichtigung definiert:
• Die Daten sind nur deshalb gespeichert , weil sie wegen gesetzlicher, satzungsmäßiger
oder vertraglicher Aufbewahrungspflichten nicht gelöscht werden dürfen oder sie ausschließlich
der Datensicherung oder der Datenschutzkontrolle dienen und eine Benachrichtigung
einen unverhältnismäßigen Aufwand bedeuten würde.
• Die Daten müssen wegen einer Rechtsvorschrift oder wegen überwiegenden rechtlichen
Interesses eines Dritten geheim bleiben.
• Die Speicherung zur wissenschaftlichen Forschung geschieht und eine Benachrichtigung
einen unverhältnismäßigen Aufwand bedeuten würde.
• Die zuständige öffentliche Stelle gegenüber der speichernden Stelle festgestellt hat,
dass das Bekannt werden der Daten die öffentliche Sicherheit und Ordnung gefährden
würde oder dem Wohle des Bundes oder eines Landes schaden würde.
• Die Daten für eigene Zwecke gespeichert sind und aus allgemein zugänglichen Quellen
stammen und eine Benachrichtigung wegen der Vielzahl der Fälle einen unverhältnismäßigen
Aufwand bedeuten würde oder die Benachrichtigung der Betroffenen
den Geschäftszweck gefährden würde, es sei denn das Interesse der Betroffenen überwiegt.
Die speichernde Stelle legt schriftlich fest, unter welchen Voraussetzungen von einer Benachrichtigung
abgesehen wird.
2.2.6 Auskunftsrecht (§§ 19, 19a, 33, 34 BDSG)
Ein Betroffener hat das Recht auf Auskunft über die zu seiner Person gespeicherten Daten
einschließlich der Angaben, woher diese stammen, an wen sie übermittelt wurden und den
Zweck der Speicherung. Die Auskunft ist kostenlos zu erteilen, außer die Auskunft kann vom
Betroffenen für wirtschaftliche Zwecke genutzt werden, in diesem Falle dürfen die Gebühren
die direkt zurechenbaren Kosten für die Ermittlung der fraglichen Daten nicht übersteigen.
Sind die Daten unrichtig oder unzulässigerweise gespeichert, ist die Auskunft in jedem Falle

90 Sicherheit und Datenschutz für Mobile Anwendungen
kostenlos zu erteilen. Es ist ausdrücklich darauf hinzuweisen, dass der Betroffene bei persönlicher
Kenntnisnahme die Auskünfte unentgeltlich bekommen kann.
Es bestehen dieselben Ausnahmen von der Auskunftspflicht, wie bei der Benachrichtigungspflicht
(s. o.!). Wird aus diesen Gründen die Auskunft über bestimmte Punkte verweigert, ist
darauf hinzuweisen, außer der Zweck der Verweigerung würde dadurch gefährdet.
2.2.7 Einsichtsrecht in das Verfahrensverzeichnis (§§ 4g , 4d, 4e, 38 BDSG)
Die speichernden Stellen führen eine Übersicht, aus der hervorgeht, in welchen automatisierten
Verarbeitungen personenbezogene Daten gespeichert werden. Das Verfahrensverzeichnis
enthält folgende Angaben:
• Name oder Firma der verantwortlichen Stelle
• Inhaber, Vorstände, Geschäftsführer oder sonstige berufene Leiter und die mit der
Datenverarbeitung beauftragten Personen
• Anschrift der verantwortlichen Stelle
• Zweckbestimmung der Datenverarbeitung
• Eine Beschreibung der betroffenen Personengruppen und ihrer Daten oder
Datenkategorien
• Empfänger oder Kategorien von Empfängern, denen Daten weitergegeben werden
können
• Regelfristen für die Löschung von Daten
• Eine etwa geplante Datenübermittlung an Drittstaaten.
Dieses Verzeichnis kann von jedermann eingesehen werden.
2.2.8 Berichtigung (§§ 20, 35 BDSG)
Unrichtige Daten sind zu berichtigen, es ist zu vermerken, wenn ein Betroffener die Richtigkeit
bestreitet.
2.2.9 Löschung (§ 35 BDSG)
• Es sind Daten zu löschen, deren Speicherung unzulässig ist.
• Daten über rassische oder ethnische Herkunft, politische Meinungen, religiöse oder
Philosophische Überzeugungen, Gewerkschaftszugehörigkeit, Gesundheit, Sexualleben,
strafbare Handlungen, Ordnungswidrigkeiten, deren Richtigkeit von der speichernden
Stelle nicht bewiesen werden kann
• Daten, die nicht mehr benötigt werden sind gleichfalls zu löschen. Am Ende des vierten
Kalenderjahres nach einer Speicherung sind Daten daraufhin zu überprüfen.
2.2.10 Sperrung (§ 35 BDSG)
Wären Daten zu löschen und es steht dem ein besonderer Grund entgegen, so sind die Daten
zu sperren.
Besondere Gründe sind:
• Gesetzlich oder satzungsmäßig oder vertraglich festgelegte Aufbewahrungsfristen
• Schutzwürdige Interessen des Betroffenen
• Unverhältnismäßiger Aufwand der Löschung.
Bestreitet der Betroffene die Richtigkeit der Angaben und lässt sich dies nicht entscheiden,
sind die Daten zu sperren.

91 Hagen Barlag
Gesperrte Daten dürfen nicht übermittelt oder genutzt werden. Ausnahmen:
• Wissenschaftliche Zwecke
• Zur Behebung einer bestehenden Beweisnot
• Aus sonstigen Gründen im überwiegenden Interesse der speichernden Stelle oder eines
Dritten
2.2.11 Widerspruchsrecht (§§ 20 Abs 5, 35 Abs 5 BDSG)
Rechtmäßigen Datenverarbeitungen kann der Betroffene in Ausnahmefällen widersprechen,
sofern besondere Umstände in der Person des Betroffenen vorliegen und sein schutzwürdiges
Interesse das der verarbeitenden Stelle überwiegt.
2.2.12 Rechte beim Einsatz von Chipkarten (§ 6c BDSG)
Sollten Chipkarten mit einem Prozessorchip verwendet werden, so muss die ausgebende
Stelle den Betroffenen über folgende Sachverhalte informieren:
• Ihre Identität und Anschrift
• Die Funktionsweise des Mediums einschließlich der Art der Datenverarbeitung in
allgemein verständlicher Form.
• Wie der Betroffene seine Rechte auf Auskunft, Berichtigung, Löschung, Sperrung und
das Widerspruchsrecht ausüben kann. (Hierzu sind in angemessenen Umfang Lesegeräte
zur Verfügung zu stellen.)
• Welche Maßnahmen bei Verlust oder Zerstörung der Karte zu treffen sind.
Es ist für den Betroffenen kenntlich zu machen, wann ein Lesevorgang auf der Karte eine
Datenverarbeitung auslöst, damit andere nicht ohne Kenntnis des Betroffenen in den Besitz
seiner Daten gelangen.
2.2.13 Anrufung von Kontrollinstanzen für den Datenschutz (§§ 21, 38 BDSG)
Wer annimmt, bei der Datenverarbeitung in seinen Rechten verletzt worden zu sein, kann die
entsprechenden Aufsichtsbehörden der Länder anrufen, wenn die Verletzung durch eine nicht
öffentliche Stelle erfolgte. Bei öffentlichen Stellen sind die Datenschutzbeauftragten zuständig.
Diese Stellen untersuchen den Sachverhalt und unterrichten den Betroffenen vom Ergebnis.
Dabei wird Vertraulichkeit zugesichert. Die jeweils zuständige Stelle sowohl bei privater
als auch bei staatlicher Datenverarbeitung kann im Anhang 4 von [BFD03] nachgelesen
werden.
2.2.14 Schadenersatz und Schmerzensgeld (§§ 7, 8 BDSG)
Wenn eine verantwortliche Stelle einem Betroffenen durch eine unzulässige oder unrichtige
Datenverarbeitung einen Schaden zufügt, ist sie zum Ersatz verpflichtet. Bei einer schweren
Verletzung des Persönlichkeitsrechts kann auch ein Schmerzensgeld zuerkannt werden.
Die Stelle kann sich von diesen Ansprüchen frei halten, wenn sie nachweisen kann, die gebotene
Sorgfalt eingehalten zu haben.
2.2.15 Weitere Rechte
Andere Rechte betreffen z. B. die Videoüberwachung oder die automatisierte Entscheidung
(Maschinen entscheiden über Menschen) und werden hier nicht besprochen, da sie im Zusammenhang
mit Mobile Computing von untergeordneter Bedeutung sind.

92 Sicherheit und Datenschutz für Mobile Anwendungen
2.2.16 Übermittlung von Daten ins Ausland (§§ 4b, 4c BDSG)
Die Übermittlung von Daten innerhalb der EU ist genauso zu betrachten wie die innerhalb
Deutschlands (s. o.!)
Sofern eine Übermittlung der Daten ins außereuropäische Ausland in Betracht gezogen wird
(„Welt-Server“) so ist sicherzustellen, dass das entsprechende Land über ein angemessenes
Datenschutzniveau verfügt und der Betroffene kein schutzwürdiges Interesse am Ausschluss
der Übermittlung hat. Die Feststellung eines angemessenen Datenschutzniveaus kann entweder
durch die EU-Komission oder durch die übermittelnde Stelle selbst nach Art und Zweckbestimmung
der Daten, Dauer der Verarbeitung und anderen Kriterien festgestellt werden
(Einzelheiten § 4 Abs 3 BDSG).
Im Verkehr mit den USA, die kein angemessenes Datenschutzniveau aufweisen, wurde das
„Safe Harbour-Prinzip“ entwickelt. Der Empfänger muss sich verpflichten, ein der EU-Norm
entsprechendes Datenschutzniveau sicherzustellen, dann gelten die Regelungen des EU-Verkehrs
entsprechend.
Eine beabsichtigte Übermittlung ins Ausland ist dem Betroffenen von vornherein mitzuteilen.
2.2.17 Technische Vorkehrungen (§ 9, 10 BDSG)
Bei Erhebung, Verarbeitung und Nutzung personenbezogener Daten sind die notwendigen
technischen Vorkehrungen zu treffen, um die Vorschriften des Bundesdatenschutzgesetzes
einzuhalten, insbesondere ist:
• Unbefugten der Zutritt zu DV-Anlagen zu verwehren,
• zu verhindern, dass die DV-Anlagen von Unbefugten genutzt werden können,
• zu gewährleisten, dass die zur Benutzung des DV-Systems Berechtigten ausschließlich im
Rahmen dieser Berechtigung zugreifen können und personenbezogene Daten bei der Verarbeitung
und Nutzung und nach der Speicherung nicht unbefugt gelesen und kopiert, verändert
oder entfernt werden können.
Insbesondere sind die Schutzmaßnahmen als ein zusammenhängendes System zu verstehen,
in dem die Datenschutzmaßnahmen zusammen mit sonstigen Sicherheitsmaßnahmen entwickelt
werden. Konkret sind z. B. Befugte und ihre Zugriffsrechte für das LSI explizit zu definieren
und dürfen sich nicht aus programmtechnischen Zusammenhängen „einfach so“
ergeben.
Besonders hohe Anforderungen ergeben sich, sofern ein automatisiertes Abrufverfahren von
persönlichen Daten eingerichtet werden soll.
2.3 Weitere Gesetze und Verordnungen
Neben dem Bundesdatenschutzgesetz, dessen Auswirkungen im vorangegangenen Kapitel
angerissen wurden, sind im Zusammenhang mit dem Datenschutz in der Telekommunikation
bzw. dem Anbieten von Telediensten, einige weitere Gesetze einschlägig. So beschränkt z. B.
das Grundgesetz den Zugriff staatlicher Stellen auf private Kommunikationsdaten im Artikel
10 (Fernmeldegeheimnis). Die LSI stellt keine Kommunikationsleistungen im engeren Sinne
zur Verfügung, denn ein Datenaustausch findet ja nicht zwischen zwei Betroffenen statt,
vielmehr fragt ein Betroffener Dienste ab. (Da ich kein Jurist bin, ist diese Bewertung mit
Vorsicht zu genießen.) Somit handelt es sich um einen Teledienst. Es werden daher zunächst
die für Teledienste im privaten Geschäftsverkehr einschlägigen Gesetzeswerke vorgestellt um
anschließend der Vollständigkeit halber die Regelungen für Telekommunikationsdienste kurz

93 Hagen Barlag
zu umreißen. Die bereichsspezifischen Regelungen haben wie erwähnt den Vorrang
gegenüber dem Bundesdatenschutzgesetz.
2.3.1 Das Informations- und Kommunikationsdienstegesetz
Dieses Gesetz regelt die Rahmenbedingungen für Informations- und Kommunikationsdienste,
wobei vorausgesetzt wird, dass Inhalte übermittelt werden, es wird also ausdrücklich nicht die
Telekommunikation geregelt. Darüber hinaus wird festgelegt, wann ein Anbieter eines Teledienstes
auch Normadressat für die Regelungen der Kommunikation ist, nämlich dann, wenn
Kommunikationsdienste wie E-Mail oder SMS angeboten werden.. Zusammen mit ihm wurden
das Teledienstgesetz und das Teledienste-Datenschutzgesetz verabschiedet (s. u.!).
2.3.2 Das Teledienstegesetz
Dieses Gesetz gibt Anhaltspunkte zur Abgrenzung von Telediensten und Telekommunikationsleistungen
und legt die Anmeldefreiheit von Telediensten fest, sowie die Verantwortung
für deren Inhalt, d. h. ein Anbieter ist nur für eigene Inhalte verantwortlich. Darüber hinaus ist
der Anbieter eines Dienstes zu kennzeichnen.
2.3.3 Das Teledienste-Datenschutzgesetz
Hier werden die Regelungen des Bundesdatenschutzgesetzes für Teledienste konkretisiert. Es
wird die elektronisch erklärte Einwilligung geregelt und festgelegt, dass einem Nutzer eine
anonyme Nutzung eines Dienstes zu ermöglichen ist, sofern dies technisch möglich und zumutbar
ist. Es wird festgelegt, dass die Datenschutzbeauftragten der Länder zuständig sind.
Ein Anbieter muss eine Privacy Policy verfassen und dem Kunden auf Wunsch zugänglich
machen. Außerdem muss er den Kunden über Umfang und Zweck der Datenerhebung, –Verarbeitung
und –Nutzung unterrichten.
2.3.4 Telekommunikationsverordnungen
Es werden nun die für Kommunikationsdienste gültigen Gesetze stichwortartig umrissen.
• Das Telekommunikationsgesetz. Gültigkeit des Fernmeldegeheimnisses auch im privaten
Verkehr.
• Die Telekommunikations-Kundenschutzverordnung. Regelung der Vertragsverhältnisse
zwischen Anbietern von Telekommunikationsdienstleistungen und ihren Kunden,
Verbraucherschutz
• Die EU-Telekommunikations-Datenschutzrichtlinie. Regelung der Verarbeitung
persönlicher Daten in diesem Zusammenhang, Richtlinien für die Einzelstaaten, insbesondere
auch zur Verarbeitung von Standortdaten (!) z. B. Schutz vor unerwünschten E-
Mails. Diese Richtlinie hat keine unmittelbare Rechtswirkung, sondern muss von den EU-
Staaten in nationales Recht umgesetzt werden.
• Die Telekommunikations-Überwachungsverordnung. Regelt den Zugriff staatlicher
Stellen auf Kommunikationsdaten zum Zwecke der Strafverfolgung: Sollte es möglich
sein mit einem Dienst Bewegungsprofile zu erstellen, könnte man sich der Forderung gegenübersehen,
diese auch preiszugeben, bzw. sogar die entsprechende Möglichkeit zu
schaffen. Andererseits dürfen nach deutschem Recht nur wirkliche Kommunikationsdienste
abgehört werden (E-Mail, Internettelefonie, SMS und Mailboxsysteme).

94 Sicherheit und Datenschutz für Mobile Anwendungen
2.3.5 Weitere praktische Konsequenzen
Über die im Abschnitt über das Datenschutzgesetz formulierten Anforderungen hinaus ergeben
sich aus den genannten Vorschriften noch zwei für mobile Anwendungen bedeutsame
Sachverhalte.
1. Einige Tatbestände sind mit Bußgeld bedroht, darunter u. a.:
• Nutzung der Bestandsdaten für Beratung, Werbung, Marktforschung ohne Einwilligung
des Kunden
• Speicherung der Verbindungsdaten über das Ende der Verbindung hinaus, obwohl sie
nicht mehr erforderlich sind
2. Sollte die Nutzung eines Dienstes mit Rechnungsstellung erfolgen, so sind die diesbezüglichen
Vorschriften (z. B. über Einzelverbindungsnachweis usw.) sinngemäß
anzuwenden.
3 Fazit
Bei Überlegungen zur Sicherheit einer mobilen Anwendung ist stets das System als Ganzes
insbesondere einschließlich seiner Benutzer zu betrachten. Hierbei sind in die Überlegungen
neben den klassischen Zielen Integrität, Authentizität, Autorisierung, Vertraulichkeit und
Nicht-Abstreitbarkeit auch die Verfügbarkeit, Verlässlichkeit und Beherrschbarkeit einzubeziehen.
Diesbezügliche Mängel eines Systems können sein Scheitern aufgrund fehlender Akzeptanz
zur Folge haben.
Außerdem müssen schon beim Entwurf die Datenschutzaspekte mindestens gleichwertig neben
den technischen Erwägungen behandelt werden. Hier ist in erster Linie das Prinzip der
Datenvermeidung anzuführen, d. h. nach Möglichkeit auf die Erhebung persönlicher Daten
völlig oder möglichst weitgehend zu verzichten, bei dessen Beachtung die erheblichen Verpflichtungen,
die sich aus den bundesdeutschen Rechtsvorschriften für den Betreiber einer
Datenverarbeitungsanlage ergeben, ganz oder teilweise entfallen. Bei der Abwägung, ob eine
Vorgehensweise überhaupt in Frage kommt, ist die restriktive Auslegung von entscheidender
Bedeutung, also die Tatsache, dass im Zusammenhang mit der Erhebung persönlicher Daten
alles verboten ist, was nicht ausdrücklich durch die einschlägigen Gesetze erlaubt wurde.
Man muss sich bewusst sein, dass Datenschutzverletzungen Verletzungen der Menschenwürde
und des Persönlichkeitsrechts zur Folge haben können, Gütern von zentralem
Verfassungsrang.

95 Hagen Barlag
Referenzen
[Anon99]
Anonymus: Hacker’s guide – Sicherheit im Internet und im lokalen Netz, Markt&Technik,
Haar bei München 1999
[BDSG01]
Bundesdatenschutzgesetz nach der Novelle vom 21. Mai 2001, zitiert nach [BFD03]
[BFD01].
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Telekommunikation
http://www.bfd.bund.de/information/pdf/info_5.pdf
[BFD03]
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Schilit, B. et al.: Context-Aware Computing Applications, Workshop on Mobile Computing
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96 Sicherheit und Datenschutz für Mobile Anwendungen
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Schneier, B.: Secrets and Lies – IT Sicherheit in einer vernetzten Welt, Wiley VCH-Verlag,
Weinheim, 2001
[Wohl99]
Wohlfeil, S.: Sicherheit im Internet, Kurs 1866 der Fernuniversität Hagen
Hagen 1999

Sicherheitsproblematik am Beispiel der
Location Server Infrastructure
Stephan Drautz
Fernuniversität Hagen
Universitätsstraße 1
58084 Hagen
sdrautz@gmx.de
Zusammenfassung: In diesem Dokument wird die Sicherheitsproblematik an einem
konkreten Beispiel dargestellt. Hierzu wird näher auf die Location Server Infrastructure
(LSI) eingegangen, welche von Dr. Jörg Roth an der Fernuniversität Hagen entwickelt
wird. Hierbei wird genauer die Problematik analysiert, welche im Bezug auf die Einbindung
dieser prinzipiell globalen Struktur entstehen können.
1 Vorstellung von LSI
Die Location Server Infrastructure ist ein Framework zur Entwicklung ortsbasierter Dienste.
Sie ist selbstorganisierend, dezentral und stellt eine einheitliche Sicht auf Ortsinformationen
zur Verfügung. Die folgende Darstellung der Location Server Infrastructure beruht auf
[Roth03].
1.1 Begriffe und Definitionen
Der Begriff Location Awareness ist ein zentrales Konzept des Mobile Computing. Hier handelt
es sich darum, dass eine Applikation den gegenwärtigen Aufenthaltsort eines Benutzers
berücksichtigt und einen davon abhängigen Output erzeugt.
Bei den bisherigen Entwicklungen, die Location Awareness einschlossen, wurden entweder
physikalische oder semantische Koordinaten berücksichtigt. Bei physikalischen Koordinaten
handelt es sich um eine Positionsangabe auf der Erdoberfläche im Sinne eines Längen- und
Breitenbestimmung evt. mit Höhenangabe (N51 o 22.579/E007 o 29615/169m), wie sie z. B. ein
GPS-System liefert. Eine semantische Positionsangabe beinhaltet Informationen zur Bedeutung
eines Ortes (Hauptbahnhof Hagen/NRW) [Prad00]. Die LSI behandelt beide Arten von
Ortsinformationen. Für Applikationen ist in der Regel die semantische Angabe bedeutsamer
als die physikalische, denn sie ist für den Benutzer unmittelbar bedeutungstragend, eine semantische
Angabe überdeckt i. d. R. eine ganze Anzahl physikalischer Orte und ein semantischer
Name ist z. B. als Index einer Datenbank geeignet, im Gegensatz zu physikalischen Koordinaten.
Der Location Server stellt auf Anfrage des Clients die physikalischen und semantischen Ortsinformationen
zur Verfügung.
Es werden folgende Definitionen vereinbart:
1) Es sei P die Menge aller physikalischen Orte.
2) S⊆P sei eine semantische Ortsangabe.
3) C⊆2 P sei ein semantisches Koordinatensystem.
4) Ein „vernünftiges“ semantisches Koordinatensystem ist für den Benutzer bedeutungstragend.
5) Wir verwenden nur physikalische und semantische Koordinatensysteme.
6) Sei N die Menge aller Namen.

98 Sicherheitsproblematik am Beispiel der Location Server Infrastructure
7) Mit der Relation C->N werden die semantischen Koordinaten auf die Namen abgebildet.
Namen werden nicht mehrfach verwendet. Ein semantischer Ort mit seinem Namen heißt
Semantische Domäne oder nur Domäne.
8) Domänen können wiederum Domänen enthalten, sog. Subdomänen. Die Fläche einer Subdomäne
muss vollständig in der entsprechenden Domäne enthalten sein; es handelt sich
um ein hierarchisches Modell.
9) Die Relation SL: P->2N ordnet den physikalischen Orten alle dazu gehörenden semantischen
Namen zu.
10) Die Relation SLA: 2P->2N ordnet den physikalischen Orten alle semantischen Namen zu,
die den Ort überlappen.
11) Die Relation PL: N->C ordnet semantischen Namen entsprechende Flächen zu.
1.2 Die Ziele der LSI
Bei der Entwicklung von LSI wurden folgende Ziele verfolgt:
1. Es sollen einheitliche Ortsinformationen zur Verfügung gestellt werden, unabhängig vom
verwendeten Bestimmungssystem.
2. Für jede Position stehen die physikalischen Koordinaten und alle semantischen Namen
zur Verfügung.
3. Die Architektur ist dezentral.
4. Die Clients finden automatisch einen geeigneten Server.
5. Die Infrastruktur ist leicht wartbar. Es werden insbesondere Änderungen in C und N automatisch
über das Netzwerk weitergegeben.
6. Die Infrastruktur skaliert für eine große Anzahl Orte bzw. Clients.
7. Häufig angeforderte Daten stehen mit geringer Netzwerklatenz zur Verfügung, selten
benötigte können dennoch über das WAN aufgelöst werden.
8. Das Serverprogramm ist leichtgewichtig. Die Clients können auch auf beschränkter Hardware
z. B. „embedded“ oder „PDA“ laufen.
9. Die Infrastruktur ist gegen Angriffe abgesichert. Es soll sehr teuer sein, Bewegungsprofile
zu erstellen.
10. Die Infrastruktur soll auch mobile semantische Orte, z. B. Autos, Züge… unterstützen.
Die hierdurch resultierenden Ortsänderungen sollen schnell durch das Netz verbreitet
werden.
1.3 Das Domänenmodell
Wie oben erwähnt, schränken wir die semantischen Koordinatensysteme für die LSI auf hierarchisch
strukturierte ein. Jede Hierarchie hat eine Root-Domäne, diese kann verschiedene
Subdomänen haben, die ihrerseits Subdomänen enthalten können. Jede (Sub)Domäne ist
Master ihrer Subdomänen.
Es gibt eine physikalische Hierarchie, über die die physikalischen Informationen abgebildet
werden, deren root-Domain wird in Anlehnung an DNS-Namensraum benannt (s. u.). Es kann
zahlreiche semantische Hierarchien geben, hier müssen die Konzepte noch entwickelt werden.
Domänen können zwei Arten von Beziehungen haben:
Die Beziehung zwischen Domäne und Subdomäne heißt Relation und bedeutet u. a. wie erwähnt,
dass die Subdomäne in der Domäne enthalten ist. Der Name der Subdomäne wird so
gebildet, dass ein Bezeichner mit einem Trennzeichen vor den Namen der Domäne gestellt
wird. (z. B. „hagen.de“: „hagen“ ist eine Subdomäne von „de“.)
Überlappen sich die Gebiete zweier Domänen, so nennen wir sie „assoziiert“. Diese Beziehung
kann sich sowohl in einer Domäne abspielen als auch über verschiedenen Domänen

99 Stephan Drautz
erstrecken. Ein Beispiel für den ersten Fall wäre, dass sich die Domänen von fley.hagen.de
und fernuniversität.hagen.de überlappen, z. B. weil die Fernuniversität einen eigenen Server
betreibt, der ihr Gebiet genauer abbildet als der Fley-Server, sie aber andererseits nicht vollständig
in Fley liegt. Ein Beispiel für den zweiten Fall wäre, dass die Domäne
„hagen.pizzadienst.service“ mit hagen.de assoziiert ist, weil der Pizzadienst in Hagen ausliefert.
Abb. 2.1 zeigt zwei assoziierte Hierarchien, aus denen die Beispiele stammen.
Abbildung 1: Zwei assoziierte LSI-Hierarchien [Roth03a]
1.4 Die Architektur
Die Architektur folgt aus dem Domänenmodell und besteht aus
• einer Menge von Positionierungssystemen
• der Location Server Infrastruktur
• einer Menge von ortsbasierten Diensten und Applikationen
• mobilen Knoten, die die angebotenen Dienste nutzen (Clients).
Der mobile Knoten ist mit einem oder mehreren Positionierungsdiensten verbunden. Außerdem
ist er mit dem Location Based Service verbunden, der die LSI nutzt. Die LSI selbst
besteht aus einer Anzahl von Location Servern, die durch Relationen und Assoziationen
logisch verbunden sind und den semantischen und physikalischen Raum abdecken. Ein Server
ist für seine Domänen und alle diejenigen seiner Subdomänen verantwortlich, für die kein
eigener Server installiert ist. Jeder Client hat zu jedem Zeitpunkt einen speziellen Location
Server, bei dem er sich anmeldet und der die Anfragen für ihn bearbeitet bzw. weiterreicht (s.
u.!), den Local Location Server LLS. Dieser Server kann sich ändern, während der Client sich
bewegt, weil dieser die Domäne wechselt. Dem LLS sind die relevanten Informationen seiner
Domäne bekannt, insbesondere:
• die installierten Positionierungssysteme
• die semantischen Orte
• die physikalischen Orte
• die Relationen SL, SLA und PL
• sein Master
• die mit ihm assoziierten Server.
Die erste Aufgabe eines Clients, wenn er eingeschaltet wird oder wenn er sich in ein neues
Gebiet bewegt ist es, seinen LLS zu finden. Hierzu stehen ihm drei Mechanismen zur Verfügung,
nämlich global discovery, local discovery und positioning system discovery, die sich im

100 Sicherheitsproblematik am Beispiel der Location Server Infrastructure
Wesentlichen darin unterscheiden, welche Netzinfrastruktur sie benutzen, um den Kontakt zu
ihrem LLS herzustellen, und welche Informationen schon zur Verfügung stehen müssen.
Global Discovery bedient sich Multicast- oder Geocast-Mechanismen, um einen LLS zu
ermitteln. Ist schon mindestens ein LLS bekannt und erreichbar, kann auch dieser nach dem
aktuellen LLS befragt werden (LSI-based Discovery), indem die aktuelle Clientposition
übermittelt wird. Der LLS ermittelt dann ggf. über die Hierarchie den aktuellen LLS.
Local Discovery setzt ein Netzwerk mit begrenzter räumlicher Ausdehnung voraus, z. B. ein
LAN. In diesem Falle können die relevanten Informationen zum LLS z. B. im DHCP-Server
abgelegt werden. Bei einer kleinen Anzahl Hosts kann das gesamte Subnetz nach dem LLS
abgesucht werden. Schließlich ist es noch möglich nach einem festen symbolischen Namen zu
fragen, z. B. „LLS.Subnetz.Netz.de“.
Bei der Positioning System Discovery werden die notwendigen Einzelheiten zum LLS z. B. in
den vom Positionierungssystem verwendeten Beacon Frames mit hinterlegt [WIPS00] und
könnten abgefragt werden.
In der Praxis wird zunächst die positioning system discovery verwendet und nur im Misserfolgsfall
zur local und global discovery eskaliert, damit zunächst der LLS, der am nächsten
am Client ist und am meisten über dessen Gebiet weiß, erreicht wird.
Der Client kann an mehrere Positionierungssysteme angeschlossen sein und befragt diese, ob
sie ihm eine Position geben können. Hat er eine oder mehrere Positionsangaben bekommen,
so wählt er eine aus und befragt den LLS, indem er ihm die Positionsdaten übermittelt und
mitteilt, von welchem Positionierungssystem sie kommen.
Diese Information benutzt der LLS, um dem Client die fehlenden physikalischen und semantischen
Informationen zu übermitteln. Hierbei erfolgt ggf. ein Weiterreichen der Anfrage
durch den LLS an andere Server, sofern er für bestimmte Aspekte nicht lokal, d. h. zuständig
ist. Insbesondere werden dem Client auch die assoziierten Server mitgeteilt, die er nach weiteren
semantischen Informationen befragen kann, sofern er alle selbst erreicht (outbound mode).
Sind die Server nicht oder nicht in angemessener Zeit durch den Client erreichbar, kann diese
Kommunikation auch durch den LLS abgewickelt werden, d. h. dieser führt die weiteren Anfragen
durch und reicht die Ergebnisse an den Client heraus (inbound mode). Da dies bei zahlreichen
verbundenen Clients den LLS stark belastet und es aus Datenschutzgesichtspunkten
bedenklich ist, wird der inbound mode nur aktiviert, wenn der outbound mode gescheitert ist.
Wenn ein Location Server neu in Betrieb genommen wird, muss er andere Location Server
suchen. Dies geschieht mit den Discovery Mechanismen, die im vorangegangenen Absatz
beschrieben wurden. Der Server teilt darin zusätzlich mit, welche physikalische Fläche er
abdeckt. Es ist in diesem Zusammenhang leicht, seinen Master oder eine Subdomain zu identifizieren,
dies geschieht über die beschriebene Namenskonvention (intern: dies setzt allerdings
voraus, dass dem, der den Server in Betreib nimmt, die relevante Hierarchie bekannt
ist.). Die Identifikation assoziierter Server geschieht über die Berechnung überlappender Flächen:
Ein Server ist assoziiert, wenn sich die Flächen überlappen und die Überlappung nicht
vollständig durch eine entsprechende Subdomain abgedeckt ist. Darüber hinaus müssen beide
Server entweder verschiedenen Hierarchien angehören, oder keine direkte Relation miteinander
haben.
Nach dem Eintreffen der Antworten auf die Discovery-Prozedur registriert sich der Server bei
den in Frage kommenden anderen Servern, diese Informationen werden in einer lokalen
Datenbank gespeichert.
Dieser Prozess muss ggf. wiederholt werden, wenn ein Server offline gegangen war; außerdem
müssen sich die Server nach einer bestimmten Zeitspanne erneut registrieren, um nicht
aus den Datenbanken gelöscht zu werden.
Für Mobile Domänen, z. B. das Innere eines Zuges, sind einige Besonderheiten zu berücksichtigen:

101 Stephan Drautz
• Die Assoziationen ändern sich rasch (bzw. überhaupt), da die Domäne sich bewegt.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die Domäne sich häufig neu registrieren muss.
• Auch die globale Position ändert sich, d. h. die Domäne muss ihre globale Position
ständig kennen, z. B. über einen GPS-Receiver.
Die Anmeldung an einer mobilen Domäne ist unten bei den Datenschutzerwägungen gesondert
zu diskutieren.
2 Sicherheitsrelevante Aspekte im Bezug auf die LSI
Die LSI als Netzwerkstruktur, welche sowohl im LAN-Bereich als auch drahtlos arbeitet,
muss natürlich unterschiedliche Sicherheitsanforderungen erfüllen. Hierbei gilt es prinzipiell,
zwei Themenschwerpunkte zu berücksichtigen. Zum einen wäre dies die Kommunikation im
Backbone-Bereich zwischen den Servern, zum anderen die Kommunikation zwischen Server
und meist drahtlos angebundenen Clients – in Form von Handys, PDAs, Laptops o.ä.
2.1 Kommunikation Server – Server
Hier gibt es zwei Arten von Nachrichten, die zunächst prinzipiell zu unterscheiden sind, nämlich
einerseits die Kommunikation zwischen physischen Servern (*.de) und jene zwischen
diesen und den mit ihnen assoziierten Servern. Dieser Aspekt spielt jedoch nur im Rahmen
der Vertraulichkeit eine Rolle und wird entsprechend dort diskutiert.
2.1.1 Vertraulichkeit
Die zwischen den Servern ausgetauschten Nachrichten sind zunächst öffentlich, d. h. die
Sicherung einer Vertraulichkeit ist auf den ersten Blick nicht erforderlich. Eine Ausnahme
stellt hier die Authentifizierung eines Clients dar, wenn sie über einen zentralen Server erfolgt
und die Anfrage vom LLS des Clients „hochgereicht“ wird [Roth03a], da der Client seinen
Standort in der Regel nicht weiter als durch die Benutzung des Systems unumgänglich
verbreiten will.
Es ist allerdings zu beachten, dass die zwischen den Servern ausgetauschten Nachrichten
besonders bei geringer Auslastung des Systems und feingranulärer Serverstruktur evt. zur
Rekonstruktion eines Bewegungsprofils dienen können. Eine generelle Verschlüsselung
würde dies wirkungsvoll unterbinden, da dann einzelne Abfragen nicht mehr von einem generellen
Datenabgleich zu unterscheiden wären. Je nach Hardwareausstattung und Auslastung
des Systems sollte man von einer generellen Verschlüsselung zu einer Signierung der Nachrichten
umschalten können(s. u.).
2.1.2 Integrität
Die zwischen den Servern ausgetauschten Daten sind gegen unbemerkte Veränderung zu
sichern. Dies kann entweder durch eine digitale Signatur oder durch (Public Key)-Verschlüsselung
der gesamten Nachricht erfolgen.
2.1.3 Identifikation und Authentizität
Die Server, die Nachrichten verschicken, bzw. ein Gebiet übernehmen, dürfen dies nur nach
erfolgter Identifikation und Authentisierung tun. Einen sicheren Schlüsselaustausch vorausgesetzt,
kann auch dieses Problem mit kryptografischen Verfahren gelöst werden.

102 Sicherheitsproblematik am Beispiel der Location Server Infrastructure
2.1.4 Autorisierung und Zugriffssteuerung
Für jeden Server ist zu definieren, welche Nachrichten er verschicken darf. Insbesondere gilt
dies für Aktualisierungen von semantischen Orten bzw. des abgedeckten physikalischen
Gebiets. Dies setzt eine sichere Identifikation voraus. Die entsprechenden Berechtigungen
sind im Master des Servers zu verwalten.
2.1.5 Nicht-Abstreitbarkeit
Dieser Aspekt könnte in Zusammenhang mit verschickten „falschen“ Informationen von
Bedeutung sein, wenn es z. B. darum geht, einem malignen LSI-Server diese Eigenschaft
nachzuweisen. Insbesondere im Bereich kostenpflichtiger Dienste kann auf eine Implementierung
dieser Eigenschaft wahrscheinlich nicht verzichtet werden.
2.1.6 Verfügbarkeit
Hier steht in erster Linier ein Schutz gegen Denial-of-Service-Angriffe zur Diskussion. Da
durch die Identifikation und Autorisierung klar ist, welcher Server mit welchem kommunizieren
darf und es sich hierbei um überschaubare Größenordnungen handelt, ist ein LSI-Server,
der das System durch exzessives Nachrichtenaufkommen blockiert, schnell von der Kommunikation
abzuschneiden. Ein Nicht-LSI-Rechner, der sich als solcher tarnt und einen Angriff
durchführt, könnte sich nicht identifizieren. Allerdings sind hierzu die entsprechenden Pakete
zu überprüfen, so dass im Endeffekt eine Attacke durchschlagen könnte.
2.1.7 Verlässlichkeit
Die Verlässlichkeit des Systems lässt sich durch Backup-Server, „saubere“ Programmierung
und Sicherung der Server vor fremden Servern herstellen.
2.1.8 Beherrschbarkeit
Dieses Thema trägt insofern zum Kapitel bei, als das durch eine übersichtliche klare Strukturierung
der Programme und Definition klarer Abläufe dazu beigetragen werden kann, Fehlern,
welche durch die Bedienung entstehen, vorzubeugen.
2.2 Kommunikation Server – Client
2.2.1 Vertraulichkeit
Nach den Zielen, die für den Entwurf der LSI definiert wurden, soll es teuer sein, Bewegungsprofile
von Benutzern zu erstellen. Dies soll für die Betreiber und erst recht für nicht
beteiligte Dritte gelten. Damit ist die Vertraulichkeit der Client-Server-Kommunikation
sicherzustellen, sie kann durch kryptografische Verfahren erreicht werden, problematisch ist
hier die z. T. geringe Rechenkapazität der Clients.
2.2.2 Integrität
Die Integrität der zwischen Client und Server ausgetauschten Nachrichten ist zu sichern. Dies
ist aber bei Verwendung geeigneter Verfahren schon durch die im vorigen Kapitel aufgestellte

103 Stephan Drautz
Vertraulichkeitsforderung abgedeckt, d. h. die Verschlüsselungsverfahren dienen beiden
Anforderungen.
2.2.3 Identifikation und Authentizität
Die Frage nach Identifikation und Authentizität hängt davon ab, ob die Infrastruktur auf der
Ebene eines Forschungsprojekts betrieben wird oder ob. z. B. für den Service Rechnungen
gestellt werden sollen. Im Sinne des Datenschutzes wäre es am Besten, man käme ohne Identifikation
aus (s. o.). Dies ist jedoch nur möglich, wenn die LSI als kostenloser Dienst oder für
einen Pauschalpreis betrieben wird. Auch die Verhinderung von Denial of Service Attacken
kann eine Identifikation unumgänglich machen.
2.2.4 Autorisierung und Zugriffssteuerung
Die Autorisierung für die LSI ist dadurch abgedeckt, dass ein Client sich am System anmelden
kann. Es ist also ggf. zu prüfen ob er einen gültigen Account hat. Er erhält dann sein physikalische
Position und alle semantischen Positionen, die sich ermitteln lassen. Eventuell ist
die Liste der semantischen Domänen für einen Benutzer beschränkt (weil er nicht alle abonniert
hat), dann ist der Informationsfluss entsprechend einzuschränken. Weiterer Zugriff ist
nicht erforderlich und auch nicht implementiert. Es ist zu prüfen, ob ein Client sich weitergehenden
Zugriff verschaffen kann, z. B. durch eine Buffer-overflow-Attacke usw. (Diese spezielle
Attacke nicht, da es in Java geschrieben ist.)
2.2.5 Nicht-Abstreitbarkeit
Für den Fall, dass nach Verbindung oder nach in Anspruch genommenem Service abgerechnet
werden soll oder ein Dritter (Pizzadienst) nach Anzahl der vermittelten Kunden bezahlten
muss, ist eine Nicht-Abstreitbarkeit sicherzustellen. In den übrigen Fällen kann auf diesen
Overhead verzichtet werden.
2.2.6 Verfügbarkeit
Auch in diesem Fall sind in erster Linie Denial of Service-Angriffe abzuwehren. Wegen der
begrenzten Rechen- und Kommunikationskapazität der Clients ist hier wohl in erster Linie an
DDoS-Angriffe zu denken. Diesen kann z. B. durch Identifikationsmechanismen und Begrenzung
der Anzahl der Positionsabfragen pro Client und Zeit begegnet werden. Die einzelnen
Mechanismen werden unten näher diskutiert.
2.2.7 Verlässlichkeit
Für den Endanwender ist ein verlässlicher Dienst wichtig, um den Nutzen und damit auch die
Akzeptanz zu erhöhen. Hierunter fällt wie auch schon bei der Serverkommunikation
beschrieben eine „saubere“ Programmierung, um Programmabstürze zu vermeiden. Hierzu
müssen beispielsweise Fehler abgefangen und möglichst korrigiert werden.
2.2.8 Beherrschbarkeit
Auch die Beherrschbarkeit ist für den Anwender ein wichtiger Faktor im Bezug auf die
Sicherheit, wie es aktuelle Beispiele von Betriebssystemen oder Anwenderprogrammen (z.B.
Windows) zeigen. Durch Komplexität und schlechte Strukturierung kann es schnell zu Konfigurationsfehlern
und damit verbunden dann zu Sicherheitslücken in den Systemen kommen.

104 Sicherheitsproblematik am Beispiel der Location Server Infrastructure
3 Bedrohungsanalyse
Schneier schlägt vor, bei der Bedrohungsanalyse zunächst die möglichen Angriffsziele zu
identifizieren und dann zu untersuchen, wie diese Ziele unter Umständen zu erreichen sind.
[Schn01].
3.1 Betreiben eines malignen LSI-Servers
• Hier handelt es sich um das Betreiben eines Servers, der keine oder falsche Informationen
übermittelt, oder Nachrichten nicht korrekt weiterleitet.
•
3.2 Unbefugtes Betreiben eines LSI-Servers
• Da alle Details der LSI öffentlich sind und das Netzwerk selbstorganisierend ist, ist es
möglich einen Server zu betreiben, der sich einfach ins Netz einklinkt, ohne das er
„angemeldet“ ist, falls eine Anmeldung erforderlich ist.
3.3 Nachträgliche Modifikation von Serverdaten
• Jemand könnte sich nachträglich Zugriff auf Serverdaten verschaffen und diese verändern.
Hier handelt es sich um das Problem der physischen und logischen Absicherung der
Serverdaten. Bei Erfolg mündet diese Attacke in das Betreiben eines malignen Servers.
•
3.4 Denial of Service Attacken
• Bei von Clients ausgehenden Denial of Service-Attacken wird ein LLS durch einen Strom
von korrekten oder inkorrekten Anfragen so ausgelastet, dass der Dienst für legitime
Benutzer nicht mehr zur Verfügung steht.
• Es ist auch möglich, von einem LSI-Server eine Denial of Service-Attacke zu starten,
indem zahlreiche Anfragen gestellt werden, hinter denen keine echten Clients stehen. Hier
ist ggf. die Abgrenzung gegen legitime Anfragen schwierig. Diese Attacke setzt voraus,
dass zuvor die LSI-Software unautorisiert modifiziert wurde.
• Schließlich kann ein Rechner, der nicht in der LSI eingegliedert ist, eine Attacke starten,
indem er den Rechner mit normaler oder fehlerhafte TCP/IP-Kommunikation
überschwemmt
•
3.5 Erstellung von Bewegungsprofilen
• Jemand, der Zugriff auf einen LSI-Server hat, könnte die Daten nutzen um von Clients
Bewegungsprofile zu erstellen, was einen erheblichen Eingriff in die Datenschutzrechte
der Benutzer darstellen würde.
•
3.6 Betreiben eines LSI-Servers mit unautorisiert veränderten Programmteilen
• Wenn es möglich ist, die LSI-Software nachträglich zu verändern, ohne dass die
Funktionalität beeinträchtigt ist, können zahlreiche die Sicherheit gefährdende
Änderungen vorgenommen werden. So wäre es z. B. möglich, die Positionsanfragen zu
speichern, um nachträglich Bewegungsprofile zu erstellen, künstliche Positionsanfragen
für Denial of Service Attacken zu benutzen oder um den gesamten Datenbestand eines
assoziierten Servers abzufragen.

105 Stephan Drautz
•
3.7 Benutzung eines fremden LSI-Accounts
• Sollte die Benutzung von LSI kostenpflichtig erfolgen und pro Anfrage abgerechnet
werden, kann die Benutzung eines fremden Accounts für dessen Eigentümer zu nicht
unbeträchtlichem finanziellem Schaden führen.
•
3.8 Erzeugen falscher LSI-Nachrichten
• Diese Attacke kann als Folge des eben diskutierten Punktes „Server mit unautorisiert
veränderten Programmteilen“ erfolgen oder die Nachrichten können von anderen
Programmen erzeugt werden. Sie können zu Denial of Service Attacken oder zum
Erlangen anderer Informationen verwendet werden.
•
3.9 Mithören der LSI-Nachrichten
• Diese Attacke kann genutzt werden, um entweder in den Genuss von LSI-Informationen
zu gelangen, obwohl man den Dienst nicht lizenziert hat oder um z. B. persönliche
Informationen eines Nutzers zu bekommen.
•
3.10 Unbefugter Zugriff auf persönliche Daten
• Dies kann entweder auf einem Kontenserver oder im Verlauf der Nutzung des Dienstes
durch abhören erfolgen. Es ist aus datenschutzrechtlichen Gründen zu unterbinden.
•
3.11 Nichtautorisierte Nutzung kostenpflichtiger Dienste
• Wenn Dienste kostenpflichtig angeboten werden sollen, erfordert es dieses Lizenzmodell,
dass die unautorisierte Nutzung nach Möglichkeit teurer sein sollte als das Lizenzieren des
Dienstes, da sonst kein Anreiz besteht, den Service zu kaufen
•
3.12 Nutzung der LSI-Client-Software mit unautorisiert veränderten Programmteilen
• Hier besteht einerseits die Gefahr der Nutzung nichtautorisierter Dienste, andererseits die
der Denial of Service Attacke durch Umgehen eingebauter Sicherungen, z. B. eine
Zeitsperre nach erfolgter Abfrage.
•
3.13 Kryptografische Attacken
• Wie eine unbefugte Person – in diesem Kapitel als Charly, oft auch als großer Bruder
Mallory bezeichnet - an die Daten kommt, wird nicht behandelt. Denkbar ist der Einsatz
von Sniffer-Programmen oder die Manipulation von Routern o.ä., damit die Daten
automatisch empfangen werden können. Wichtig ist nun zu untersuchen, welche
Möglichkeiten bestehen, diese in unserem Fall verschlüsselten Daten wieder lesbar zu
machen. In [Schm98] werden hierzu Möglichkeiten aufgezeigt, welche über das simple
Ausprobieren hinausgehen. Oft wird vorausgesetzt, dass der Angreifer sowohl Daten als
auch das verschlüsselte Verfahren, nicht jedoch den Schlüssel kennt. Wie er wiederum an

106 Sicherheitsproblematik am Beispiel der Location Server Infrastructure
Information über das verwendete Verschlüsselungsverfahren gelangt ist, kann vielfältige
Möglichkeiten haben und wird hier nicht weiter beschrieben. Die kryptografischen
Attacken können auf zwei Arten strukturiert werden.
•
3.13.1 Strukturierung nach Angriffsarten
Cipher Text Only – Angriff
In diesem Fall ist dem Angreifer weder das verwendete Verfahren, noch der benutzte Schlüssel bekannt. Dies ist der in der
Praxis am häufigsten auftretende Fall und zugleich für den Angreifer der schwierigste, da ihm zwar chiffrierte Daten zur
Verfügung stehen, aber keine Hinweise auf die verwendeten Methoden. Eine genaue Vorgehensweise für diesen Fall gibt es
nicht, im schlimmsten Fall muss der im nächsten Abschnitt beschriebene Brute Force-Angriff durchgeführt werden.
Known Plaintext – Angriff
Bei diesem Verfahren ist es dem Angreifer bereits gelungen, sowohl einen chiffrierten Text als auch dessen
Klartextdarstellung zu erhalten. Um weitere Texte entschlüsseln zu können, versucht er nun anhand dieser beiden
vorhandenen Texte den zugehörigen Schlüssel zu identifizieren. Dieses Verfahren kann angewendet werden, wenn Teile von
Nachrichten sich immer wiederholen, d.h. z.B. der Kopf einer E-Mail ist immer der gleiche.
Chosen Plaintext – Angriff
Hierbei besteht für den Angreifer die Möglichkeit, den Klartext selber zur Verschlüsselung zur Verfügung zu stellen. Anhand
des Ergebnisses versucht er dann wiederum, den Schlüssel zu identifizieren. Dieses Verfahren kann beispielsweise
angewandt werden, um Unix-Passwörter zu identifizieren. Steht dem Angreifer die passwd-Datei des Ziel-Rechners zur
Verfügung, so kann er darin die verschlüsselten Passwörter sehen. Dadurch, dass nun viele Wörter über die
Passwortverschlüsselung laufen gelassen und die Ergebnisse mit dem Wert aus der passwd-Datei verglichen werden, ist es
möglich, die eigentlichen Passwörter zu identifizieren.
o
3.13.2 Strukturierung nach Angriffsmethoden
Brute Force – Angriff
Dieser Angriff zeichnet sich dadurch aus, dass nicht besondere Taktiken zur Schlüsselfindung
eingesetzt werden, sondern dass sich der Angreifer auf die Ressourcen verlässt, die ihm zur
Dechiffrierung bzw. zum Code-Knacken zur Verfügung stehen. Ein zur Verfügung stehender
chiffrierter Text wird im einfachsten Fall so lange analysiert, bis er ein brauchbares Ergebnis
liefert. Hierbei kommt es nicht auf eine bestimmte Reihenfolge der Analyse, sondern auf
einen hohen Datendurchsatz an.
Man in the middle
Bei dieser für Public Key-Verfahren genutzten Methode gelingt es dem Angreifer, seinen
Public Key anstelle des eigenen zu übergeben. Werden hiermit nun Nachrichten verschlüsselt,
so kann er sie mit seinem eigenen Private Key wieder entschlüsseln. Da der Angreifer hierbei
zwischen Sender und Empfänger sitzt, wird diese Methode als Man in the Middle bezeichnet.
Eine Möglichkeit, dieses Problem zu vermeiden, besteht darin, Zertifikate anstelle des Public
Key zur Verfügung zu stellen
Denial of Service Angriff
Dieses Verfahren passt auf den ersten Blick nicht in das Kapitel. Gelingt es dem Angreifer
namens Charly jedoch, die Kommunikation zwischen den beiden Partner Alice und Bob zu
behindern und den Verdacht zu erwecken, es liegt am verwendeten kryptografischen Verfahren,
so besteht die Möglichkeit, dass Alice und Bob aus Bequemlichkeit auf die Verschlüsselung
verzichten und die Daten lieber unverschlüsselt versenden, wodurch für Charly dann
natürlich das Ziel erreicht ist.
Verkehrsflussanalyse
Hier geht es Charly als Angreifer zunächst nicht darum, die Daten zu entschlüsseln, sondern
wie häufig oder wann Daten zwischen Kommunikationspartnern ausgetauscht werden. Hieraus
können dann (z.B. in der Wirtschaft) Rückschlüsse auf Kontakte oder Verhalten gezogen
werden.
Replay-Attacke
Charly kann – wenn er eine Nachricht abgefangen hat – diese einfach zu einem späteren Zeitpunkt
erneut versenden. Hierdurch wird dann im besten Fall nur ein erhöhter Verwaltungs-

107 Stephan Drautz
aufwand verursacht. Dieses Problem lässt sich dadurch beheben, dass bei jeder Nachricht einfach
Datum und Uhrzeit mit versendet werden.
4 Sicherheitsstrategien
Um obigen Bedrohungen wirkungsvoll entgegenzutreten, können unterschiedliche Strategien
zum Einsatz kommen.
4.1 Autorisierung der Serveranmeldung
• Um zu vermeiden, dass nichtautorisierte Server – aus welchen Gründen auch immer –
ihren Dienst aufnehmen können, bietet es sich an, eine zentrale Autorisierungs-/ bzw.
Zertifizierungsstelle einzuführen, ohne deren Zustimmung eine Anmeldung an die
bestehende Netzwerkinfrastruktur abgelehnt wird. Hierzu kann etwa eine Zertifizierung –
bestehend aus Public Key, Private Key sowie einer Bestätigung der Zertifzierungsstelle,
dass diese Schlüssel auch echt sind – dienen. Trivialerweise muss hiermit beim
Verbindungsaufbau nur eine Public Key-Verschlüsselung angefordert werden, wobei der
angesprochene Server den benötigten Public Key über die Zertifizierungsstelle, und nicht
über den anfordernden Server beziehen muss. Liegt dort der Schlüssel nicht vor und somit
auch keine Autorisierung, wird die Verbindung abgebrochen.
•
4.2 Vermeidung von Versenden falscher Ortsinformationen
• Um die Übertragung falscher Ortsinformationen zu vermeiden, muss nicht nur der Server,
sondern auch seine Anmeldedaten zertifiziert werden. Dies kann etwa dadurch geschehen,
dass die Server, die ihre Anmeldeinformationen aus XML-Dateien einlesen, dies nur mit
signierten Daten tun dürfen. Die Signatur kann dann zusammen mit der Autorisierung des
Servers übertragen werden.
4.3 Sicherung der Datenübertragung
• Die Sicherung der Datenübertragung kann an verschiedenen Stellen zum Einsatz
kommen.
• Auf Ebene der Kommunikation wäre dies zum einen selbige zwischen den Servern selbst
(Serverkommunikation) und derjenigen zwischen Server und Client. Hier muss dann
abgewägt werden, wie groß ein potentieller Schaden sein kann und wie viele Ressourcen –
z.B. zur Verschlüsselung – zur Verfügung stehen. Hier ist vor allem die Server-Client-
Kommunikation zu berücksichtigen, da ja auf Client-Seite leistungsschwache Geräte wie
PDAs zum Einsatz kommen können, und die Akzeptanz des Systems zwar zum Einen von
der Sicherheit, zum Anderen aber natürlich auch von der Geschwindigkeit des Netzwerks
abhängig ist.
• Auf Ebene der Sicherheitsimplementierung ist es zum einen möglich, Hardware zur
Verfügung zu stellen, welche etwa die Ver- und Entschlüsselung durchführt. Dies ist
wegen des Aufwands und der damit verbundenen Kosten höchstens auf Seite der Server-
Server-Kommunikation denkbar, aber auch hier dürfte wegen der heutigen
Leistungsfähigkeit der Systeme der Einsatz zusätzlicher Hardware in den meisten Fällen
überflüssig sein. Denkbar ist der Einsatz zum Beispiel zur Identifizierung durch SIM-
Karte oder SD-Karte. Auf Client-Seite dürfte sich ein solcher Aufwand erst ab einer
gewissen Stufe von Kosten und potentiellem Schaden rechnen.
• Zum anderen besteht die Möglichkeit, Software zur Sicherung der Daten, der
Kommunikation und zur Identifikation zu Nutzen. Hier ist etwa an den Einsatz gesicherter

108 Sicherheitsproblematik am Beispiel der Location Server Infrastructure
Datenübertragung mittels IPSec (über TCP/IP) und die Verwendung von Zertifizierung
zur Verschlüsselung und Identifizierung zu denken.
•
4.4 Verhinderung von Bewegungsprofilen
• Bewegungsprofile stellen zum einen aus datenschutzrechtlichen Gründen und zum
anderen aus Akzeptanzgründen der User ein Problem dar. User sind im Normalfall auf
ihre Anonymität bedacht. Bietet ein prinzipiell abgeschlossenes System wie die LSI die
Möglichkeit, Informationen über die User zu sammeln, so würde dies vermutlich die
Nachfrage stark abfallen lassen. Analysen sind hier zum Beispiel in der Form denkbar,
dass sich die Position des Benutzers und somit auch sein Local Location Server ändert,
anhand dessen man eine Bewegung des Anwenders nachvollziehen kann oder in der
Auswertung von Informationen, welche er über die LSI angefordert hat.
• Da die LSI unterschiedliche Methoden der Anfrageverarbeitung anbietet, stellen sich
diese Probleme nur in bestimmten Situationen.
• In einem Fall leitet der Local Location Server alle relevanten Daten (potentielle
Zielserver, welche über Relationen und Assoziationen in Betracht kommen) automatisch
an den Client weiter (Outbound Mode). Die weitere Nutzung dieser Informationen bleibt
dann dem Client überlassen und eine Analyse wird stark erschwert.
• Im anderen Fall erfolgt die Anfrageverarbeitung und Suche durch die Serverstruktur durch
den Local Location Server (Inbound Mode), was die Erstellung von Bewegungsprofilen
erleichtert.
• In diesem und prinzipiell auch im ersten Fall bietet sich der Einsatz von Anfragtickets an.
Hierbei wird für eine Kommunikationsanfrage von einem zum nächsten Server jeweils ein
separates Ticket erstellt, anhand dessen dann die Anfragen durchgereicht und
zurückgegeben werden. Da dieses Ticket auf jeder Zwischenstation neu erstellt wird, ist
hier eine Analyse der Daten wesentlich schwieriger.
5 Fazit
Sicherheit und Datenschutz müssen schon beim Entwurf des Systems berücksichtigt werden,
da man sich bei einem nachträglichen Einbau meist großen oder sogar unüberbrückbaren
Problemen gegenübersieht. Im konkreten Fall bedeutet dies, dass für das System Sicherheitsziele
zu definieren sind, welche in der Implementierungsphase konsequent berücksichtigt
werden müssen. Darüber hinaus sollte man sich in die Rolle eines Angreifers versetzen, um
die möglichen Schwachstellen zu identifizieren und möglichst bereits im Vorfeld zu unterbinden.
Bei Verwirklichung einer konkreten Sicherheitsstrategie legt man sich darüber Rechenschaft
ab, welche der genannten Ziele und Schwachstellen mit dem Softwareentwurf berücksichtigt
wurden beziehungsweise ggf. später noch zu berücksichtigen sind und ob das Ziel,
einen Angriff zumindest teurer zu machen als den Wert der zu sichernden Daten dargestellt
wird.
Für den Bereich der mobilen Datenübertragung muss darüber hinaus noch berücksichtigt
werden, dass hier zu den im EDV-Bereich bisher standardmäßig schon auftretenden Problemen
der Sicherheit noch neue Gefahren hinzukommen, da über die Luftschnittstelle keine
direkte Anbindung mehr vorhanden sein muss, um Spionage oder Manipulation zu ermöglichen.

109 Stephan Drautz
Referenzen
[Prad00] Pradhan, S. Semantic Locations, Personal Technologies, Vol. 4, No. 4, 2000,
213-216
[Roth03]
[Roth03a]
Roth, J.: A Self-Organizing Infrastructure to Provide Uniform Location Data to
Location Based Services
Konzeption und Implementierung von Sicherheitsmechanismen für die
Location Server Infrastructure Internes Papier der FernUniversität Hagen,
Praktische Informatik II
[Schm98] Schmeh, K.: Safer net, dpunkt.verlag (1998), ISBN 3-932588-23-1, S.72
[Schn01]
[WIPS00]
Schneier, B.: Secrets and Lies – IT Sicherheit in einer vernetzten Welt, Wiley
VCH-Verlag, Weinheim, 2001
WIPS Technical Documentation, Royal Institute of Technology, Schweden
http://2g1319.ssvl.kth.se/2000/group12/technical.html

Geographische Adressierung in Computernetzen
Eine Taxonomie
Adalbert Spakowski
Friedenstr. 13
63743 Aschaffenburg
Adalbert.Spakowski@Fernuni-Hagen.de
Zusammenfassung: Die geographische Adressierung ermöglicht den Nachrichtenaustausch
zwischen Applikationen basierend auf dem physikalischen Ort der Netzwerkpräsenzen
und nicht der logischen Netzwerkadresse. Hierzu existieren mehrere Ansätze, die
sich in ihren administrativen Ansätzen unterschieden. Bei allen diesen Ansätzen ist es
möglich gezielt Entitäten in definierten Regionen anzusprechen, diese zu „entdecken“
oder bidirektionale Kommunikation zwischen diesen zu ermöglichen.
1 Einleitung
1.1 Szenarien der geographischen Adressierung
Die geographische Adressierung in Computernetzen verbindet die physikalische Lokation der
Clients und ihre logische Adressierung innerhalb eines Netzwerkverbunds. Durch das Vorhandensein
der Information über die Lage einer Entität im Netzwerk sind Systeme in der Lage
hier spezifische Dienste anzubieten. Diese Information kann im Freien über GPS Empfänger
ermittelt werden. In Gebäuden können hier andere Positionierungssysteme zum Zuge kommen.
Navas und Imielinski [NaI99] stellen hier folgende Szenarien vor:
• Geographic Messaging: Eine Nachricht wird nur an Entitäten in bestimmten geographischen
Lokationen verschickt. So können zum Beispiel Fahrzeuge auf einer bestimmten
Autobahn über einen Verkehrsunfall im davor liegenden Tunnel informiert werden.
• Geographic Advertising and Geographic Services: Es wird eine Werbung / ein Service in
einem räumlichen Umfeld relativ zum Server angeboten. Alle Clients die sich innerhalb
dieser Lokation befinden werden hier automatisch informiert. Möglich wäre hier zum Beispiel
das Anbieten von Angaben zu einem Denkmal. So können Benutzer, die über einen
entsprechenden mobilen Client verfügen während eines Stadtrundgangs informiert werden.
• „Who is around“ Service: Es findet eine proaktive Suche nach Entitäten, die sich innerhalb
einer definierten Lokation befinden. Ein Beispiel wäre hier die Suche nach verletzten
Soldaten innerhalb eines Kriegsgebiets
1.2 Aufbaumöglichkeiten des Netzwerks
Zuerst muss unterschieden werden, ob es sich bei dem zu betrachteten Computernetz um ein
homogenes Netz handelt, indem alle Entitäten die gleiche Technologie nutzen, oder ob es eine

112 Geographische Adressierung in Computernetzen
Koexistenz von mehreren Technologien mit einem darüber liegenden einheitlichen Protokoll
handelt.
Möchte man einen universellen Ansatz wählen, betrachtet man hierbei das Internet mit seinen
vielen Service Providern und zum Einsatz kommenden Technologien. Als das einheitliche
Protokoll wird hier TCP/IP genutzt, da es von den Clients durchgehend als die „lingua franca“
angesehen wird.
Im folgenden wird eine Unterscheidung zwischen zentral verwalteten Netzwerken mit einem
bestehenden Backbone und dezentralen Netzwerken auf Peer to Peer (P2P) Basis unterschieden
werden.
Einen zentralen Ansatz mit zusätzlichen technologischen Voraussetzungen beschreiben Navas
und Imielinski [NaI99]. Einen P2P Ansatz findet man bei Heutelbeck [Heu02]
2 Adressierungsmodell
Die momentane Position des Clients wird mit Hilfe des GPS bestimmt. Diese Position dient
im folgenden zur Adressierung. Die Koordinaten des Clients werden bei diesem Ansatz über
ein Zweiertupel verwaltet, wobei der Breitengrad von –90° (Süd)
bis 90° (Nord) und die Längengrad von –180° (West) bis 180° (Ost) als Wert annehmen kann.
Benutzt man zur Darstellung der Koordinaten Fließkommazahlen mit 4 Byte Länge, lassen
sich so mit einer Adressierungsgröße von 8 Byte eine präzise Adressierung des Ziels von bis
zu 200 Meter erreichen. Wählt man genauere Zahlen (z.B. double floats mit 8 Byte Länge)
können hier im Zusammenspiel mit einer entsprechend präzisen GPS-Auflösung erheblich
genauere Eingrenzungen der Adressierung möglich sein.
Mit Hilfe dieser Tupel lassen sich nun geometrische Objekte wie
• Punkte
• Kreise (Mittelpunkt, Radius)
• beliebige Polygone (Punkt(1), Punkt (2), ... , Punkt(n),Punkt(1))
adressieren .
3 GEOcast – ein zentral administrierbarer Ansatz
Im [NaI96] stellen Imielski und Navas drei Lösungsansätze zur geographischen Adressierung
von Nachrichten, wobei der dritte Ansatz lediglich skizziert wird:
• Unicast IP Routing, erweitert um GPS Adressierung
• GPS-Multicasting
• Lösung in der Anwendungsschicht mit Hilfe von DNS
Imielski und Navas stellen weiterhin eine Implemetierung des Unicast IP Routing Ansatz
vor([NaI97]), und nicht wie man aus [NaI96] erwarten würde den GPS Multitasking Ansatz,
da durch die Anzahl der verschiedenen Multicastprotokolle nicht klar ist, welches Protokoll in
Zukunft dominieren wird, und ob dieses auch die Aspekte des Mobile Computing abdeckt.
Das System besteht aus drei Komponenten, den GeoHost, den GeoNodes und den
GeoRouters.

113 Adalbert Spakowski
Abbildung 1: Komponenten des Geographic Routing System [NaI97, Kap. 4.1]
GeoRouter sind für den Transport der Pakete über das Internet zuständig. Sie müssen in der
Lage sein, ihre benachbarten und übergeordneten Router zu kennen, und diese Informationen
in ihren Routing Tabellen zu pflegen. Ebenso müssen sie ihre untergeordneten Router und
GeoNodes kennen. Eine weitere Eigenschaft der Router ist auch das Tunneln der Pakete über
Teile des Internets, die das GeoCast Netzwerk nicht unterstützen.
GeoNodes dienen als Gateways einer Lokation in das geroutete GeoCast Netzwerk. Eine
GeoNode sollte einen Automatismus zum Erkennen von neuen GeoHosts innerhalb ihres Zuständigkeitsbereichs
haben und muss Nachrichten, je nach ihrer Gültigkeitsdauer, zwischenspeichern
können.
Der GeoHost ist ein Daemon auf dem Endgerät. Er muss den Kontakt zum zuständigen Geo-
Node aufbauen und ist für die Verwaltung der geographischen Lokation des entsprechenden
Computers zuständig, wie für die Bereitstellung der GeoCast Funktionalität für andere Prozesse
auf der jeweiligen Maschine.
3.1.1 Routing innerhalb von GeoCast Netzwerken
Senden von GeoCast Nachrichten
Zum Verschicken der Nachrichten erfragt der GeoHost Daemen die IP Adresse des
GeoNodes. Anschließend schickt der GeoHost die Nachricht direkt an den GeoNode, und
dieser dann wiederrum an den zuständigen GeoRouter.
Routing von GeoCast Nachrichten
Der GeoRouter empfängt die Nachricht. Zuerst untersucht er, ob sein Einzugsbereich R Teile
des Zielpolygons Z der Nachricht enthält.
S = R ∩ Z
Ergibt sich hier eine Schnittpolygon S, so versorgt der Router den betroffenen Bereich.
Der Algorithmus zur Ermittlung der Schnittmenge der beiden Polygone liefert als „Abfallprodukt“
das Polygon W (W =Z / R), welches nicht im Einzugsbereich des Routers enthalten ist.
Das Polygon W wird als neue Zieladresse der Nachricht an den übergeordneten Router zum
Weiterleiten geschickt.

114 Geographische Adressierung in Computernetzen
Anschließend berechnet der Router die Schnittpolygone S’ der untergeordneten GeoRouter
und GeoNodes zu dem Zielpolygon S. Die untergeordneten Objekte erhalten die Nachricht
mit den jeweiligen Zielen S’.
Zusätzlich baut der Router einen Nachrichtencache auf. Dieser ermittelt auf Basis der Nachrichten
ID, ob bereits Pakete an ein bestimmtes Polygon geschickt wurden. Sollte dies der Fall
sein, wird keine erneute Schnittermittlung durchgeführt, sondern das Paket, analog seinen
Vorgängern, an die betroffenen Ziele geroutet.
Empfangen von GeoCast Nachrichten
Nachdem der GeoNode die Nachricht von seinem GeoRouter zugestellt bekommt, speichert
der Node sie in seinem GeoNode Cache ab und weist diese Nachricht einer passenden Multicast
Gruppe zu. Der GeoNode sendet dann die Nachricht periodisch den betroffenen an die
entsprechenden GeoHosts.
Die GeoHosts ermitteln daraufhin, ob sie sich innerhalb des adressierten Polygons befinden.
GeoHosts können auch proaktiv mit Hilfe der RECVFROMGEO – Prozedur aus der
Geographic Library sich einer Multicast Gruppe anschießen und entsprechende Nachrichten
empfangen.
3.1.2 Format eines GeoCast Message Headers
Ein Header einer GeoCast Nachricht hat das folgende Format:
Nachrichten ID (9 Bytes)
Port Nummer (2 Bytes)
Lebenserwartung(4 Bytes)
Flags(1 byte)
Area Type (1byte)
Gefolgt von weiteren Informationen, basierend auf den Area Type(Punkt / Kreis / Polygon)
Bei einem Punkt wird zusätzlich die geographische Lokation angegeben:
Type = 1
Breitengrad (8 Bytes)
Längengrad (8 Bytes)
Bei einem Kreis kommt der Radius noch hinzu:
Type = 2
Breitengrad (8 Bytes)
Längengrad (8 Bytes)
Radius (8 Bytes)
Bei einem Polygon wird zuerst die Anzahl der Punkte angegeben. Die Implementierung von
Imielski und Navas lassen hierbei Polygone mit bis zu 65535 Punkten zu:
Type = 3
Breitengrad (8 Bytes)
Längengrad (8 Bytes)
Radius (8 Bytes)
Im Folgenden ist ein Header einer Nachricht an einen bestimmten Punkt exemplarisch dargestellt:

115 Adalbert Spakowski
Abbildung 2: Nachrichten Header mit einer Punkt Zielkoordinate [NaI97, Kap. 5.1)
3.1.3 Aufbau der Routing Tabelle
Der Kern des Routing im GeoCast Netzwerk sind selbstverständlich die Routing Tabellen der
einzelnen GeoRouters. Im folgenden wird der Aufbau dieser erklärt.
Der Cache
Der Cache ist für das schnelle Wiederverwenden von Routing Informationen zuständig. Untersuchungen
haben ergeben, dass im Vergleich zum ersten, nicht zwischengespeicherten Paket
ein Cache die Routing – Zeiten der drauffolgenden und bereits gecachten Pakete reduziert,
und zwar auf ca. 2-3 % der Zeit bei Polygonen und Kreisen und auf ca. 24 % der Zeit bei
Punkten.
Ein Cache Eintrag ist dabei ein Tupel der Form:
Die Nachrichten ID, welche dem ersten Paket entnommen wird dient hierbei als Schlüssel der
Tabelle. Auf den ersten Blick wäre es sinnvoll das Zielpolygon als Schlüssel zu nehmen.
Hierzu konnten aber bisher keine klaren Implementierungsvorschläge gemacht, die mit der
variablen Strukturlänge umgehen können.
Die Liste der nächsten Ziele enthält die Adressen der GeoRouter und GeoNodes, die das erste
Paket empfangen haben. An diese wird dann die Nachricht geschickt.
Der Zeitstempel dient zum Entfernen von alten Einträgen aus dem Cache. Bei jedem Zugriff
auf einen Eintrag wird der Zeitstempel aufgefrischt. Innerhalb von bestimmten Zeitintervallen
wird der Cache auf alte Einträge überprüft und bereinigt.

116 Geographische Adressierung in Computernetzen
Service Area
Die Service Area beschreibt das Zuständigkeitsgebiet des Routers und umfasst eine Konvexe
Hülle aller Polygone, welche die untergeordneten GeoRouter und GeoNodes bedienen. Da es
bei einer Vereinigung der Polygone zu „Löchern“ innerhalb der Struktur kommen kann und
der Polygonschnittalgorithmus von einzelnen konvexen Polygonen ausgeht, wird hier nicht
die Vereinigung der einzelnen Polygone, sondern die Konvexe Hülle der Vereinigung betrachtet.
Liste der untergeordneten und übergeordneten Knoten des GeoCast Netzwerks
Die Routing Tabelle enthält jeweils eine Liste der direkt unter- und der direkt übergeordneten
Objekte im GeoCast Netzwerk. Diese Liste enthält neben weiteren Informationen die Service
Area Polygone der Knoten und die Art der Kommunikation mit den Knoten (evtl. Tunnelung,
u.ä.).
4 GPS-Multicast Ansatz
Eine Alternative zum obigem GeoCast Ansatz ist der GPS-Multicast Ansatz von Imlielski und
Navas [NaI967]. Der Unterschied ist hier primär im ersten Teilstück der Reise eines Pakets,
vom Sender zur sogenannten Mobile Support Station( MSS), dem Analogon des GeoNode im
vorangegangenem Beispiel. Ebenfalls wird generell von einem Wireless Network ausgegangen.
4.0 Exkurs: Was bedeutet Multicast
Multicast bedeutet, dass eine IP Adresse nicht einer einzelnen Maschine, sondern einer
Gruppe von Maschinen zugeordnet wird. Hierzu sind Adressen im sogenannten Class D Netz
(Range 224.0.0.0 bis 239.255.255.255) reserviert. Im [NaI96] wird aber ein IP Adressenbereich
verwendet, welcher von der Internet Task Force zu Experimentierzwecken bestimmt
wurde(über 240.0.0.0). Präsenzen die sich einer solchen Multicast Gruppe anschließen wollen,
verschicken eine entsprechende Anfrage an ihren Router. Dieser nimmt nun die Präsenzen
mit in seine Routing Tabelle und stellt ihnen die Pakete zu, die an die Multicast Adresse
gerichtet sind. Das Verwenden einer Multicast Struktur macht vor allem Sinn, wenn die
Nachrichten simultan an mehrere Empfänger verschickt werden sollen. Durch Multicasting
werden die Netzwerkkapazitäten, und die Last der Server-CPU entlastet, da die Pakete jedes
Teilstück im Netz nur einmal passieren müssen.
4.1 Grundidee
Beim Multicast Ansatz werden zwei weitere Begriffe geprägt - Partition und Atom. Ein Atom
ist die kleinste geographische Einheit, die sich geographisch adressieren lässt. Eine Partition
ist eine größere geographische Fläche, die selber wiederum Partitionen und Atome enthalten
kann.
Die Grundidee beim Multicast Ansatz ist, beim Verschicken eines Pakets dieses an diejeniege/dasjenige
kleinste Partition/Atom zu adressieren, die/das das eigentliche Zielpolygon
enthält. Jede Partition und jedes Atom erhalten eine dedizierte Multicast Adresse. Somit wird
das Paket nicht an das eigentliche Zielpolygon, sondern an die Partition, die das gesamte Polygon
enthält geschickt. Das geographische Polygon selber ist im Inhalt des Pakets nochmal
zu finden.

117 Adalbert Spakowski
4.2 Aufbau eines Multicast Trees
Da die Partitionen des Netzwerks bereits statisch fest vorgegeben sind, kennt ein MSS beim
Hochfahren, die Partitionen innerhalb seiner Reichweite, die von ihm bedient werden. Dadurch
kann er sich bei den entsprechenden Multicast Gruppen registrieren.
Setzt man das Vorhandensein dieser Multicast Trees voraus, kann ein Sender die Multicast
Adressen der Partition ermitteln, die sein Zielpolygon enthält. Er verschickt dann die Nachricht
an die Multicast Adresse. Alle für diese Adresse registrierten MSS erhalten die verschickte
Nachricht
Hierbei können jedoch aufgrund von vielen Präsenzen sehr große Routingtabellen entstehen.
Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, das link state multicast protokoll entsprechend zu
modifizieren um Informationen über kleine Objekte nur lokal zu propagieren.
4.3 Multicast Adressierung der Präsenzen
Wie oben erwähnt, wird jede Partition und jedes Atom einer Multicast Adresse zugeordnet.
Die Multicast Adressierung ist hierarchisch aufgebaut. Bei der Adressierung wird beispielhaft
das folgende Schema vorgeschalgen:
1111.GPS.S.C.x
Dabei gilt Folgendes:
1111: Die ersten 4 bit stellen sicher, dass die IP Adresse oberhalb von 240.0.0.0 liegt, und
somit es sich hierbei um ein Klasse E Netz handelt. Es steht für Experimentierzwecke der
IETF zur Verfügung.
GPS ist eine Bitfolge zum dedizierten GPS Netzbereich. Vorgeschlagen werden hier 6 Bit.
S adressiert das Bundesland – die Partition eines Bundeslands hat dabei die Adresse S/0/0
C adressiert einen Bezirk innerhalb des Bundeslandes. Die Bezirkspartition lässt sich dabei
unter der Adresse S/C/0 ansprechen
x adressiert eine entsprechende geographische Präsenz in S/C.
Hierdurch wird eine zweistufige Partitionierung nach Bundesländern und Bezirken erreicht.
Den einzelnen partitionierten Bereichen werden dedizierte Multicast Router (unter der Adresse
1111.GPS.S.C.0) zugewiesen.
4.4 Polygonadressierung mit Hilfe des DNS
Es stellt sich nun die Frage, wie ein Sender die Multicast Adresse des entsprechenden Empfängers
finden soll. [NaI96] schlägt hier den Einsatz einer hierarchischen DNS Struktur vor.
Innerhalb der root Domäne .geo wird eine hierarchische Zonenstruktur vorgeschlagen, die
Namensräume für Bundesländer, Bezirke , Städte und lokale Server enthält. Somit ist das
Format der geographischen DNS Zonen:
local.county.state.geo
Entsprechend den Zonen werden auch DNS Server aufgebaut.
Die DNS Resource Records (DNS RR) werden entsprechend angepasst, um goegraphische
Polygone aufnehmen zu können.
4.4.1 Routing der Pakete von der MSS zum Empfänger
Zur Zustellung des Pakets von der MSS zum Client existieren drei Lösungsansatze:

118 Geographische Adressierung in Computernetzen
Application Level Filtering
Die MSS verschickt das erste Paket mit dem definierten Polygon an seine Clients innerhalb
seiner Partition. Alle Empfänger, die ja ihre GPS Position kennen, können die Mitgliedschaft
im Zielpolygon, welches im Paket mitenthalten ist, überprüfen und entsprechend nach Bedarf
die Nachricht verarbeiten.
Multicast Filtering
Die MSS propagiert eine neue temporäre Multicast Adresse, die das Zielpolygon ansprechen
soll. Die Clients, die innerhalb des Polygons stationiert sind schließen sich dieser Multicast
Gruppe an. Diese Nachricht wird mehrfach von der MSS verschickt, um verlässlich die entsprechenden
Clients zu erreichen. Anschließend erhalten alle registrierten Clients die eigentliche
Nachricht.
Computer in physikalischen Netzen
Modifizierte Basisstationen mit einem Zugriff ins physikalische Netz(Ethernet, TokenRing
u.ä.) sollten die Nachrichten entsprechend an betroffene Computer im physikalischen Netzwerk
übertragen. Hierzu bietet sich besonders der obere Multicast Ansatz an.
5 Domain Name Service – Ansatz
Ein dritter zentraler Ansatz von Imlielski und Navas[NaI96] basiert auf dem Domain Name
Service. Hierzu wird eine First Level Domain geographic angelegt. Unterhalb dieser Domäne
werden hierarchisch Subdomänen für die Bundesländer und Regionen aufgebaut. In diesen
Domänen finden sich dann die einzelnen Präsenzen und Polygone, die angesprochen werden
können. Eine mögliche Adresse könnte somit sein ezb.frankfurt.hessen.geographic
Der Sender der zum Beispiel eine Nachricht an alle Präsenzen in der Europäischen Zentralbank
schicken möchte, ermittelt im DNS die entsprechende IP Adresse.
Für das Verschicken der eigentlichen Nachricht werden in [NaI96]nun drei Möglichkeiten
vorgeschlagen:
• Die Nachricht wird an MSS Einheiten per Unicast verschickt, die der zurückgelieferten IP
Adressen entsprechen.
• Es wird eine temporäre Multicast Gruppe angelegt, die alle betroffenen Clients enthält.
Diese Gruppe empfängt dann die entsprechenden Informationen.
• Eine zentrale MSS bekommt die Nachricht zugestellt und ist für die Distribution der
Nachricht an die entsprechenden Clients und weitere betroffene MSSs zuständig.
6 ContextCast – ein Peer to Peer Ansatz
Bei den vorherigen Ansätzen wird ein vorhandener, zentraler Backbone vorausgesetzt. In
manchen Szenarien kann es wünschenswert sein ein dezentrales Netzwerk aufzubauen. Dies
senkt die Infrastrukturkosten sowohl bei der Inbetriebnahme, wie auch bei der Wartung. Jedoch
sind Effizienzeinbußen die Kehrseite der Medaille.
[Heu02] beschreibt mit den Context Spaces und dem ContextCast Netzwerk einen solchen
P2P Ansatz. Hierbei existieren im Vergleich zu dem vorherigen zentralen Ansatz minimale
Anforderungen (TCP/IP Kommunikation) an die Entitäten im Netzwerk. Als Vorlage dienen
hierzu vorhandene File Sharing Netzwerke, die ihre Stärken besonders in der Entdeckung der
vorhandenen Ressourcen haben.

119 Adalbert Spakowski
6.1 Begriffsklärung
Funktionell ist der Context Spaces Ansatz in der Lage Nachrichten an alle mobilen Entitäten
innerhalb einer bestimmten Region zu schicken(Contextual Messaging) sowie alle mobilen
Entitäten innerhalb einer Region ausfindig zu machen(Contextual Resource Discovery).
Eine Präsenz im ContextCast Netzwerk hat die folgenden Eigenschaften
• einen beschreibenden String d,
• eine aktuelle Lokation l ∈ G
• eine maximale Bandbreite in 10 3 Byte /s
• eine Kennzahl für die Mobilität der Präsenz
• eine IP Netzwerk Adresse
• eine definierte Portnummer
Ein globaler Raum wird zuerst in lokale, z.T. auch überschneidende Subräume unterteilt.
Hierzu wird zuerst der Context Space definiert:
1. Sei G ⊆ Z n , n∈IN ein Global Context Space, bestehend aus einem Kreuzprodukt der
Grenzintervalle G i =[l i ,u i ], i ∈ {0,...,n-1},li,u i ∈ Z und l i ≤ u i .
2. Sei ein Context Space S ein Tupel, bestehend aus einem Subcube S* des Global Context
Space G und einem einheitlichen Bezeichner s. S* ist das Kreuzprodukt des Subintervalle
der Grenzintervalle von G.
3. Sei S ein Context Space, smin(S) die minimale Größe aller Grenzintervalle von S*.
Sei die Adressierungsmenge A eine Menge aller Sequenzen in B n :={0,...,2 n-1 }, A k ⊂A
die Menge aller Sequenzen der Länge k, k ∈ IN 0.
4. Sei der Clusterlevel l von S a n definiert durch die Länge von a, l ∈ IN 0 und l ≤ ⎣
log(smin(S)) ⎦. Sei c(l) die Menge aller Cluster S a mit dem Clusterlevel l. Sei C(x,l)
ein Cluster von C(l) , das x∈S* enthält.
6.2 Struktur eines ContextCast Netzwerks
Die obigen Definitionen lassen nun eine klare Strukturierung des Netzwerks zu.
Ein Global Context Space lässt sich somit in mehrere Context Spaces unterteilen, die verschiedene
voneinander unabhängige Netzwerke darstellen. Im ersten Schritt besteht ein Context
Space aus einem Cluster. Bei Bedarf aber lässt sich dieser wiederum zu mehreren Subclustern
teilen, wobei hier jeweils eine Unterteilung in 2 AnzahlDerDimensionen Subcluster pro Ebene
geschieht. Die Tiefe der Unterteilung wird hierbei durch den Clusterlevel definiert.
Eine Präsenz befindet sich immer nur in einem Cluster pro Clusterlevel. Die folgende Abbildung
verdeutlicht das.

120 Geographische Adressierung in Computernetzen
Abbildung 3: Partitionierung des Context Space [HEU02, Kap.4]
Die Topologie des ContextCast Netzwerks ist baumartig. Pro aktiven Cluster existiert ein
sogenannter Clusterhead, welcher die administrativen Aufgaben wahrnimmt und somit einen
Knoten in der Baumstruktur abbildet. Weitere Präsenzen innerhalb eines Clusters auf der untersten
Ebene stellen Blätter des Baums dar.
6.3 Initiieren eines ContextCast Netzwerks
Da es sich bei ContextCast Netzwerken um nicht zentrale permanent verfügbare Netzwerke
handelt, muss ein Context Space vor dem Gebrauch erst initialisiert werden. Hierzu definiert
eine Präsenz ein Gebiet S* mit einem eindeutigen Bezeichner s. Somit ist der neue Context
Space S :=(S*,s) definiert.
Möchte nun ein weiterer Teilnehmer A sich dem Netzwerk anschließen, muss er zumindest
eine Präsenz, die bereits Mitglied ist, kennen. Diese wird dann über den JOIN - Befehl der
ContextCast Library kontaktiert. Dieser JOIN Befehl wird dann dem entsprechenden
Clusterhead, der in der Lokation des neuen Teilnehmers die Präsenzen verwaltet, zugestellt.
Der zuständige Clusterhead bestätigt dann dem neuen Teilnehmer seine Aufnahme(JOINACK).
Wenn A die erste Präsenz in einem Cluster ist, kann es auch vorkommen,
dass es für den Cluster in dem sich A befindet keinen Clusterhead gibt. Dann wird der neue
Teilnehmer bei seiner Aufnahe gleichzeitig auch zum Clusterhead. Der übergeordnete
Clusterhead informiert die neue Präsenz über die Rolle in Form einer SPLIT Nachricht.
Ein weiteres mögliches Szenario ist das Erreichen eines Grenzwerts der Bandbreite des aktuellen
Clusterheads durch das Hinzunehmen einer neuen Präsenz. Der Clusterhead führt daraufhin
einen SPLIT Vorgang durch. Er unterteilt seinen Cluster in 2 n Subcluster. Alle neuen
Clusterheads der untergeordneten Cluster werden durch eine SPLIT Nachricht über ihren
neuen Zustand und die zu bedienenden Präsenzen informiert. Alle weiteren untergeordneten
Präsenzen werden anschließend auf die neuen für sie zuständigen Clusterheads hingewiesen.

121 Adalbert Spakowski
Ist hierbei der neue Knoten nicht selber ein Clusterhead geworden, wird seine JOIN Anfrage
an den neuen untergeordneten Clusterhead weitergeleitet.
6.4 Routing
Bei einem vorhandenen Netzwerk ist das Routing der Nachrichten verhältnismäßig simpel. Es
fallen besonders Ähnlichkeiten zum GeoCast Routing auf. Möchte eine Präsenz eine Nachricht
an ein bestimmtes Gebietverschicken, so schickt sie die Nachricht an ihren zuständigen
Clusterhead. Ein Clusterhead des Clusters S a verteilt die Nachricht mit dem Zielgebiet T anschließend
nach folgenden drei Regeln:
1. Wenn die Ebene des Clusterheads keine Subcluster hat, dann wird die Nachricht an
alle Blätter, die sich in S a ∩ T befinden, gesendet.
2. Ansonsten erhalten alle betroffenen Subcluster S a’ , für die gilt T’=T ∩ S a’ , T’ ≠ ∅,
eine Kopie der Nachricht mit dem Zielgebiet T’
3. Dann wird T # := T \ S a bestimmt. Ist T # ≠ ∅,dann wird eine Kopie der Nachricht mit
dem Zielgebiet T # an den übergeordneten Clusterhead geschickt. Existiert kein übergeordneter
Clusterhead wird die Nachricht verworfen.
Die Clusterheads können hier als Cache Speicher für repetitive Nachrichten dienen, oder um
Nachrichten mit einer längeren Gültigkeitsdauer für später hinzukommende neue Clients bereitzuhalten.
Die folgende Abbildung stellt exemplarisch das Routen einer Nachricht vor:
Abbildung 4: Routing einer ContextCast Nachricht [Heu02,Kap.5]
a) Präsenz F verschickt eine Nachricht an die Region T, b) beschreibt den gerouteten Weg der
Nachricht inkl. der möglichen Antworten der Empfänger
Der Vorgang beim Resource Discovery lässt sich mit dieser Technik ebenfalls implementieren.
Es sollten dabei jedoch noch zusätzliche Sicherheitsaspekte betrachtet werden.

122 Geographische Adressierung in Computernetzen
6.5 Bewegung der Präsenzen
Interessant ist ebenfalls der Umgang mit der Lokationsänderung der einzelnen Präsenzen.
Hierbei gilt zuerst, dass eine Präsenz nur Clusterhead oder Blatt eines Clusters sein kann in
dem sie sich selber auch befindet. Hierzu müssen zunächst aus Applikationssicht Grenzwerte
für die Updateintervalle und Lokationsabweichungen gesetzt werden. Um unnötigen Netzwerkverkehr
zu vermeiden muss die Präsenz selber Ihre Koordinatenänderungen an das ContextCast
Netzwerk propagieren.
Bewegt sich eine Präsenz innerhalb des Clusters verschickt sie eine MOVE Nachricht mit den
neuen Koordinaten an ihren Clusterhead. Dieser bestätigt dann die neue Lokation mit einer
MOVEACK Nachricht. In Sonderfällen, wenn zum Beispiel während der Anfrage des Clients
ein Split der Knoten erfolgt, kann es vorkommen, dass sich die Präsenz in einem falschen
Cluster wiederfindet. Da die betroffene Präsenz keine erwartete MOVEACK Nachricht, sondern
eine SPLIT Nachricht erhält, reagiert sie, indem sie ihre MOVE Anfrage an den neuen
Clusterhead stellt.
Führt eine Bewegung zum Verlassen des jeweiligen Clusters, so schickt die Präsenz eine
JOIN Nachricht mit der neuen Lokation. Hat die Präsenz eine administrative Rolle, so schickt
sie eine LEAVE Nachricht an den Clusterhead in der Erwartung einer LEAVEACK Nachricht.
Nach einem abgeschlossenen Umzug bestätigt A dem alten Clusterhead den Erfolg in einer
LEAVEFIN Nachricht. Bis zum Eintreffen dieser Nachricht kann der Clusterhead selber seine
Position nicht ändern. Dadurch wird sichergestellt, dass der Clusterhead nicht in der Zwischenzeit
die Lokation geändert hat, oder ausgeschaltet wurde. Erhält die Präsenz anstelle der
LEAVEACK Nachricht eine Split oder HANDOVER Nachricht (mehr dazu weiter unten), so
wiederholt sie ihre Anfrage nach dem Realokierungsvorgang des Netzwerks.
Verlässt eine Präsenz einen Cluster, in dem sie die einzige Präsenz und somit auch der
Clusterhead war, wird der Cluster geschlossen. Dazu schickt die Präsenz eine
CLOSECLUSTER Nachricht an ihren übergeordneten Cluster. Dieser Bestätigt den Vorgang
mit einer CLOSECLUSTERACK Nachricht. Sollte in der Zwischenzeit eine JOIN Anfrage bei
der Präsenz eintreffen, leitet die Präsenz die Anfrage an den übergeordneten Clusterhead, der
sie nach dem CLOSECLUSTERACK bearbeitet.
Ein weiterer Vorgang ist die Übergabe der Clusterhead Rolle an eine andere Präsenz. Angenommen
B übergibt diese Rolle an C. Hiezu sendet B eine HANDOVER Nachricht an C. Alle
folgenden Nachrichten, die sich an B als Clusterhead richten schickt B dann sofort an C. C
erhält mit der HANDOVER Nachricht Informationen über alle benachbarten Präsenzen. C
schickt an alle seine Nachbarn eine NEWCLUSTERHEAD Nachricht, die die Nachbarn mit
der NEWCLUSTERHEADACK bestätigen. Nachdem alle Anfragen bestätigt wurden, informiert
C B mit der HANDOVERACK Nachricht über die geglückte Rollenübernahme. B Beendet
die Übergabe mit einer HANDOVERFIN Nachricht und schickt selber wiederum bei Bedarf
eine JOIN Message an C, da es sich selber nicht in der Liste, die von
NEWCLUSTERHEAD übertragen wird, enthält, um Endlosschleifen zu verhindern.
Die Folgende Abbildung veranschaulicht die Rollenübergabe nochmals grafisch:

123 Adalbert Spakowski
Abbildung 5: Clusterhead Handover Darstellung [Heu02, Kap. 7]
7 Zusammenfassung / Ausblick
Es wurden Netzwerke betrachtet, die alle auf einer Anbindung per TCP/IP an eine Netzwerk
Infrastruktur bestehen. Dieser einheitliche Ansatz wird durch die hohe Verfügbarkeit des Internets
unterstützt. Darüber hinaus existieren Möglichkeiten mobile, geographisch Adressierbare
Netzwerke auf proprietären Technologien aufzubauen. So lassen sich z.B. die Lokationen
in Mobilfunk- Netzen indirekt aus der Signalstärke und der Zeitverzögerung zum Endgerät
schätzen(vgl. z.B. [ALL+02]). Hier fehlen jedoch Konzepte diese Adressierung proaktiv
für Applikationen zu nutzen. Das Hauptanwendungsfeld ist hier das Aufspüren der Präsenzen,
ohne einen definierten Nachrichtenaustausch und Routingfunktionalität.

124 Geographische Adressierung in Computernetzen
Referenzen
[ALL+02] S.Ahonen, J.Lähteenmäki, H.Laitinen ans S.Horsmanheimo (2002):
Usage of mobile location techniques for UMTS network planing in urban environment,
http://newton.ee.auth.gr/summit2002/papers/SessionW8/2502094.pdf
[Heu02] Dominic Heutelbeck (2002):
Context Spaces - Self-Structuring Distributed Networks for Contextual Messaging and
Resource Discovery,
CoopIS'02, Proc. of Tenth International Conference on Cooperative Information Systems.
- University of California Irvine, USA, October 30 - November 1, 2002
[NaI96] Tomasz Imielinski and Julio C. Nawas (1996):
GPS-Based Adressing and Routing,
RFC 2009, Computer Science, Rutgers University, März 1996
[NaI97] Tomasz Imielinski and Julio C. Nawas (1997):
GeoCast – Geographic Adressing and Routing,
Proc. of the Third ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and
Networking (MobiCom'97), Budapest, Hungary, September 26-30 1997

Mathematische Grundlagen für Augmented-Reality
Systeme
Affine Objektrepräsentation und Registrierungsfehler
Alexander Lorenz
Roermonder Straße 56
52072 Aachen
Lorenz.Alex@gmx.de
Zusammenfassung: Die meisten AR-Systeme basieren auf Messungen und
Positionsbestimmungen von verschiedenen Trackern. Hier wird ein System vorgestellt,
das ohne diese Tracker und ohne Kalibrierungen auskommt. Dazu wird die affine
Darstellung von Punkten benutzt. Es werden die mathematischen Grundlagen dieser
Darstellung beschrieben. edes heutige AR-System produziert Registrierungsfehler. Ein
Registrierungsfehler entsteht, wenn ein virtueller 3D-Punkt nicht exakt auf den richtigen
Punkt im Bild projiziert wird. Die größten Fehlerquellen sind Verzögerungen im System,
optische Verzerrung und Trackermessfehler.
1 Einleitung
Ein Augmented Reality System besteht im Kern aus einer Kamera, die die reale Umwelt
aufnimmt, einer Graphikeinheit, die für virtuelle Objekte zuständig ist, und einem Bildschirm.
Auf diesem Bildschirm werden in das Kamerabild virtuelle Objekte eingeblendet, die sich
auch beim Bewegen der Kamera wie echte Objekte verhalten. Dadurch wird das reale Bild der
Umwelt angereichert („augmented“ = „erweitert“). Augmented Reality Systeme sollen bei der
Lösung von Realweltproblemen helfen, wie sie z.B. in der Medizin oder beim Militär
vorkommen.
Für diese Systeme gibt es im Wesentlichen drei Vorraussetzungen:
• Das Mischen von virtuellen 3D-Objekten mit Bildern der realen Welt
• Eine konsistente Sicht auf diese Objekte von allen Blickwinkeln aus generieren
• Alle Operationen müssen in Echtzeit ausgeführt werden, um eine Interaktion mit dem
Benutzer zu ermöglichen
Augmented Reality kann ein bisschen mit der bekannteren Virtual Reality verglichen werden,
wobei aber bei letzterem die komplette Sicht im Computer generiert ist. Der Vorteil der
Augmented Reality ist sicherlich die wesentlich realistischere und natürlichere Darstellung
zum einen und die bei weitem mehr an Informationen enthaltene reale Umwelt zum anderen.
Wie oben erwähnt muss eine konsistente Sicht auf alle Objekte erzeugt werden. Inkonsistente
Sichten entstehen durch eine Nichtübereinstimmung zwischen dem Koordinatensystem, das
den Blickpunkt des Benutzers in der Realwelt beschreibt, und dem Koordinatensystem, das
den Blickpunkt des Graphiksystems in der virtuellen Welt beschreibt. Es müssen die
geometrischen Beziehungen zwischen den virtuellen und realen Objekten definiert werden.
Fehler in diesen Beziehungen werden als Inkonsistenzen wahrgenommen. Zu unterscheiden
ist zwischen statischen und dynamischen Registrierungsfehlern. Zu den statischen
Registrierungsfehlern zählt die unterschiedliche Platzierung von Objekten in
unterschiedlichen Sichten. Dynamische Registrierungsfehler treten auf, wenn das System den

126 Mathematische Grundlagen für Augmented-Reality Systeme
Echtzeitanforderungen nicht gerecht wird und dadurch bei Bewegungen Positionserschiebungen
sichtbar sind.
2 Transformationen
Um eine korrekte Darstellung zu erhalten, muss man Wissen über die Beziehungen zwischen
Kamera-, Realwelt- und Objektkoordinatensystem besitzen ([Vall]).
object
vertex
object-centered
coordinate system
O
graphics camera
coordinate system
graphics
plane
world
point
image
plane
world
coordinate system
P
C
video camera
coordinate system
Abbildung 1: die verschiedenen Koordinatensysteme und ihre Transformationen ([VaKu98])
Diese Beziehungen werden in Abbildung 1 durch die Transformationen Object-to-World O,
World-to-Camera C und Camera-to-Image plane P dargestellt. In vielen Systemen werden
diese Beziehungen durch Sensoren, Kalibrierungen und Messungen bestimmt. Dabei werden
mechanische, magnetische und optische Techniken benutzt, um die Position und Ausrichtung
der Kamera mit Bezug auf das Welt-Koordinatensystem zu bestimmen. Damit wird die
Transformation C bestimmt. Um P zu bestimmen braucht man die Fokusweite und die
Seitenverhältnis-Parameter der Kamera. Das kann durch Kalibrierung erreicht werden. Die
Transformation O kann durch Messungen bestimmt werden. Damit hat man im Prinzip alles,
um eine korrekte Verschmelzung von virtuellen Objekten mit dem Videobild durchzuführen.
Allerdings werden durch diese Vorgehensweise Einschränkungen auferlegt. Die
mechanischen Sensoren sind in der Reichweite beschränkt, magnetische Sensoren sind
anfällig für Störfelder und haben größere Verzögerungen. Die Parameter der Kamera können
sich mit der Zeit ändern und müssen neu kalibriert werden. Fehler in solchen Messungen
führen dann schließlich zu Registrierungsfehlern.
3 Affine Darstellung
Man kann diese gesuchten Transformationen auch anders bestimmen. Dazu werden
bestimmte Bezugspunkte in der Realwelt verfolgt. In [VaKu] wird beobachtet:
„Sei eine Menge von vier oder mehr nicht-planparallelen 3D-Punkten gegeben. Die
Projektion von allen Punkten dieser Menge kann als eine Linearkombination der
Projektion von nur vier dieser Punkte berechnet werden.“
Dadurch ist es möglich ein globales Koordinatensystem aufzubauen, in dem alle
Koordinatensysteme aus Abbildung 1 ausgedrückt werden können. Dieses Koordinatensystem
basiert nur auf der Verfolgung und Bestimmung von vier nicht-planparallelen Bezugspunkten.

127 Alexander Lorenz
Eine genaue Bestimmung wo ein Punkt eines virtuellen Objektes auf dem Bildschirm
dargestellt wird, ist grundlegend für eine korrekte Registrierung. In homogenen Koordinaten
kann die Projektion eines 3D-Punktes [X Y Z 1] T auf dem Videobild [u v 1] T folgendermaßen
ausgedrückt werden:
⎡u⎤
⎢ ⎥
⎢
v
⎥
= P3
⎢⎣
1⎥⎦
x4
C
4x4
⎡X
⎤
⎢ ⎥
⎢
Y
⎥
⎢Z
⎥
⎢ ⎥
⎣ 1 ⎦
P, C und O sind die entsprechenden oben genannten Transformationen. Diese Gleichung legt
die Vermutung nahe, dass die verschiedenen Transformationen P, C und O unabhängig
voneinander bestimmt werden. In einem System der University of Rochester ([VaKu])
werden alle Koordinaten in einem gemeinsamen affinen Koordinatensystem ausgedrückt.
Dieses Koordinatensystem wird durch vier nicht-planparallele Punkte definiert, die von allen
Positionen aus mit der Kamera verfolgt werden können. Damit kann die Projektion als eine
einzige homogene Transformation angesehen werden, sowohl für virtuelle als auch für reale
Punkte:
wobei [x y z 1] T die affinen Koordinaten für den Punkt [X Y Z 1] T sind und ∏ 3x4 die
Projektion eines 3D affinen Punktes auf die Bildoberfläche ist. Jetzt brauchen nicht mehr alle
Transformationen bestimmt zu werden, sondern es reicht aus, alles in die affine Darstellung
zu bringen und dann für jede Sicht die Projektionsmatrix ∏ zu berechnen. Es müssen dann
keine Kalibrierungen der Kameraparameter oder Tracker mehr vorgenommen werden, was
natürlich hilf Registrierungsfehler zu reduzieren und langwierige Kalibrierungsprozeduren zu
vermeiden.
3.1 Affine Räume und Projektionen
Zuerst werden ein paar Grundbegriffe erläutert, die eine wichtige Rolle spielen: der Begriff
des affinen Raumes und der Begriff der Projektion.
Ein affiner Raum über einem Körper K ist gegeben durch das Tupel (X, V, t). Dabei ist X
eine Menge von Punkten p, q, r…, V ein K-Vektorraum und t eine einfache transitive
Operation mit t : X × V → X ,( p,
v)
→ p + v .
Einfach transitiv bedeutet dabei, dass es zu je zwei Punkte p, q ε X genau einen Vektor v ε V
mit q = p + v gibt, man schreibt dann v = pq . Außerdem muss für die Abbildung gelten
p + 0 r = p,
∀p
∈ X und
p + ( v + w)
= ( p + v)
+ w,
∀p
∈ X, ∀v,w
∈V
.
In diesem affinen Raum kann dann das globale, affine Koordinatensystem aufgespannt
werden (siehe nächster Abschnitt), in dem schließlich alle Punkte beschrieben werden
können.
O
4x4
Gleichung 1
⎡x⎤
⎡u⎤
⎢ ⎥
⎢ ⎥ ⎢
y
= Π ⎥
⎢
v
⎥
3x4
⎢z⎥
⎢⎣
1⎥⎦
⎢ ⎥
⎣1⎦
Gleichung 2

128 Mathematische Grundlagen für Augmented-Reality Systeme
Eine Projektion ist eine Abbildung von Raumgebilden auf eine Ebene, hier einen Bildschirm.
Man unterscheidet Parallelprojektion und Zentralprojektion, je nachdem, ob die
Projektionsstrahlen parallel laufen oder von einem Punkt (dem Zentrum, hier das Auge)
ausgehen. Im Folgenden handelt es sich um Zentralprojektionen. Der Schnittpunkt zwischen
dem Bildschirm und der optischen Achse zum Punkt im Raum ergibt die Projektion des
Punktes auf dem Bildschirm. Die Projektionen der affinen Basispunkte können durch einfache
Messungen bestimmt werden bzw. ergeben sich automatisch aus der Aufnahme per
Videokamera.
3.2 Das globale, affine Koordinatensystem
Durch vier nicht-planparallele Bezugspunkte wird ein globales Koordinatensystem
aufgespannt, in dem alle übrigen Punkte des Systems dargestellt werden. Dieses
Koordinatensystem ist invariant gegenüber affinen Transformationen (Rotation, Translation,
nichteinseitige Größenveränderung). Die affine Darstellung eines Punktes wird durch
• die vier affinen Basispunkte p 0 , p 1 , p 2 und p 3 , von denen p 0 als Ursprung
ausgezeichnet wird, und
• die affinen Koordinaten der Punkte im Bezug auf die affinen Basispunkte
zusammengesetzt.
Der Ursprung p 0 hat also die homogenen affinen Koordinaten [0 0 0 1] T , die Basispunkte p 1 ,
p 2 und p 3 haben die Koordinaten [1 0 0 1] T , [0 1 0 1] T und [0 0 1 1] T . Damit haben die affinen
Basisvektoren die Werte p 1 = [1 0 0 0] T , p 2 = [0 1 0 0] T und p 3 = [0 0 1 0] T . Jeder beliebige
Punkt p kann jetzt durch eine Linearkombination dieser Basisvektoren ausgedrückt werden: p
= xp 1 + yp 2 + zp 3 + 1p 0 = [x y z 1] T .
3.3 Affine Reprojektion und Rekonstruktion
Dieses affine Augmented Reality System basiert auf zwei Eigenschaften [Vall]. Die erste ist
die „Affine Reprojection Property“. Wenn die Projektion eines 3D-Punktes in zwei Sichten
bekannt ist, kann dessen Projektion in einer dritten Sicht berechnet werden. Es muss also
nichts über die Parameter der Kamera oder ähnliches bekannt sein. Allein die Projektion der
Basispunkte muss in den zwei Sichten bekannt sein. Dann kann mit folgendem Satz die
Projektion in einer beliebigen anderen Sicht berechnet werden:
Property 1 (Affine Reprojection Property) If in an image, I m , the projection, [u pi v pi
1] T of the four points, p i i = 0 ... 3, which define the affine basis is known then the
projection, [u p v p 1] T of any point, p, with homogenous affine coordinates [x y z
1] T can be calculated as
m
⎡u
⎤ ⎡
p
u
⎢ m ⎥ ⎢
⎢v
p ⎥ = ⎢v
⎢ ⎥ ⎢
⎣
1
⎦ ⎣
m
p1
m
p1
− u
− v
0
m
p0
m
p0
u
v
m
p2
m
p2
− u
− v
m
p0
m
p0
u
v
m
p3
m
p3
− u
− v
0 0
Gleichung 3
m
p0
m
p0
m ⎡x⎤
u ⎤
p0
⎢ ⎥
m ⎥⎢
y
v ⎥
p0
⎥⎢z⎥
1 ⎥
⎦⎢
⎥
⎣1⎦
(Eigenschaft 1 (Affine Reprojektionseigenschaft) Wenn in einem Bild I m die
Projektion [u pi v pi 1] T der vier Punkte p i , i = 0 ...3, die die affine Basis definieren,
bekannt sind, dann kann die Projektion [u p v p 1] T jedes Punktes p, der die
homogenen affinen Koordinaten [x y z 1]T hat, berechnet werden als…)
Gleichung 3 definiert die Projektion eines 3D-Punktes in jedem neuen Bild als eine
Linearkombination der Projektionen der affinen Basispunkte in diesem Bild. Die affinen
Basispunkte werden durch visuelle Verfolgung bestimmter Eigenschaften oder Bezugspunkte

129 Alexander Lorenz
in der Umgebung festgelegt und deren Projektion im Videobild bestimmt. Um jetzt aber die
Projektion in einer beliebigen dritten Sicht zu berechnen, braucht man noch die zweite
Eigenschaft.
Die zweite Eigenschaft bestimmt die Technik zur Bestimmung der affinen Koordinaten eines
Punktes.
Property 2 (Affine Reconstruction Property) The affine coordinates of any point
can be computed from equation 3 if its projection in at least two views is known
and the projection of the affine basis points are also known in those views.
(Eigenschaft 2 (Affine Rekonstruktionseigenschaft) Die affinen Koordinaten
eines jeden Punktes können aus Gleichung 3 berechnet werden, wenn deren
Projektion in mindestens zwei verschiedenen Sichten bekannt sind, ebenso wie
die Projektionen der affinen Basispunkte in den verschiedenen Sichten bekannt
sein müssen.)
Das Ergebnis ist ein überbestimmtes Gleichungssystem. Hat man zwei Sichten I 1 und I 2 einer
Szene, in denen die Projektion der affinen Basispunkte p 0 …p 3 bekannt ist, dann können die
affinen Koordinaten [x y z 1] T durch folgendes Gleichungssystem bestimmt werden:
⎡u
⎢
⎢v
⎢u
⎢
⎢⎣
v
1
p
1
p
2
p
2
p
⎤ ⎡u
⎥ ⎢
⎥ = ⎢v
⎥ ⎢u
⎥ ⎢
⎥⎦
⎢⎣
v
1
p1
1
p1
2
p1
2
p1
− u
− v
− u
− v
1
p0
1
p0
2
p0
2
p0
u
v
u
v
1
p2
1
p2
2
p2
2
p2
− u
− v
− u
− v
1
p0
1
p0
2
p0
2
p0
Gleichung 4
u
v
u
v
1
p3
1
p3
2
p3
2
p3
− u
− v
− u
− v
1
p0
1
p0
2
p0
2
p0
u
v
u
v
1
p0
1
p0
2
p0
2
p0
⎤⎡x⎤
⎥⎢
⎥
⎥⎢
y
⎥
⎥⎢z⎥
⎥⎢
⎥
⎥⎦
⎣1⎦
wobei [u p v p 1] T die Projektionen des Punktes p und [u pi v pi 1] T die Projektionen der
Basispunkte p j in Bild I i sind. Durch die so bestimmten affinen Koordinaten können jetzt mit
Gleichung 3 die Projektionen in einer beliebigen anderen Sicht berechnet werden.
3.4 Affine Tiefe
Das System muss natürlich auch eine korrekte Tiefenanordnung der Objekte gewährleisten.
Da das System außerdem in Echtzeit arbeiten muss, sind der realistischen Darstellung
virtueller Objekte Grenzen gesetzt und es sollte, wenn möglich spezielle
Hardwareunterstützung genutzt werden. Besonders das so genannte „hidden-surface-removal“
via z-Buffering profitiert sehr von einer Hardwareunterstützung. Dazu wird jedem Punkt ein
Tiefenwert entlang der optische Achse zugeordnet, der so genannte z-Buffer. Der eigentliche
Wert ist unwichtig, wichtig ist nur die Tiefenreihenfolge der Punkte ([VaKu98]). Dazu muss
man als erstes die optische Achse der Kamera als eine 3D-Linie, deren Punkte alle auf
denselben Punkt im Bild projiziert werden, bestimmen. Die optische Achse wird durch den
homogenen Vektor [ζ T 0] T definiert, wobei ζ als das kartesisches Produkt bestimmt ist:
⎡u
⎢
ζ = ⎢u
⎢
⎣u
p
p
1
− u
p0
⎤ ⎡v
p
⎥ ⎢
2
− u
p0
⎥x⎢v
p
− ⎥ ⎢
3
u
p0
⎦ ⎣v
p
Gleichung 5
p
Die erste Spalte entspricht den ersten drei Elementen der ersten Zeile der Matrix ∏, die
zweite Spalte entspricht den ersten drei Elementen in der zweiten Zeile der Matrix ∏. Die
genannte Eigenschaft garantiert, dass alle Punkte {p + t ζ, t ε R}, die die Sichtlinie definieren,
auf ein und denselben Punkt projiziert werden.
1
2
3
− v
− v
− v
p0
p0
p0
⎤
⎥
⎥
⎥
⎦

130 Mathematische Grundlagen für Augmented-Reality Systeme
Der Tiefenwert, der für den z-Buffer benutzt wird, wird jedem Punkt durch das Produkt [ζ T
0] T p zugewiesen. Dadurch kann die komplette Projektion eines affinen Punktes ausgedrückt
werden als:
⎡u
⎤ ⎡u
⎢ ⎥ ⎢
⎢
v
⎥ = ⎢
v
⎢w⎥
⎢
⎢ ⎥ ⎢
⎣1⎦
⎣
p1
p1
− u
− v
p0
p0
u
v
p2
p2
− u
− v
p0
p0
u
v
T
ζ
0
Gleichung 6
p3
p3
− u
− v
p0
p0
u
p0
⎤⎡x⎤
v
⎥⎢
⎥
p0
⎥⎢
y
⎥
0 ⎥⎢z⎥
⎥⎢
⎥
1 ⎦⎣1⎦
Wobei w der z-Buffer des Punktes in der Projektion ist. Diese Matrix hat dieselbe 4x4 Form
wie die Sicht-Matrix, die in gebräuchlichen Graphiksystemen benutzt wird, um
Graphiktransformationen durchzuführen. Dadurch ist es hier möglich das z-Buffering und das
„hidden-surface-removal“ effizient durch die Hardware zu unterstützen. Ein korrektes
Anordnen der Objekte hintereinander ist allerdings nur zwischen virtuellen Objekten möglich.
Verdeckt ein reales Objekt ein virtuelles, so ist eine korrekte Darstellung nur mit zusätzlichen
Informationen über das reale Objekt möglich.
3.5 Interaktive Modellerstellung
Informationen über reale Objekte können mit Augmented Reality selbst gewonnen werden. Es
ist möglich mittels eines kleinen Pointers, der in der Hand gehalten wird, von einem realen
Modell ein virtuelles Objekt zu erschaffen ([VaKu]). Dazu wird erst das globale affine
Koordinatensystem berechnet. Dann wird von zwei Kameras beobachtet wie mit dem Pointer
die Oberfläche des realen Objektes „angemalt“ wird. Durch die zwei Kameras kann die
Affine Reconstruction Property genutzt werden, um die Koordinaten der gezeichneten
Bereiche zu ermitteln (siehe Abschnitt 3.3). Im Projektionsbild können die schon
„angemalten“ Bereiche gerendert werden, um so dem Benutzer sofort die Möglichkeit zu
geben, eventuelle Korrekturen vorzunehmen. Alles wird korrekt gerendert, auch wenn das
Objekt bewegt wird. Das verleiht den Eindruck, virtuelle Farbe auf das Objekt gebracht zu
haben.
4 Registrierungsfehler
Kein heutiges Augmented Reality System ist perfekt. Daraus ergibt sich zwangsläufig, dass in
jedem System Registrierungsfehler vorkommen. Wie groß diese Fehler sind hängt unter
anderem von der verwendeten Hardware und Software ab. [MGGNTO] stellt einen online-
Algorithmus, mit dem die Genauigkeit eines Head-Mounted-Display Augmented Reality
Systems bestimmt werden kann, vor. Welche Fehler noch zu tolerieren sind hängt dabei vom
Anwendungsbereich ab. Bei chirurgischen Eingriffen muss sicher genauer gearbeitet werden
als bei einem Raketenzielsystem. Die folgenden Beschreibungen und Berechnungen beziehen
sich auf ein System mit einem Head-Mounted-Display (HMD).
4.1 Fehlermaße
Bei einem Registrierungsfehler wird ein Punkt nicht genau auf der erwarteten Stelle
abgebildet. Der dargestellte Punkt kann weiter hinten/vorne und/oder weiter rechts/links als
erwartet erscheinen. Daraus ergeben sich die Fehlermaße aus Abbildung 2.

131 Alexander Lorenz
E
r
Θ/2
r
P
s = lateral error
b = linear error
t = depth error
P’
Abbildung 2: die verschiedenen Fehlermaße ([Ho])
E ist das Auge des Betrachters, P der echte Punkt und P’ der falsch dargestellte Punkt. Der
lateral error beschreibt die seitliche Abweichung, beantwortet also die Frage wo der Punkt P’
erscheinen würde, wenn er denselben Abstand vom Betrachter hätte wie P. Der depth error
gibt die Abweichung in der Tiefe an und beschreibt die Frage wie viel weiter hinten oder
vorne der Punkt P’ liegt. Schließlich bestimmt der linear error den Abstand zwischen P und
P’.
Θ
s = 2r
sin
2
Der seitliche Fehler wird dann angegeben durch:
Der Tiefenfehler wird angegeben durch:
t =
v E
− v
_ P'
E _ P
wobei
v
E _ P'
und
E P
v _
die Größen der Vektoren von E nach P und von E nach P’ sind.
Jetzt könnte man meinen, wozu braucht man den lateral und den depth error Der linear error
beschreibt schließlich beides. Man braucht den seitlichen Fehler sowie den Tiefenfehler unter
anderem deshalb, weil bei stereoskopischer Sicht der Fall vorkommen kann, dass die
Projektionen eines Punktes parallel sind, was zu einem unendlichen linear error führt, der
dann natürlich nicht aussagekräftig ist ([Ho]).
4.2 Fehlertypen
Es gibt im Wesentlichen vier Fehlerkategorien ([Ho95]). Jeder Fehler kann einer dieser
Kategorien zugeordnet werden.
• Erstellungs- und Ausrichtungsfehler: das sind Fehler bei der Erstellung der Daten, z.B.
können beim Einscannen Artefakte auftreten, oder bei der Darstellung in Polygonen
entstehen gewisse Abweichungen. Fehler in der Ausrichtungsprozedur mit den
Landschaftsmerkmalen gehören ebenso zu dieser Kategorie.
• Fehler in der Verfolgung der Kopfbewegungen: das sind Fehler in den
Transformationen zwischen Welt und Tracker und zwischen Tracker und Sensor, die
den Standort des HMD in der Welt definieren. Ursachen hierfür sind
Kalibrierungsfehler, Verzögerungen und Tracker-Messfehler.

132 Mathematische Grundlagen für Augmented-Reality Systeme
• Display Fehler: das sind Fehler in der Darstellung. Dazu gehören optische Verzerrung,
falsche Kalibrierung des virtuellen Bildes mit Bezug auf die Sensoren des Trackers,
ein nicht-flaches Display, seitliche Farbabweichung etc.
• Sichtfehler: Fehler in der internen Darstellung des Blickpunktes des Benutzers. Hierzu
zählen Augenbewegungen, Kalibrierungsfehler und Verrutschen des HMD.
Zu den größten Fehlern gehören die Fehler der zweiten und dritten Fehlerkategorie, die
deswegen auch ausführlicher betrachtet werden.
4.2.1 Verzögerungen im System
Verzögerungen im System gehören zu den Fehlern in der Verfolgung der Kopfbewegungen,
sie sind die größten Fehlerursachen. Selbst kleine Kopfbewegungen haben zum Teil große
Registrierungsfehler zur Folge, die sofort jede Illusion der echten Einbettung virtueller
Objekte in die Landschaft zerstören. Verzögerungen im System sind die Summe aller
Verzögerungen von dem Zeitpunkt an, wo die Positionsbestimmung des Kopfes durchgeführt
wird bis zu dem Zeitpunkt wo das Bild erstellt und schließlich dargestellt wird. Im Einzelnen
sind die Verzögerungsursachen ([Ho]):
• Tracker: die Zeit um Daten zu sammeln und Berechnungen durchzuführen
• Host-Computer-Verzögerung: Holen und Senden der Tracker-Daten,
Betriebssystemaufgaben etc.
• Bilderstellung: die Zeit um das Bild zu rendern
• Videosynchronisation: Warten auf den nächsten Videoframe
• Frame-Verzögerung: viele Geräte zeichnen das Bild sequentiell von oben nach unten,
das dauert bei 60 Hz etwa 17 s. Wenn man also bei der unteren Zeile angekommen ist,
ist das dortige Bild etwa 17 s alt.
• interne Display-Verzögerung
Der Registrierungsfehler durch Verzögerung ist für unbewegliche Objekte durch die Stärke
der Kopfbewegung von dem Zeitpunkt, an dem die Position bestimmt wurde bis zu dem
Zeitpunkt, an dem das Bild dargestellt wird, bestimmt. Für diesen Fehler gilt dann:
b
delay
=
v
head
∆t
+
Θ
head
2sin
S _ P'
Gleichung 7
2
∆t
v
wobei Θ head die Winkelgeschwindigkeit und v head die geradlinige Geschwindigkeit des Kopfes
angibt, ∆t ist die Netzverzögerung und v S_P’ gibt die Entfernung des Punktes P’ vom Sensor
an. Die Geschwindigkeitswerte sind natürlich anwendungsbereichsabhängig. Man kann davon
ausgehen, dass ein Kampfpilot schnellere Bewegungen macht als ein Chirurg. Bei einer
Operation liegt die durchschnittliche Geschwindigkeit bei 164 mm/s und 20 °/s, das
Maximum bei etwa 500 mm/s und 50 °/s. Setzt man letzteres in die Formel ein (für die
Netzverzögerung ∆t nehmen wir 65 ms, was die minimale Verzögerung eines Pixel-Planes
Rendering Systems darstellt, und die für die Entfernung ||v S_P’ || 500 mm) erhält man:
b delay
= 500 mm / s ⋅0.
065s
+

133 Alexander Lorenz
was einen sehr großen Fehler darstellt. Nehmen wir die Durchschnittswerte entstehen immer
noch 22 mm Fehler. Die Frame-Verzögerung ist da allerdings noch nicht mit eingerechnet,
was noch einmal 17 ms ausmachen kann. Aus der einfachen Rechnung kann eine Regel
abgeleitet werden, für jede Millisekunde Verzögerung muss man mit etwa 1 mm
Registrierungsfehler rechnen im schlechtesten Fall, im Durchschnitt 1/3 mm/ms. Wenn man
aber im Submillimeterbereich arbeiten will, hilft nur eine vorrausschauende
Kopfbewegungsbestimmung. Verzögerungsfehler stellen eine so große
Registrierungsfehlerquelle dar, dass sie größer ist als alle anderen Quellen zusammen!
4.2.2 Weltkoordinatensystem-Fehler
Dieser Fehler gehört ebenfalls zur zweiten Klasse. Normalerweise hat man ein benutzer- oder
systemdefiniertes Weltkoordinatensystem als Referenz. Ein solches System wird z.B. dann
gebraucht, wenn man einen Tracker hat, der Punkte in der Welt (W) genau bestimmen kann,
aber keine Kopfbewegungen verfolgen kann ([Ho]). Dann ist W als
Referenzkoordinatensystem gegeben und T wird relativ dazu ausgedrückt. Um jetzt den
virtuellen Punkt P richtig auszurichten muss er in einem Koordinatensystem angegeben
werden, das dem System bekannt ist, also das Sensorkoordinatensystem. Eine Möglichkeit ist
es, den Punkt P relativ zu einem Weltkoordinatensystem W zu messen, und dann diesen
Vektor in das Sensor-Koordinatensystem zu transformieren:
v
S _ P
= T
S _ T
⋅T
T _ W
Gleichung 8
⋅v
W _ P
T T_W stellt dabei die Transformation von W nach T dar, T S_T von T nach S. v W_P und v S_P sind
die entsprechenden Vektoren. Eine zweite Methode ist es, den Punkt mit Bezug auf das
Tracker-Koordinatenssytem zu messen, indem der Punkt mithilfe mehrerer Messungen im
Tracker-Raum digitalisiert wird. Das führt dann zu folgender Gleichung:
v
S _ P
= T
S _ T
⋅v
T _ P
Gleichung 9
Diese Methode hat bessere Fehlereigenschaften, da der Fehler b W_T wegfällt, ist aber nicht
immer möglich, da die meisten guten digitalen Tracker nicht für Kopfverfolgung geeignet
sind. Nur durch Fehler in der Bestimmung des Ursprungs und der Ausrichtung des Tracker-
Koordinatensystem mit Bezug auf das Welt-Koordinatensystem ergibt sich für den Fehler
b W_T :
b W
= δ v
_ T
W _ T
δ Θ
+ 2⋅sin
Gleichung 10

134 Mathematische Grundlagen für Augmented-Reality Systeme
δv W_T ist der Fehler in der Bestimmung des Ursprungs, δΘ W_T der Ausrichtungsfehler. Nur
durch den Ausrichtungsfehler bekommen wir bei einer Entfernung von 500 mm des Kopfes
vom Tracker-Ursprung und 500 mm des Punktes vom Sensor einen Fehler von 4 bis 10 mm.
Um die Kopfposition und –ausrichtung zu bestimmen (T T_S ) kommen noch mehr Fehler
hinzu.
4.2.3 Tracker-Messfehler
Der Tracker-Fehler kann in drei Kategorien eingeteilt werden ([Ho]):
• statische Feldstörung: systematische, wiederholbare Störung der Messgröße z.B. durch
Metall bei magnetischen Trackern. Kann durch Kalibrierung bis zu dem Grad behoben
werden wie er wiederholbar und systematisch ist.
• nicht-wiederholbare Tracker-Fehler (Jitter): dieser Fehler kann nicht herauskalibriert
werden, dazu gehören sowohl kurzzeitige Störungen wie auch Langzeitstörungen
• dynamische Tracker-Fehler: jeder Fehler, der durch die Bewegung des Sensors
hervorgerufen wird
Der Gesamtregistrierungsfehler durch Tracker-Messfehler kann durch die Gleichung 11
ausgedrückt.
b
trac ker
=
δ v
T _ S
δ ΘT
_ S
+ 2⋅sin
⋅
2
v
S _ P
Das zeigt, dass Verschiebungsfehler nur zum Registrierungsfehler addiert werden, der
Ausrichtungsfehler aber mit der Entfernung zum Punkt P multipliziert wird. Für die Polhemus
Fastrak z.B. bekommt man für eine Entfernung von 500 mm einen Fehler von 2.6 mm ([Ho]).
4.2.4 Optische Verzerrung
Dieser Fehler gehört zu den Display-Fehlern. Viele HMDs erzeugen eine Verzerrung des
Bildes, d.h. ein Punkt wird etwas weiter seitlich dargestellt als er eigentlich sollte. Die
häufigste Art der Verzerrung ist die so genannte pincushion distortion. Dabei werden die
Punkte je weiter sie von der optischen Achse entfernt liegen umso weiter nach außen verzerrt
(das Gegenteil davon wird barrel distortion genannt). Die seitliche Abweichung eines Punktes
kann man durch Gleichung 12 annähern.
r = m⋅
r + k
i
s
3
( mrs
)
Gleichung 12
r i bezeichnet dabei den Abstand von der optischen Achse zum Punkt im Bild, m ist die lineare
Vergrößerung, k ist der Koeffizient für die optische Verzerrung und r s ist der Abstand von der
optischen Achse zum Punkt im Bildschirm. Da man auf der optischen Achse keinen (oder nur
einen sehr geringen Fehler im stereoskopischen Fall) sieht, der aber zum Rand hin immer
größer wird, ist Vorsicht geboten, wenn man größere Displays einsetzen möchte. Da der
Fehler sich mit der Zeit nicht ändert, könnte man dem eigentlich sehr gut entgegenkommen,
indem man eine Vorverzerrung z.B. mittels Texture Mapping, das von [WaHo] beschrieben
wird, vornimmt. Leider sind diese Methoden zurzeit noch so rechenintensiv, dass der Fehler
zwar korrigiert werden kann, aber durch die zusätzliche Verzögerung ein noch viel größerer
Fehler entsteht.
Wie kann man sich diesen Fehler optisch vorstellen Dazu werfen wir einen Blick von oben
auf die Szenerie.

135 Alexander Lorenz
LE
LI
screen
image
RI
RE
Abbildung 3: Auswirkung der optischen Verzerrung von oben gesehen ([Ho])
LE und RE sind das linke und das rechte Auge. LI und RI sind die Zentren der zwei Bilder.
Die gestrichelten Linien zeigen die echte Lage an, die durchgezogenen Linien die Verzerrung.
Für das linke Auge gilt, dass aufgrund der Verzerrung die Punkte auf dem Bildschirm weiter
nach unten versetzt sind (eigentlich nach rechts, da wir ja von oben auf die Szenerie schauen),
und zwar je weiter weg vom Zentrum, desto größer ist die Abweichung. Beim rechten Auge
verschiebt sich der Punkt des oberen Randes des Rechtecks nicht, weil er genau auf das
Zentrum fällt. Der untere Rand des Rechtecks verschiebt sich dagegen wieder gemäß der
üblichen Abweichung. So entsteht eine Verzerrung und die Objekte am Rand des
Bildschirmes machen den Eindruck als würden sie auf den Benutzer zukommen. Ist ein
Objekt erst in der Mitte des Sichtfeldes, so ist es nicht verzerrt. Bewegt jetzt der Benutzer
seinen Kopf, so dass das Objekt jetzt am Rand des Bildes ist, so scheint es als hätte das
Objekt seine Form geändert. Wenn man eine stereoskopische Sicht benutzt, dann entsteht
natürlich immer ein kleiner Fehler, da ein Objekt nie gleichzeitig im Zentrum des Bildes des
linken Auges und des rechten Auges sein kann.
5 Abschließender Kommentar
Die affine Repräsentation aller Punkte bringt den großen Vorteil mit sich, dass komplett auf
Kalibrierungen versichtet werden kann, womit eine Fehlerquelle für Registrierungsfehler und
eine teilweise langwierige Kalibrierungsprozedur beseitigt wird. Da das Koordinatensystem
erst zur Laufzeit berechnet werden kann, können auch erst dann virtuelle Objekte platziert
werden. Allerdings gibt es noch einige Probleme und Einschränkungen mit diesem System.
Es müssen in jedem Bild bestimmte Merkmale verfolgt werden. Diese Merkmale müssen
einen sehr hohen Kontrast und eine einfache Struktur aufweisen. Kein Merkmale darf je
verdeckt oder außerhalb des Sichtradius’ sein, es muss immer eine Verfolgung gewährleistet
sein. Man könnte diese Einschränkung umgehen, indem man mehr als vier Bezugspunkte
wählt. Doch es ist noch nicht ganz klar wie mit einer wechselnden Anzahl von Bezugpunkten
von einem Bild zum nächsten umgegangen werden soll.
In jedem heutigen AR-System sind Registrierungsfehler vorhanden. Darum stellt sich zurzeit
nicht die Frage, ob man ein registrierungsfehlerfreies System bekommt, sondern wie viel
Registrierungsfehler für ein bestimmtes Anwendungsgebiet noch akzeptabel sind. Das größte
Problem stellt die zeitliche Verzögerung im System dar. Sie produziert so viel Fehler wie alle
anderen Fehlerquellen zusammen und lässt Submillimeter-Anwendungen fast unmöglich
erscheinen. Deshalb gilt es hier noch effizientere, schnellere Hard- und Software zu
entwickeln. Optische Verzerrung ist eine weitere auffällige Fehlerquelle. Zurzeit kostet die
Behebung dieses Fehlers so viel zusätzliche Zeit, dass dadurch mehr Fehler produziert werden
als behoben werden. Trackermessfehler lassen sich dagegen durch sorgfältige Kalibrierung
weitestgehend vermeiden.

136 Mathematische Grundlagen für Augmented-Reality Systeme
Referenzen
[VaKu]
[Vall]
[Ho]
[WaHo]
[MGGNTO]
[Ho95]
[VaKu98]
Vallino J., Kutulakos K. N.:
Augmented Reality Using Affine Object Representation
Fundamentals of Wearable Computers and Augmented Reality
Lawrence Erlbaum Associates, Inc. Publisher, 157 - 182
Vallino J.:
Augmented Reality with Minimal Calibration
http://www.se.rit.edu/~jrv/research/ar/thesis.html
Holloway R. L.:
Registration Error Analysis for Augmented Reality Systems
Fundamentals of Wearable Computers and Augmented Reality
Lawrence Erlbaum Associates, Inc. Publisher, 183 – 218
Watson A., Hodges F.:
Using Texture Maps to Correct for Optical Distortion in Head-Mounted Displays
Proceedings VRAIS ’95, IEEE Virtual Reality Annual Symposium (Research Triangle
Park, March), 172 – 178
McGarrity E., Genc Y., Navab N., Tuceryan M., Owen C.:
Evaluation of Calibration for Optical See-Through Augmented Reality Systems
Proceedings of the IEEE and ACM International Symposium on Augmented Reality,
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Holloway R. L.:
Registration Errors in Augmented Reality Systems
Dissertation 1995
Vallino J., Kutulakos K. N.:
Calibration-Free Augmented Reality
Computer Science Departement, Univerity of Rochester

Wearable Computer und Augmented Reality
Anwendungen
Hermann Kollmar
Konstanzer Str. 26
D-69126 Heidelberg
Hermann.Kollmar@FernUni-Hagen.de
Zusammenfassung: Wearable Computer (WC) werden bereits in den verschiedensten
Bereichen eingesetzt. Auch für Augmented Reality (AR) existieren schon zahlreiche Anwendungsgebiete.
WC erweitern dabei die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie dort,
wo Mobilität gefragt ist. Die derzeit bedeutendsten Anwendungsbereiche solcher WCund
WC/AR-Systeme sind Fertigungsprozesse und Wartung, Militär, Medizin, Logistik,
Architektur und Unterhaltung. Eine Entwicklungsrichtung zielt darauf ab, WC zunehmend
direkt in die Kleidung zu integrieren. Für die Zukunft ist zu erwarten, dass WC zu
tiefgreifenden Änderungen in Handlungsabläufen des täglichen Lebens und Kommunikationsformen
mit Computern im weitesten Sinne führen.
1 Einführung
1.1 Begriffsdefinitionen
1.1.1 Wearable Computer
Die Grenze zwischen herkömmlichem Computersystem und Wearable Computer (WC) ist
etwas unscharf: Tragbare Computer im Sinne eines Laptops sind damit eigentlich noch nicht
gemeint (es sei denn, sie sind irgendwie am Körper befestigt), in der Regel kann man ungefähr
ab der Größe eines Handheld (z.B. PDA) und darunter von einem WC sprechen. Neben
diesen in der Hand tragbaren Computersystemen bezeichnet man aber besonders informationstechnische
Geräte, die am Körper oder an der Kleidung getragen werden oder sogar direkt
in Kleidungsstücke integriert sind, als WC [Bab01]. Ob man auch noch bei vollständig
implantierbaren Systemen von „wearable“ sprechen will, ist fraglich.
1.1.2 Augmented Reality
Augmented Reality (AR) bedeutet, dass die Wirklichkeit, so wie wir Menschen sie wahrnehmen,
um bestimmte virtuelle, von einer entsprechenden Elektronik (z.B. PC) generierte Informationen
angereichert, d.h. überlagert wird. Die Präsentation dieser Superposition aus Realität
und Virtualität erfolgt dann auf eine für den menschlichen Betrachter geeignete Weise
(bei visuellen Informationen z.B. über ein Brillensystem).
1.2 Spezifische Technologien
WC und AR greifen bei ihrem Einsatz auf eine Reihe spezifischer Technologien zurück, die
sich insbesondere auf die folgenden Punkte beziehen:
• Rechenleistung: Neben Anwendungen für WC, die die Rechenleistung und Vielseitigkeit
eines herkömmlichen Computersystems benötigen, gibt es viele, bei der die Hardware abgespeckt
und auf die spezifische Aufgabe abgestimmt werden kann, wodurch dann oft
überhaupt erst „Tragbarkeit“ erreichbar ist. In solchen Fällen kommen statt vollwertiger
Computersysteme in der Regel Microcontroller zum Einsatz.

138 Wearable Computer und Augmented Reality Anwendungen
• Netzwerkanbindung: Häufig werden WC in ein meist drahtloses lokales Netzwerk (wireless
LAN) eingebunden: Wenn verschiedene Teile eines WC am Körper verteilt sind, können
diese über ein sog. Body-LAN (auch als Personal Area Network, kurz PAN bezeichnet)
miteinander kommunizieren, oder aber der WC ist als Ganzes über ein LAN oder eine
andere spezielle Funkschnittstelle in einen größeren informationstechnischen Kontext eingebunden.
• Eingabegeräte: Statt der gewöhnlichen Eingabegeräte wie Maus und Tastatur können zur
Steuerung und Dateneingabe z.B. spezielle Miniaturtastaturen (beispielsweise am Handgelenk
zu tragen oder einhändig bedienbar), Touchpads, Trackballs, Datenhandschuhe
oder Spracherkennung verwendet werden. Es gibt auch bereits Versuche mit Techniken,
die Gebärden bzw. Gestiken, elektrische Hirn- oder Muskelströme zur Steuerung einsetzen
[BBS01].
• Ausgabegeräte: Hier kommen statt eines Monitors neben Sprache vor allem brillenbasierte
optische Darstellungssysteme zur Anwendung [Blü02], [Bab01]: Bei einem Head-
Mounted-Display (HMD) nimmt eine am Brillengestell befestigte Videokamera die reale
Szene auf. Zusammen mit virtuellen Informationen werden diese Bilder über kleine, ebenfalls
an der Brille montierten Monitore einem (monokular) oder beiden Augen (biokular)
zur Anzeige gebracht. Ähnlich funktioniert ein See-Through-HMD: Hier werden die virtuellen
Informationen auf einem an der Brille befestigten Monitor über einen vor dem Auge
des Betrachters angebrachten halbdurchlässigen Spiegel in dessen reale Sicht eingefügt.
Statt eines Monitors können die virtuellen Daten auch mittels eines Laserscanners auf die
Netzhaut projiziert werden.
In zunehmendem Maße kommen auch haptische Ausgabegeräte wie Force-Feedback-
Displays zum Einsatz.
Abb. 1: Monokulares See-Through-HMD [LuI] und Handgelenkstastatur [WL]
• Tracking-Systeme: Damit zum realen Sichtfeld passende virtuelle Informationen hinzugefügt
werden können, muss ermittelt werden, worauf der Betrachter schaut bzw. welche
Objekte sich in seinem Sichtfeld befinden und wie der Blickwinkel auf diese ist. Gerade
im Zusammenhang mit WC-Systemen unter outdoor-Bedingungen ist das präzise
Tracking meist schwierig. Daher kommen in solchen Situationen in der Regel Kombinationen
aus mehreren der weiter unten vorgestellten Verfahren zur Anwendung. Man
spricht dann auch von hybriden Tracking-Systemen [AHN99]. Die Position des Beobachters
kann man z.B. mittels GPS tracken, die Orientierung seines Kopfes (Blickrichtung)
durch einen am Kopf befestigten elektronischen Kompass, evtl. kombiniert mit einem
Neigungsmesser. Man kann auch Objekte in der Umgebung des Beobachters tracken: Die
hierzu eingesetzten Tracking-Systeme arbeiten meist auf optischer Basis. Beim sog. Marker
Tracking werden an den zu trackenden Objekten Registriermarken angebracht, z.B. in
Form von Strichcodes oder Kreisen. Das Landmark Tracking hingegen erhält seine Bezugspunkte
aus markanten, fest stehenden Objekten der Umgebung. Auch planare Flä-

139 Hermann Kollmar
chen, beispielsweise von Gebäuden, sind hierfür nutzbar. Diese Methode spielt insbesondere
in der Architektur eine bedeutende Rolle.
Abb. 2: WC-System VuMan 2 von der Carnegie Mellon Universität mit HMD und Drei-Tasten-
Eingabegerät [VuM]
1.3 Verknüpfung von WC und AR
Zunächst lassen sich die beiden Begriffe unabhängig voneinander betrachten: Grundsätzlich
gibt es Applikationen für WC, die keine AR nutzen und umgekehrt solche für AR, die nicht auf
einem WC laufen, sondern auf herkömmlichen Rechnersystemen.
Die vorliegende Arbeit fokussiert hauptsächlich auf solche WC-Anwendungen, bei denen
beide Technologien miteinander verbunden sind: WC erweitern hier die Anwendungsmöglichkeiten
von AR um solche, bei denen Erfassung, Verarbeitung oder Präsentation der Daten
mittels gewöhnlicher Computer nicht praktikabel wäre.
2 Anwendungsgebiete
Für WC und AR existieren mittlerweile zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Die wichtigsten sollen
im folgenden exemplarisch dargestellt werden:
2.1 Fertigungsprozesse und Wartung
Bei einem Fertigungsprozess fallen gewöhnlich viele Daten an, z.B 3D-Strukurpläne von
Teilen, Montageanleitungen, oder den Materialfluss betreffend. Hierbei ist die Verfügbarkeit
und die Möglichkeit zur Manipulation von diesen Daten an beliebigem Ort und jederzeit im
Produktionsablauf wünschenswert. Außerdem finden Montagearbeiten oft unter ungünstigen
räumlichen Bedingungen statt, wo die Verwendung von herkömmlichen Rechnern wie Desktop
oder Laptop nicht möglich ist, zumal wenn der Monteur beide Hände zum Arbeiten
braucht. Mittels WC und AR hingegen ist die Visualisierung dreidimensionaler oder textueller
Daten sowie ein intuitiver, interaktiver Umgang mit diesen Daten auch unter den oben
geschilderten Umständen möglich. Als Ausgabegerät wird dabei meist ein HMD verwendet.
Dies eröffnet u.a. folgende Möglichkeiten [BBS01]:
• Visualisierung von 3D-Bauteilmodellen direkt an der benötigten Stelle im Montageprozess
• Simulation von Arbeitsabläufen mit der Möglichkeit zur Visualisierung des Ergebnisses
direkt auf den betreffenden Werkstücken
• Hilfe bei manuellen Produktionsvorgängen: Beispielsweise kann durch Einblenden einer
Markierung in das Sichtfeld auf das Werkstück direkt die exakte Bohrlochposition angegeben
werden
• Training vor Ort z.B. bei Einführung neuer Montagetechniken oder technischen Änderungen
von Bauteilen
• beidhändiges Arbeiten bei simultaner Projektion von relevanten Informationen (z.B. über
den nächsten auszuführenden Arbeitschritt, hierfür benötigte Werkzeuge und Materialien)

140 Wearable Computer und Augmented Reality Anwendungen
auf das jeweilige Arbeitsumfeld. Dadurch werden auch Informationen in gedruckter Form
wie Pläne usw. überflüssig und der Monteur kann sich voll auf den eigentlichen Arbeitsablauf
konzentrieren. Sprachausgabe ist hier ebenfalls einsetzbar.
• Hilfe bei der Qualitätskontrolle: Über ein HMD kann dem Arbeiter z.B. angezeigt
werden, wo und welche Maßnahme er durchführen muss. Mittels einer zum WC-System
gehörenden Videokamera oder per Spracheingabe kann dabei gleich die Dokumentation
der ausgeführten Tätigkeiten erfolgen.
Derartige Systeme werden u.a. in der Automobilproduktion [RSK99] und im Flugzeugbau
[CMG99] bereits seit einiger Zeit eingesetzt, aber auch bei Inspektions- und Wartungsarbeiten
zeigen sie ihre Stärken: Zur Wartung von Flugzeugen gehört beispielsweise auch die Untersuchung
der Flugzeughaut auf Korrosion und Risse. Gerade hier kommt die physische Bewegungsfreiheit,
die ein WC dem Servicepersonal ermöglicht, voll zum Tragen.
Abb. 3: Links: WC-System VuMan 2R beim Einsatz in der Flugzeugwartung; Rechts: Das
Eingabegerät besteht aus einer Drehscheibe mit drei Drucktasten, womit der Anwender z.B.
durch mittels des HMD angezeigter Menus navigieren kann [VuM]
2.2 Militär
Dieses Einsatzgebiet stellt bezüglich der Technik auch einige spezifische Anforderungen an
WC-Systeme [TRL01]: Gerade bei Kampfeinsätzen sind Steuerungen durch kontinuierlichen
Sprachfluss schlecht einsetzbar. Bezüglich Störgeräuschen unempfindliche Systeme, die nur
auf einzelne Worte oder kurze Phrasen reagieren, eignen sich hier besser. Eine hundertprozentige
Zuverlässigkeit insbesondere bei Kommandos wie „Feuer!“ muss selbstverständlich
sein. Daneben werden besondere Anforderungen an Robustheit, Gewicht und Batterielebensdauer
gestellt.
Im Folgenden sind die wichtigsten militärischen Anwendungsbereiche kurz erläutert[TRL01]:
2.2.1 Kommunikation
Für die Truppenführung gehören gute Kommunikationsmöglichkeiten zu den wichtigsten
Dingen. Im Rahmen einer Aufklärungsmission ist es z.B. grundsätzlich gefährlich, direkt Informationen
an Ort und Stelle drahtlos zu übermitteln, da der Sender dabei angepeilt werden
kann. Wird mit der Weitergabe hingegen bis zur Rückkehr gewartet, ist die daraus entstehende
Zeitverzögerung evtl. zu groß. Ein WC-System kann hier helfen, indem die Informationen
vor Ort im WC gespeichert und erst bei Erreichen einer sicheren Position per Funk
(z.B. über in die Ausrüstung bzw. Kleidung integrierte Antennen) weiter übermittelt werden.
Angesichts des Trends zu multinationalen Einsätzen ist auch die Fähigkeit zu mobiler Kommunikation
mittels automatischer Sprachübersetzung von großer Bedeutung.
2.2.2 Orientierung
In vielen Situationen ist die genaue Kenntnis der eigenen Position nötig (z.B. beim Anfordern
von Artillerieunterstützung, damit man nicht in „friendly fire“ gerät). Aus diesem Grund

141 Hermann Kollmar
wurde vom U.S.-Militär das Global Positioning System (GPS) entwickelt. Die von einem
GPS-Empfänger gelieferten Ortskoordinaten können auf dem Display eines WC-Systems direkt
in einer digitalen Karte angezeigt werden, beispielsweise als Punkt. Dies erleichtert die
Orientierung. Auch die Routenplanung wird durch WC vereinfacht. Im Gegensatz zu zivilen
Produkten müssen hier aber noch andere Faktoren wie verwendeter Fahrzeugtyp, Straßenzustand
und Wetterbedingungen Berücksichtigung finden. WC können diese Informationen
sammeln, aufbereiten und geeignet präsentieren.
2.2.3 Logistik
Militärische Einsätze erfordern neben der Erfassung, Zusammenführung und Bewertung verschiedenster
Daten die Bewältigung zahlreicher logistischer Aufgaben auch direkt am Einsatzort.
So müssen etwa verschiedene Berichte verfasst, die Reichweite der Ressourcen (Sprit,
Munition, usw.) berechnet und Nachschub über entsprechende Formulare angefordert werden.
Alle diese Aufgaben werden durch WC erleichtert, insbesondere sind diese Vorgänge damit
papierlos zu bewerkstelligen.
2.2.4 Wartung und Instandhaltung
Das U.S.-Militär verwendet bereits seit geraumer Zeit verschiedene WC-Systeme bei der
Wartung von Flugzeugen, Helikoptern und anderem komplexen technischen Gerät. Funktionell
sind die hier eingesetzten Systeme mit den in Kapitel 2.1 vorgestellten zivilen Versionen
vergleichbar.
2.2.5 Medizinische Erstversorgung
Für einen im Kampfeinsatz verwundeten Soldaten ist die erste Stunde danach die kritischste
Zeit. Die übliche Rettungskette sieht so aus:
• Erkennung, dass der Soldat überhaupt medizinische Hilfe braucht
• Information der zuständigen Rettungsleitstelle, Anforderung eines Transportmittels
• Untersuchung und Erstversorgung vor Ort
• Transport zur nächstgelegenen medizinischen Einrichtung, dort weitere Untersuchungen
und Versorgung, evtl. Verlegung in andere Einrichtungen
WC mit entsprechender sensorischer Ausstattung können hier eine sehr wichtige Hilfe sein:
Über Sensoren für die medizinischen Basisparameter Puls- und Atmungsfrequenz, Blutdruck
und Blutsauerstoffgehalt kann der physische Zustand eines Soldaten permanent überwacht
und durch ein eingebautes Expertensystem beurteilt werden. Bei Überschreiten kritischer
Werte (die z.B. auf einen Schockzustand hindeuten) kann dann automatisch unter Übermittlung
der gemessenen Werte im Sinne einer einfachen Erstdiagnose und der augenblicklichen
räumlichen Position in Form von GPS-Daten adäquate Hilfe angefordert und zum Einsatzort
dirigiert werden.
Weiterhin können z.B. vom Rettungspersonal erste Videobilder samt Ton des Verwundeten
mittels eines entsprechend ausgestatteten WC-Systems aufgenommen, komprimiert und zu
einem Arzt der Leitstelle übermittelt werden, der dann auch in der Lage ist, Rückfragen zu
stellen und Anweisungen zu geben. Außerdem kann der WC ein Inventar über die den Rettungskräften
aktuell zur Verfügung stehenden Verbrauchsmittel wie Medikamente, Kanülen,
Verbandsmaterial vorhalten, indem die Verpackungen diese Dinge mit einem Barcode versehen
und bei Entnahme gescannt werden. Damit erfolgt auch gleichzeitig die sehr wichtige
Dokumentation über Art, Umfang und Zeitpunkt der Medikation, die ein Verwundeter bis
zum Eintreffen in einer medizinischen Einrichtung bereits erhalten hat. Diese Informationskette
kann auch mit Verfahren der herkömmlichen Telemedizin gekoppelt werden, so dass auf
diesem Wege auch weit entfernte Spezialisten oder Versorgungseinrichtungen z.B. in den
USA direkt erreichbar sind.

142 Wearable Computer und Augmented Reality Anwendungen
2.2.6 Integrierte WC-Systeme
Ein Beispiel eines derartigen Systems ist der Land Warrior der U.S. Army [LW], [TRL01]:
Dabei handelt es sich um eine allwetter- und nachttaugliche integrierte Kampfausrüstung für
Infanteriesoldaten, die aus vier technischen Subsystemen besteht:
• Helmsystem mit Computer und Display zum Anzeigen von digitalen Karten, Bildern der
an der Waffe montierten Wärmekamera und weiteren Informationen
• Befestigungssysstem mit Schutz vor ballistischen Einwirkungen
• Waffensystem einschließlich Wärmebild- und Videokamera, Laser-Entfernungsmesser,
Digitalkompass (koppelbar mit dem GPS)
• Computer- und Funksystem, bestehend aus zwei Funkgeräten, GPS und menugesteuertem
Computerinterface, steuerbar durch ein am Brustgurt befestigtes Zeigegerät
Abb. 4: U.S. Infanterie-Waffensystem Land Warrior [LW]; mittels der am Gewehr befestigten
Sensorik und des am Helm montierten Displays kann der Soldat sogar „um die Ecke“ feuern,
ohne sich selbst wesentlich zu gefährden
Eine neuere Entwicklung stammt von der Firma Xybernaut, USA. Das nur ca. 900 Gramm
schwere System MA4-TC [MA] wird gesteuert von einem 400 MHz-P III-Prozessor mit einem
wechselbaren Speichersystem. Alle kommerziell verfügbaren Standard-Betriebssysteme
sind einsetzbar. Neben einer am Headset mit Bluetooth-Schnittstelle befestigten Farbkamera
und Sprachsteuerung sollen in Kürze auch Spracherkennung und automatische Fremdsprachenübersetzung
als Features hinzukommen. Das System wird zunächst bei der U.S. Navy
und der Nationalgarde bei Wartungsteams für Flugzeuge und Waffensysteme zum Einsatz
kommen im Rahmen einer entsprechenden Machbarkeitsstudie.
Noch einen Schritt weiter gehen die Bestrebungen der Firma Natick Labs [FMW], wo man
versucht, Computer und Elektronik direkt in die Textilien zu integrieren, einschließlich Antennen
und Netzwerkfähigkeiten in Form eines short range-PAN (vgl. Kapitel 1.2). Die PANbasierte
Technologie soll u.a. dazu dienen, chemische Kampfstoffe zu detektieren, den physischen
Status des Soldaten zu überwachen und für eine positive Identifikation zu sorgen, um
Opfer in den eigenen Reihen durch „friendly fire“ zu vermeiden. Inzwischen wurde auch bereits
ein in Textilien integrierbares USB-Kabel entwickelt.
Zusammen mit anderen Firmen ist man nun bestrebt, die Integration von optischen Fasern und
herkömmlichen elektrischen Verbindungen in Textilien zur Serienreife zu bringen. Weitere
Projekte beschäftigen sich u.a. mit der Entwicklung eines drucksensitiven Keyboards mittels
einer soft-switch-Textilfaser.

143 Hermann Kollmar
2.3 Medizin
WC sind im gesamten Spektrum des Gesundheitswesens zum Nutzen sowohl des Patienten als
auch des Arztes einsetzbar. Im Wesentlichen sind dies die Bereiche Prävention, Diagnose und
Behandlung [SJ01] in verschiedenen Situationen, die beispielhaft näher erläutert werden sollen:
2.3.1 Monitoring
Wie im Kapitel 2.2.5 bereits für den militärischen Sektor dargestellt, bietet das Tragen von
Smart Clothing oder anderen intelligenten Accessoires die Möglichkeit des permanenten und
lokal unabhängigen Monitorings von über Sensoren nichtinvasiv erfassbaren wichtigen Gesundheitsparametern,
der Medikation oder auch anderen Dingen wie Art und Ausmaß körperlicher
Belastung eines Athleten: Hier können neben Basisparametern wie Puls, Atmung, Blutdruck
usw. auch spezifische Belastungen an bestimmten Körperstellen wie Knie, Schulter,
Fuß z.B. durch Druck- und Dehnungssensoren ermittelt werden.
Abb. 5: Beispiel eines Sensorsystems zur Erfassung biometrischer Daten [Aff]
Im Rahmen der Prävention kann man z.B. auch vollkommen gesunde, d.h. symptomlose Personen
mit genetischer Prädisposition zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen mittels über einen einfachen
Brustgurt oder über in Textilien integrierte Sensoren abgeleitetes EKG permanent monitoren.
Dieses Vorgehen bietet sich natürlich erst recht bei Personen mit bereits bestehender
Symptomatik oder im Zustand nach schädigenden Ereignissen (z.B. Herzinfarkt) an. Ein
weiteres wichtiges Beispiel ist die häusliche kontinuierliche Überwachung der Atembewegungen
von Säuglingen mit Prädisposition zum „Plötzlichen Kindstod“, SIDS (Sudden Infant
Death Syndrome) genannt. Die Daten können drahtlos an einen bedside-Monitor übertragen
und dort ausgewertet werden. Im Falle eines länger dauernden Atemstillstands gibt das Gerät
dann Alarm.
Ganz neue Möglichkeiten ergeben sich durch WC auch für die häusliche Versorgung von Patienten:
Üblicherweise sieht das Schema ungefähr so aus: Eine medizinische Kraft hat pro
Tag eine bestimmte Anzahl von Personen zu versorgen, die nach Plan jeweils ein- oder mehrfach
besucht und je nach Erfordernissen behandelt oder sonstwie unterstützt werden. Dabei
erfolgt auch die Erhebung medizinischer Daten (Blutdruck. Puls, usw.), die man vorteilhafterweise
auch permanent mittels geeignetem Sensorsystem eines WC ermitteln sowie
loggen und auswerten könnte. Bei Gefahr kann dann der WC die Betreuungsperson, die ir-

144 Wearable Computer und Augmented Reality Anwendungen
gendwo unterwegs ist, über Funk alarmieren und ihr beispielsweise über ein HMD die entsprechenden
Informationen anzeigen, so dass diese sofort reagieren kann.
Natürlich gibt es auch Situationen, wo das Monitoring mittels WC die einzige Möglichkeit
dafür ist, etwa bei Raumflügen.
2.3.2 Rettungswesen
Das vom Universitätsklinikum Regensburg entwickelte WC-System NOAH (Notfall
Organisations- und Arbeitshilfe) [Uch] stellt innovatives Kommunikationskonzept für das
Rettungswesen dar. Wesentliches Ziel war es, die Kommunikationsanbindung des Notarztes
an die Rettungsleitstelle und die Notaufnahmen der Krankenhäuser zu verbessern. Mit NOAH
können für das Einsatzmanagement wichtige Informationen in Sekundenschnelle erfasst und
optimal via digitalem Datenfunksystem weitergegeben werden:
Mittels der am Einsatzort erhobenen Daten kann die Rettungsleitstelle während der Patientenversorgung
einen Zielklinikvorschlag erarbeiten und den Patienten dort voranmelden. Die
aufnehmende Klinik ist so frühzeitig in der Lage, vorbereitende Maßnahmen zur Weiterversorgung
des Notfallpatienten zu treffen. Die Eingabe aller für die Notfalldokumentation (Notarzteinsatzprotokoll)
nötigen Daten erfolgt unkompliziert mittels Stift per Touch-Panel oder
Sprache. Auf diese Weise wird gegenüber herkömmlichen Vorgehensweisen ein sehr wichtiger
Zeit- und Informationsvorsprung erreicht. Außerdem besteht die Möglichkeit, mittels einer
Videokamera auch Bilder vom Einsatzort oder von Patienten und deren Verletzungen sowie
12-Kanal EKG-Sequenzen mitzuschicken.
Das ganze System, das ansonsten noch Zentraleinheit, Batterie, Kartenleser und ein GPS-Modul
umfasst, ist in eine Rettungsdienstjacke integriert. Daneben existiert noch eine Systemversion
in Form eines Kleinstcomputers mit integriertem Funkmodul.
Abb. 6: WC-System NOAH [Uch]; eines seiner Features ist die Zielführung mittels GPS
2.3.3 Implantierbare WC
Ein weiteres enorm wichtiges medizinisches Einsatzgebiet für WC stellt der Diabetes
(Zuckerkrankheit) dar. Die im Verlauf der Erkrankung regelmäßig auftretenden, mitunter
schwerwiegenden Schädigungen an vielen Organen sind allesamt letztlich auf einen nicht
exakt auf den aktuellen Blutglucosegehalt angepassten Insulinspiegel zurück zu führen. Neben
dem persönlichen Leid ist der Kostenaufwand für die Behandlungen enorm. Nun ist es
andererseits nicht praktikabel bzw. zumutbar, dass sich ein insulinpflichtiger Diabetiker sehr
häufig am Tag nach erfolgter Blutzuckerkontrolle die entsprechende exakte Menge Insulin
injiziert. Daher wird bereits seit geraumer Zeit an einer künstlichen Bauchspeicheldrüse gear-

145 Hermann Kollmar
beitet: Ein vollständig unter der Haut liegendes Implantat soll permanent den Blutglucosegehalt
messen, daraus die exakt benötigte Insulinmenge errechnen und diese mittels eines dazu
gehörigen Pumpensystems freisetzen. Das Insulinvorratsbehältnis ist dabei per Injektion von
außen nachfüllbar. Zusätzlich könnten z.B. alle Daten geloggt und vom Arzt zur Therapiekontrolle
drahtlos abgerufen werden. Angesichts von weltweit etwa 500 Millionen Betroffenen
[Ber03] wäre solch ein implantierbarer WC von unschätzbarem Wert.
Auf andere intelligente Implantate, wie z.B. Herzschrittmacher, soll hier nicht weiter eingegangen
werden.
2.4 Logistik
Ein Beispiel für den Einsatz von WC-Systemen in der Logistik ist das Wearable Scan System
WSS [Sym] der Firma Symbol Technologies, USA. Das System wird z.B. in den Bereichen
Lagerverwaltung, Produktion, im Einzelhandel, aber auch in anderen Branchen (beispielsweise
im E-Commerce) eingesetzt.
Das System besteht aus einem Scanner und einem am Unterarm befestigten Computer. Der
Ring-Scanner wird am Zeigefinger getragen. Zum Aktivieren dieses Scanners zeigt man einfach
mit dem Finger auf den maximal 60 cm entferneten Barcode, wobei gleichzeitig der
Daumen gegen einen Auslöser drückt. Der für große Reichweiten vorgesehene Scanner wird
auf dem Handrücken getragen. Mit ihm können Barcodes auf Paletten in einer Entfernung von
bis zu 7,6 m gelesen werden. Der Computer besteht aus Prozessor (16 MHz NEC V25), hintergrundbeleuchtetem
LCD-Display, programmierbare Membrantastatur, Lithiumionenakku
und Funkkommunikationseinheit (max. Übertragungsrate: 11 Mbps) und bietet leistungsstarke
Funktionen zur Informationserfassung, Datenverarbeitung und Datenkommunikation.
Abb. 7: Tragbares Dateneingabegerät WSS mit Handrückenscanner und vergrößert
dargestelltem Ringscanner (Bildmitte) [Sym]
2.5 Architektur
2.5.1 Bauaufnahme
Bei einer Bauaufnahme erfolgt eine strukturierte Erfassung von Bauwerksinformationen z.B.
zwecks einer Bestandsaufnahme durch Generierung eines komplexen digitalen Abbildes (Angabe
von verwendeten Materialien, Konstruktionsmerkmale etc.) sowie die Erfassung weiterer
planungsrelevanter Baubeschreibungen, verbunden mit einer Reduktion der Daten auf das
Wesentliche. Die Erfassung der Geometriedaten erfolgt durch Verfahren aus den Bereichen
Geodäsie, Architektur, Stadt- und Regionalplanung. Die hierzu notwendigen Erfassungsgeräte
werden über den WC gesteuert und das aus den Eingabedaten resultierende Gebäudemodell
kann dann per HMD in den Sichtbereich des Anwenders überlagert werden, der damit z.B. in

146 Wearable Computer und Augmented Reality Anwendungen
der Lage ist, mögliche Fehler durch manuelle Anpassung des digitalen Modells an den
Realbestand sofort zu eliminieren.
Abb. 8: Szenario einer Bauaufnahme [Gre01]: Links die reale Szene, in der Mitte das aus den
erfassten Daten vom Computer generierte Bild (statische Elemente), rechts der Gesamteindruck,
der dem Anwender über ein HMD vermittelt wird
2.5.2 Bauwesen
Weitere Einsatzmöglichkeiten von WC/AR-Systemen gibt es auch bei der Konstruktion und
beim Bau von Gebäuden: Wenn strukturelle Gebäudedaten wie z.B. statische Elemente, Wasserrohre
oder elektrische Leitungen auf einem WC verfügbar sind, kann der Architekt, der
diese Daten über ein HMD eingespiegelt bekommt, sich sozusagen mit Röntgenaugen durch
ein reales Gebäude bewegen. Informationen, die normalerweise nur zweidimensional in Form
von Plänen vorliegen, werden so plastisch und leichter „begreifbar“. Auch für spätere Wartungs-
und Reparatureinsätze ist diese Möglichkeit hilfreich, da so nicht sichtbare oder
abstrakte Strukturen vor Ort angezeigt werden können.
2.5.3 Planung
Bei der Planung von Bauwerken wird AR schon seit einiger Zeit eingesetzt: Beispielsweise
können Bilder oder Videoaufnahmen von realen Szenen (z.B. das Baugrundstück oder der
Rohbau) mir Modelldaten überlagert werden. Damit bietet sich dem Betrachter dann das Bild
des fertigen Bauwerks [KSR01]. Die Portierung dieser AR-Techniken auf WC-Systeme erweitert
auch hier die Möglichkeiten: Z.B. kann der Betrachter jetzt nicht nur sehen, wie sich
ein Bauwerk, das noch gar nicht existiert, in die Umgebung einfügt, sondern er ist jetzt auch
fähig, vor Ort nach Belieben um das virtuelle Gebäude herum oder auch hinein zu gehen.
Ein Beispiel eines hierfür entwickelten Systems ist TINMITH2 von der University of South
Australia [TPG99]: Zunächst wird von dem betreffenden Objekt mittels einer Standard-CAD-
Software ein 3D-Modell erzeugt und in Form eines Sets aus 3D-Linien in der Datenbank des
Systems abgelegt. Die Hardware besteht im Wesentlichen aus Tragegestell, Notebook, Batterie,
Antenne, HMD, Mini-Keyboard sowie einem differenziell arbeitenden GPS-Modul und
einem digitalen Kompass zum Tracken des Standorts und der Kopfposition des Benutzers.
Die Software besteht aus mehreren Modulen, die in eine Client-Server-Struktur eingebunden
sind und über TCP/IP miteinander kommunizieren.

147 Hermann Kollmar
Abb. 9: Links: TINMITH2-System; auf dem Kopf ist der Digitalkompass montiert, der zum
Tracken der Kopfbewegungen dient; am linken Unterarm befindet sich das Mini-Keyboard zur
Eingabe von Daten oder Steuerung des Systems; Rechts: Blick durch das HMD: Die in der Datenbank
gespeicherten Informationen des Objekts werden dem realen Sichtfeld überlagert [Tin]
Die rechte Hälfte der Abb. 9 zeigt einen Blick durch das HMD, wie er sich dem Benutzer offenbart:
Am rechten Rand ist die Überlagerung des realen Gebäudes mit Informationen aus
der Datenbank in Form grüner Linien zu sehen; die ebenfalls grün linierte quaderförmige
Struktur zeigt die Grundform eines geplanten Erweiterungsbaus. Es wäre auch möglich, statt
dieser einfachen Liniendarstellung ein komplett gerendertes 3D-Modell, versehen mit Texturen
für die Oberflächen und Berücksichtigung des Sonnenlichteinfalls bzw. des Schattenwurfs,
einzublenden, was dann auch einen realistischen Aspekt des geplanten Gebäudeteils
vermitteln würde. Sogar Animationen beweglicher Gegenstände wie Türen, Fenster oder Personen
sind denkbar.
Das TINMITH-System [Tin] wird laufend weiterentwickelt: In der aktuellen Version kann der
Benutzer seinem Sichtfeld auch virtuelle Gegenstände wie Bäume, Tische, Laternen hinzufügen,
die er mit einem Datenhandschuh frei platzieren, rotieren oder skalieren kann. Diese
Möglichkeiten machen das System damit auch interessant für Aufgaben im Bereich Gartenarchitektur
und Landschaftsbau. Ein weiteres Feature ist das sog. construction at a distance:
Mit dieser Technik kann der Benutzer einfache geometrische Objekte (z.B. Flächen)
platzieren und aus diesen dann Gebäude oder andere Dinge formen, welche zusätzlich noch
texturiert werden können. Insgesamt lassen sich so auch komplexe Welten erzeugen um
entweder reale Szenarien nach Belieben zu modifizieren oder komplett neu zu erschaffen. Bei
bereits existierenden Gebäuden können nach Erfassung ihrer geometrischen Eigenschaften
verschiedene Modifikationen vor Ort ausprobiert und „direkt“ im Kontext des realen Umfelds
beobachtet werden.
2.5.4 Rekonstruktion
Zur Rekonstruktion historischer Gebäude oder Landschaften lassen sich WC/AR-Systeme
ebenfalls nutzen: Das Projekt GEIST [Gei] beispielsweise hat u.a. zum Ziel, Ruinen historischer
Gebäude sowie die 50000 Quadratmeter große terrassenartige Gartenanlage „Hortus
Palatinus“ am Heidelberger Schloss mit ihren geometrisch angelegten Beeten und Hecken
sowie geheimnisvollen Grotten, die auch als „achtes Weltwunder“ bezeichnet, jedoch nie
vollendet wurde und heute nur noch rudimentär vorhanden ist, digital wieder auferstehen zu
lassen. Hierzu wurden die historischen Orginalpläne des Architekten sowie weitere Quellen
wie Stiche und Gemälde mit den aktuellen Geländedaten des heutigen Schlossgartens abgeglichen
und daraus ein 3D-Modell konstruiert. Das mobile AR-System soll dann eine visuelle

148 Wearable Computer und Augmented Reality Anwendungen
Überlagerung von Informationen und graphischen Rekonstruktionen zerstörter Bauwerke über
die noch existierenden Bauwerke mittels eines HMD liefern. Hierbei werden besondere Anforderungen
an das Tracking gestellt: Damit das System die Position und die Blickrichtung
des Benutzers kennt, um gezielt Informationen in die natürliche Umgebung einzublenden,
könnte auch hier zur Ermittlung der Position des Benutzers differentielles GPS, für die Blickrichtungsbestimmung
Orientierungssensoren benutzt werden. Allerdings ist zum einen die
Genauigkeit gängiger GPS-Systeme hier grundsätzlich zu gering, zum anderen werden im
urbanen Umfeld GPS-Signale durch eng stehende Gebäude behindert und verfälscht. Daher
kommen hier zusätzliche Verfahren zur Anwendung, nämlich ein gyroskopbasiertes Tracking
sowie ein videobasierter Ansatz: Letzteres bringt das Videobild mit digitalen dreidimensionalen
Referenzmodellen in Übereinstimmung. Im durch eine kleine Kamera aufgenommenen
Videostrom erkannte Features werden im 3D-Modell identifiziert und dienen zur Ermittlung
der Position und Blickrichtung des Benutzers.
Abb. 10: Links sind im Hintergrund die Mauerreste, wie sie sich heute darstellen, zu sehen; die
Galerie im Vordergrund ist virtuell hinzugefügt; Rechts ist die sog. Scheffelterrasse abgebildet;
das sog. Lusthaus am linken Ende ist nie gebaut worden, es existiert nur als digitale Rekonstruktion
aus alten Quellen [EML]
Geplant ist, das vorgestellte Projekt in erster Linie im Edutainment-Sektor einzusetzen: Auf
unterhaltsame Weise soll Schülern oder auch Touristen das geschichtliche Umfeld des
Dreißigjährigen Krieges vermittelt werden. Neben den bereits vorgestellten Features können
computeranimierte Darstellungen menschlicher Charaktere in Geschichten vor realen Kulissen
agieren, wobei der Anwender interaktiv in das Handlungsgeschehen eingreifen kann.
Hierzu ist neben der 3D-Objektdatenbank noch zusätzlich eine Wissensdatenbank vorhanden,
die entsprechende Informationen liefert. Ein Prototyp des Projekts soll bis zum Jahr 2004 fertig
entwickelt sein.
2.6 Unterhaltung
Inzwischen sind einige Computerspiele am Markt, welche AR-Technologie nutzen. Eines der
ersten war ARQuake [Mat02], [ARQ], welches auf dem bekannten Computer-Actiongame
Quake basiert. In dem Spiel geht es darum, Monster zu bekämpfen, Gegenstände einzusammeln
und bestimmte Aufgaben zu erledigen. Hierzu bewegt sich der Spieler in einer virtuellen
Umgebung, die auf dem Computerbildschirm dargestellt wird. Die Steuerung bzw. Navigation
in der virtuellen Welt erfolgt über Maus bzw. Tastatur.
Das Spiel wurde nun so modifiziert, dass der Spieler sich jetzt in einer realen Umgebung bewegen
und dort gegen die virtuellen Monster kämpfen kann. Diese werden über ein HMD in
das reale Bild des Spielers eingeblendet, der als technische Ausrüstung neben dem HMD u.a.
einen mobilen Rechner sowie eine Kombination aus GPS, digitalem Kompass und Neigungsmesser
zwecks genauer Ermittlung seines Standorts und seiner Kopfpositionierung am
Körper trägt.

149 Hermann Kollmar
Abb. 11: Vorder- und Rückansicht des WC-Systems für ARQuake (University of South
Australia) [ARQ]
Damit sich der Spieler frei bewegen kann, muss zunächst ein Plan mit den sich auf dem Areal
befindlichen Gebäuden erstellt und in den mobilen Rechner eingegeben werden. Monster, die
sich aus der Sicht des Spielers hinter Gebäudeteilen befinden, sind für diesen dann nicht
sichtbar.
Abb. 12: Virtuelles Monster, mittels HMD in das reale Blickfeld des Spielers eingefügt [ARQ]
Als Waffe dient ein umgebautes Spielzeuggewehr aus Plastik, welches zur Simulation des
Rückstoßes beim Abfeuern der Waffe oder bei einem Treffer des Spielers durch ein feindliches
Monster haptisches Feedback liefert. Dies wird durch eine eingebaute Magnetspule erreicht,
die in den geschilderten Situationen dann ein größeres Gewicht anzieht.
3 Ausblick
Es ist zu erwarten, dass WC-Anwendungen in immer mehr Bereiche unseres Lebens eindringen
werden. Dies ist nicht nur auf die Weiterentwicklung von Technologien wie die der AR
oder Netzwerke betreffend zurückzuführen, sondern auch auf die teilweise dramatischen
Fortschritte in der Mikroelektronik und der Mikrosystem- sowie Nanotechnologie. Die dadurch
erzielten Reduktionen bei den Herstellungskosten und den räumlichen Dimensionen
technischer Intelligenz sowie die Erschließung ganz neuer Möglichkeiten (z.B. integrierte
Schaltkreise auf flexiblen Kunststoffträgern) ermöglichen in zunehmendem Maße auch die
Fertigung von Smart Devices aller Art (z.B. in Form von Schmuck), die dem Benutzer gegenüber
ihr HiTec-Innenleben ganz oder teilweise verbergen, typischerweise miteinander ver-

150 Wearable Computer und Augmented Reality Anwendungen
netzt sind und ihre Umgebung mittels entsprechender Sensorik ständig überwachen. Künftige
WC-Systeme werden auch zunehmend in die Kleidung integriert. Als ständig verfügbarer Begleiter
sollen sie dem Verbraucher mehr Komfort bieten und die verschiedensten Dienstleistungen
anbieten wie Kommunikation, Terminplanung oder Navigation. Bei den Smart
Clothes ist die Kleidung Medium, Träger und Schnittstelle zugleich für die unterschiedlichsten
Systemanwendungen. Smart Textiles hingegen sind hochentwickelte Gewebe, bei
denen die technische Intelligenz bereits in die Faser integriert ist.
Alle diese Faktoren führen nicht nur auf den Weg zum Ubiquitous Computing, also der überall
verfügbaren Rechnerleistung, sondern auch zu veränderten Arbeitsabläufen im täglichen
Leben und anderen Kommunikationsformen beim Umgang mit Computern im weitesten
Sinne.
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152 Wearable Computer und Augmented Reality Anwendungen
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http://www.wearlab.de/DOCS/studie/all.phpelch=131&mask=5

Design-Aspekte von Wearable Computern
Olaf Geschonke
og@octopus.baltic.de
Abstract: In diesem Dokument wird auf die soziale Akzeptanz und auf das ergonomische
Design von Wearable Computern eingegangen. Ferner werden mögliche Realisierungen
von wichtigen Komponenten besprochen.
1 Begriffsbestimmung
Ein Wearable Computer ist ein persönlicher Assistent der den Benutzer bei seiner jeweiligen
Tätigkeit unterstützt, immer und überall aktiv, und in allen Situationen benutzbar ist.
Er wird ständig am Körper getragen bzw. ist direkt in die Kleidung integriert.
Laut dem FAQ des MIT soll ein „wearable computer“ die folgenden 5 Eigenschaften besitzen
[1]:
• portable while operational
Der Wearable ist in jeder Lage einsetzbar, insbesondere auch dann, wenn sich der
Anwender in Bewegung befindet
• hands-free use
Die Bedienung sollte möglichst freihändig erfolgen, damit der Anwender in seiner eigentlichen
Tätigkeit nicht behindert wird.
• Sensors
Der Wearable sollte über Sensoren verfügen um seine Umwelt wahrnehmen und sich
kontextsensitiv verhalten zu können.
• attention-getting
Ein Wearable ist in der Lage die Aufmerksamkeit seines Benutzers auf sich zu lenken,
selbst wenn er gerade nicht aktiv genutzt wird.
• allways on
Der Wearable ist ständig in Betrieb und aktiv.
Anders als herkömmliche Computer besitzt ein Wearable ein „gewisses Verständnis“ für
seine Umgebung und „weiß“ was der Benutzer gerade tut. Befindet sich der Benutzer z.B. in
einer Besprechung, so wird er nicht mit Nachrichten über eingegangene E-Mails gestört.
Der Rechner kann Sinneswahrnehmung des Benutzers erweitern oder verstärken.
Von „erweiterter Realität“ (Augmented Reality) spricht man, wenn das Gesichtsfeld des Nutzers
um computergenerierte Objekte erweitert wird.

154 Design-Aspekte von Wearable Computern
Ein Beispiel für eine solche Überlagerung des realen Bildes mit computergenerierten Objekten
wird in Abbildung 1 gezeigt. Hier wird der Blick durch ein Head-up-Display auf eine
Baustelle dargestellt, die mit Daten aus dem Bauplan überlagert wird.
Abbildung 1: Überlagerung des realen Bildes mit computergenerierten Objekten [B1][B2][B3]
Das folgende Beispiel (Abbildung 2) zeigt, wie der Benutzer einen Riss im Mauerwerk zunächst
vergrößert darstellen lässt, und ihn anschließend vermisst.
Abbildung 2: Vergrößerung von Ausschnitten des realen Bildes [B4][B5][B6]
Für Wearables lassen sich vielfältige Anwendungen finden:
Eine wäre z.B. in der Vermessung und Planung zu sehen. Ein mit Entfernungssensoren und
Kamera ausgestatteter Wearable kann diese Aufgabe wesendlich vereinfachen (wie durch das
obige Beispiel schon angedeutet wurde).
Zur Wartung und Reparatur von komplexen Maschinen ist ein Zugriff auf die Dokumentation
unerlässlich. Hier kann ein Wearable die notwendigen Informationen direkt in das Sichtfeld
des Technikers einblenden und geeignete Reparaturmaßnahmen vorschlagen. Falls nötig
könnte ein Experte via Videokonferenz hinzugezogen werden, dem dann übertragen werden
kann, was der Techniker vor Ort sieht und misst.
Es wäre auch denkbar Wearables bei Rettungsdiensten einzusetzen, die die aktuelle Position
innerhalb des Gebäudes anzeigen, die körperliche Verfassung des Feuerwehrmanns, sowie
den Sauerstoffvorrat überwachen und bei Gefahr warnen.
Als abschließendes Beispiel ließe sich ein Wearable auch „zivil“, als persönlicher Assistent
und Kommunikationsmittel, nutzen.

155 Olaf Geschonke
2 Akzeptanz von Wearable Computern
Für die sozialen Wechselwirkungen zwischen Personen ist der gegenseitige Eindruck von
entscheidender Bedeutung. Technische Ausrüstung, die in Gegenwart Anderer benutzt wird,
hat dabei oft einen negativen Einfluss auf die Wahrnehmung der Person. [2] [3]
Dabei übertragen die Menschen oft den Einfluss, den sie vom Einsatz der Technik auf ihr
Sozialleben erwarten, auf den Nutzer der jeweiligen Technik. [3]
Der Umgang von Menschen untereinander beruht auf Konventionen, deren Bruch gesellschaftlich
sanktioniert wird. Ein solcher Bruch kann in einem „extremen Outfit“ bestehen
(z.B. Head-up-Display, Datenhandschuh und Kabel), oder darin scheinbar Selbstgespräche zu
führen (bei nicht sichtbarer Technik).
Mit dem e-SUIT [4] wurde auf Basis eines herkömmlichen PDAs ein Wearable mit dem Ziel
geschaffen, die sozialen Interaktionen des Benutzers möglichst wenig zu stören. Der PDA
wird unsichtbar unter dem Anzug getragen und kommuniziert dabei über im Anzug befindliche
LEDs, kapazitive Schalter und einem Vibrations-Motor mit dem Benutzer.
Dabei ist wichtig, dass der Benutzer, durch die Beschäftigung mit dem Gerät, den sozialen
Kontakt nicht abbrechen muss.
Die negativen sozialen Auswirkungen neuer Geräte können vermieden (bzw. vermindert)
werden, wenn sie in vertrauter Form erscheinen. [3]
Für die jeweiligen Benutzer ist es zunächst wichtig, dass das Gerät bequem und einfach zu
benutzen ist und ihm einen tatsächlichen Nutzeffekt bringt. Dabei soll es die Bewegungsfreiheit
nicht behindern, leicht, flexibel und robust sein und eine ausreichend lange Laufzeit besitzen.
Ist der Wearable in die Kleidung integriert, so muss eine einfache Reinigung möglich
sein.
Da Wearables den ganzen Tag über getragen werden kann es Befürchtungen hinsichtlich gesundheitlicher
Beeinträchtigung oder Überwachung geben, die abgebaut werden müssen.
Das Bedürfnis nach Individualität kann auch dazu führen, dass der Benutzer seinen Wearable
offen zeigen will, denn neuartige Technik hat Statuscharakter. Andere Individuen werden
wiederum soziale Nachteile befürchten und dies daher vermeiden wollen.
Das Design des Wearables muss dabei immer zum persönlichen Stil des Benutzers passen. [2]
Bevor Menschen Computer als tägliche Kleidung akzeptieren, müssen diese ihr störendes
Äußeres verlieren und sich auch anfühlen und tragen lassen wie normale Kleidung. Durch
Fortschritte in der Mikroelektronik ist dies möglich geworden. Kleidung, die in der Lage ist
Informationen zu verarbeiten, zu speichern, zu empfangen und zu senden, wird als „computational
clothing“ oder „smart clothing“ bezeichnet. Diese Fähigkeiten erlauben der Kleidung
als „standalone“ Computer zu arbeiten, auf Sensoren zu reagieren und sich mit Netzwerken zu
verbinden. Durch das Einbetten von Computern in die Kleidung haben die Menschen ständig
Zugang zu Ressourcen, ohne die Unbequemlichkeit verschiedene Geräte mit sich herum tragen
zu müssen. Computerisierte Kleidung wird die volle Funktionalität eines Computersystems
haben und dabei „fast unauflöslich“ mit ihrem Träger verbunden sein. Dies unterscheidet
sie von anderen „wearablen“ Geräten, wie z.B. Uhren, Radios, usw. Der Computer der
Kleidung ist dabei ständig einsatzbereit und muss er nicht eingeschaltet, oder geöffnet werden
wie gewöhnliche Handheld-Geräte, PDAs und Laptops. [5]

156 Design-Aspekte von Wearable Computern
3 Integration
Um digitale Technik in Kleidung zu integrieren gibt es mehrere Möglichkeiten. Kabel können
direkt bei der Herstellung von Polymer-Fasern im Gewebe untergebracht werden. Leitende
Schichten können im mehreren Layern angeordnet und mit Schaltkreisen verbunden werden.
Beispielsweise lässt sich eine einfache Matrix-Tastatur auf Textilbasis aus zwei Layern mit
leitendem Material und einer Nylon-Lage als Isolator aufbauen. Durch Löcher in der Nylon-
Lage kann durch Druck eine Verbindung zwischen Leitern hergestellt und das Signal durch
einen Controler ausgewertet werden.[6]
Einige Komponeten der Wearables sind allerdings nicht einfach aus Gewebe herstellbar, wie
zum Beispiel die Teile der Energieversorgung. Für eine köpergerechte Unterbringung müssen
solche festen Teile hinsichtlich Form und Platzierung einigen Anforderungen genügen.
Um die Bewegungsfreiheit nicht zu beeinträchtigen, müssen zunächst Bereiche auf dem
menschlichen Körper gefunden werden, die einer geringe Bewegung bzw. Dehnung ausgesetzt
sind. Diese Bereiche müssen eine hinreichend große Oberfläche besitzen und sollen ungefähr
die gleiche Größe bei allen Erwachsenden aufweisen.[5]
Abbildung 3: mögliche Bereiche für die Unterbringung von wearablen Objekten [5]
Die Teile sollen einen komfortabeln und stabilen Sitz haben. Dazu ist es notwendig ihre Form
dem menschlichen Körper anzugleichen.[5]
Abbildung 4: Formgebung von wearablen Objekten - (a) konkave Form auf der Körperseite -
(b) Konvexe Form der Oberfläche - (c) verjüngung der Form - (d) fertige Form mit
abgerundeten Ecken [5]
Flexible Bereiche zwischen Körper und den festen Teilen des Wearables tragen den verschiedenen
Körperformen der Benutzer (abhängig von Muskel und Fettaufbau) Rechnung.

157 Olaf Geschonke
Der menschliche Körper kann seine Form durch Bewegung stark verändern. Bewegungsfreiheit
lässt sich durch aussparten der aktiveren Bereiche um die Gelenke, oder durch schaffen
von Freiräume, in denen sich der Körper bewegen kann, erreichen. Der Rumpf ist z.B. ein
guter Platz für einen Wearable. Dabei müssen die Arme aber volle Bewegungsfreiheit haben,
um an den Seiten und vor dem Rumpf zu schwingen. Zusätzlich muss der Rumpf in der Lage
sein, Drehungen und Biegungen auszuführen.[5]
Das Gewicht des Wearables soll die Balance und Bewegungsfreiheit des Körpers nicht behindern.
Der Körper speichert sein zusätzliches Gewicht, in Bauch, Taille und Hüftgegend. Der
Hauptteil der Last sollte hier, nahe am Schwerpunkt untergebracht werden.
Das Gewicht der Ausrüstung kann sich im Druck auf die Haut niederschlagen. Dabei gelten
weniger als 60g/m 2 komfortabel, 60-100g/m 2 sind unkomfortabel und über 100g/m 2 werden
nicht toleriert. [5]
4 Energieversorgung
Wegen der geforderten ständigen Verfügbarkeit, stellt die Batterielaufzeit ein großes Problem
dar. Energieverschwendung wird hier mit einer hohen „Zuladung“ bestraft, denn es müssen
entsprechend mehr (relativ schwere) Akkus mitgeschleppt werden. Lithiumionen-Akkus haben
eine Energiedichte von 155 Wh/kg und (teure) Lithium-Polymer-Akkus kommen auf 170
Wh/kg. Ein Vielfaches an Energieausbeute wird zukünftig von Brennstoffzellen erwartet, die
allerdings einen geringeren Wirkungsgrad besitzen und den größten Teil ihrer Energie als
Wärmeenergie abgeben [7].
Eine zentralisierte Energieversorgung aller Komponenten ist aus verschiedenen Gründen
ideal: Der Ladezustand der Komponenten kann bei einer zentralen Energieversorgung leichter
überwacht werden. Weiterhin gibt es einige Ansätze zur Verlängerung der Laufzeit durch
“mobile“ Energiegewinnung z.B. Solarzellen, Körperabwärme, oder Bewegungsenergie des
Menschen. Piezoelektrische Elemente in Schuhsolen sollen z.B. ca. 5 W (abhängig von Gewicht
und Schrittgeschwindigkeit) erzeugen können[8] (siehe Bild 5 ).
Abbildung 5: piezoelektrische Stromerzeugung im Schuh [B7]
Neben der Aufladbarkeit bietet eine zentrale Energieversorgung noch den Vorteil eines möglichen
Energiemanagements. Nicht benötigte Komponenten können völlig abgeschaltet werden.

158 Design-Aspekte von Wearable Computern
Diese Eigenschaften setzten natürlich eine Verbindung der Komponenten über Kabel voraus.
Über Funk vernetzte Komponenten müssen zwingend über eigene Energiequellen verfügen
und können naheliegenderweise auch nicht ganz abgeschaltet werden.
Weitere Vorteile der Verbindung von Komponenten mit Kabeln gegenüber der Funkvernetzung
bestehen z.B. in der i.A. höheren Bandbreite der Kabel und in der Abhörsicherheit der
Verbindung. Der Vorteil einer Funkvernetzung liegt wiederum in einer höheren Bequemlichkeit
im Umgang mit „extern“ untergebrachten Komponeten, wie z.B. einer Datenbrille. Diese
müsste dann nicht mehr mit einem Kabel „befestigt“ werden.
Hinsichtlich der angestrebten langen Laufzeit ist es entscheidend, dass die eingesetzten Komponenten
eine geringe Leistungsaufnahme besitzen und keiner aktiven Kühlung bedürfen. Als
besonders energiesparende CPU gilt z.B. der Crusoe Prozessor von Transmeta. Das aktuelle
Spitzenmodell „TM5800“ kommt mit durchschnittlich 1 – 2W Leistung aus und kann seine
Taktrate zwischen 667MHz und 1GHz anpassen [9].
Speicherkarten sind aufgrund ihres geringen Energiebedarfs und weil sie über keinerlei beweglichen
Teile verfügen, gut für mobile Computer geeignet. Verfügbar sind z.Z. Karten bis
zu 1 GByte.
Der Energiebedarf ist aber nicht das alleinig bestimmende Kriterium für die Komponentenauswahl.
Bestimmend sind letztendlich die für den Einsatzzweck erforderliche Ausstattung,
sowie Kostenargumente. Daher werden auch z.B. in derzeit erhältlichen Wearables häufig
Festplatten eingesetzt (ViA II PC [10], Xybernaut Mobile Assistant (MA) V [11]).
5 Ausgabemöglichkeiten
Head-up-Displays (HUDs) bzw. Head-Mounted-Displays (HMDs) befinden sich ständig im
Gesichtsfeld des Anwenders. Damit sind sie ideal für einen Wearable, denn der Anwender
muss seine Tätigkeit nicht unterbrechen um auf das Display zu blicken. Das störende Aussehen
dieser Displays ist mittlerweile überholt, diese Displays können inzwischen auch in Form
von gewöhnlichen Brillen realisiert werden.
Abbildung 6: Brillen-Displays [B8]

159 Olaf Geschonke
Abbildung 7: Prinzip von halbdurchsichtigen Displays [B9][B10]
Das Display ist dabei seitlich angebracht und das Bild wird über einen halbdurchsichtigen
Spiegel ins Auge gelenkt. Dabei kann auch die Trägheit des Auges ausgenutzt werden, indem
das Bild nur von einer LCD-Zeile oder einem Laser, über einen schnell beweglichen Spiegel
aufgebaut wird. Derartige Displays habe meist eine feste Fokussierung, d.h. das computergenerierte
Bild ist nur bei einer bestimmten Sehweite scharf.
Häufig sind diese Displays nur monokular ausgeführt. Die Fähigkeit der räumlichen Wahrnehmung
wird durch monokulare Displays stark beeinträchtigt (bzw. unmöglich). Gleichzeitig
hat auch der Computer keine Möglichkeit, Dinge in den Raum zu projizieren.
Abbildung 8: Sicht durch monokulares Display [B11]
Displays können auch in tragbarer Form ausgeführt sein. Diese Displays haben den Nachteil,
dass der Benutzer seine jeweilige Tätigkeit unterbrechen muss, um auf das Display zu
blicken. Eine mögliche Bauform ist in Abbildung 7 dargestellt.
Abbildung 9: Handgelenk-Display von Motorola [B12]

160 Design-Aspekte von Wearable Computern
Polymere Displays (pLEDs / OLEDs) sind noch relativ neue Entwicklungen. Sie sind in flexibler
Form herstellbar und könnten direkt in die Kleidung integriert werden. Möglich sind
auch faltbare oder rollbare Formen. Problematisch ist die bisher recht geringe Haltbarkeit
dieser Displays.
Besonders energiesparend und für vorwiegend statische Anzeigen (Texte) geeignet sind das
s.g. „elektronische Papier“ und die „elektronische Tinte“. Beide Konzepte haben gemeinsam,
dass farbige Partikel durch anlegen eines elektr. Feldes ausgerichtet werden und diese Ausrichtung
nach Abschalten des Feldes beibehalten. Bei der „elektronischen Tinte“ schwimmen,
in kleinen, mit farbiger Flüssigkeit gefüllten Kapseln, kleine weiße elektrisch geladene Partikel.
Diese wandern, je nach anliegender Spannung, nach oben und verdrängen dabei die Flüssigkeit,
oder nach unten, wodurch ein Bildpunkt sichtbar wird. Beim „elektronischen Papier“
hingegen werden geladene Kugeln ausgerichtet, die auf einer Seite schwarz und auf der Anderen
weiß sind. Je nach Ausrichtung des Feldes erscheint der Bildpunkt schwarz oder weiß.
Auch derartige Displays könnten in die Kleidung integriert werden (wenn das Problem der
Haltbarkeit gelöst ist).
6 Eingabemöglichkeiten
Für Wearables gibt es verschiedene Eingabemöglichkeiten. Dazu gehören Spracherkennung,
Augenverfolgung, Gestenerkennung und die Eingabe mit Hilfe von Tasten.
Die Steuerung mittels Spracherkennung funktioniert nur bei einem kleinen Wortschatz hinreichend
zuverlässig. Je weiter die Worte phonetisch auseinander liegen (d.h. je unähnlicher sie
klingen) desto besser sind sie unterscheidbar. Die Wahrscheinlichkeit phonetisch ähnlicher
Worte nimmt mit der Größe des Wortschatzes zu. In wechselnden Umgebungen, insbesondere
wenn (laute) Umweltgeräusche hinzukommen, ist die Spracherkennung nicht immer gewährleistet.
Eine weitere Steuerungsmöglichkeit besteht darin, die Blickrichtung des Benutzers auszuwerten.
Dazu kann eine Kamera das Bild des Auges aufnehmen und an den Rechner übertragen.
Die Blickrichtung ist durch Analyse dieses Bildes auf (bestenfalls) ein Grad genau bestimmbar
[12]. Diese Information kann zur Selektion von Objekten und zur Menu-Auswahl
genutzt werden. Die Bestätigung der Auswahl kann (falls nötig) durch „längeres“ Hinsehen
(ca. 1 Sekunde) erfolgen, oder durch Tastendruck. Die Zeit zur Selektion liegt typischerweise
im 100ms Bereich. Aufgrund der Ungenauigkeit müssen die Selektionsboxen hinreichend
entfernt voneinander liegen.
Auch eine Steuerung durch Erkennung von Gesten ist möglich. Dazu können zwei verschiedene
Verfahren eingesetzt werden: optische Erkennung und physische Erkennung.
Mit Hilfe einer Kamera, die im Gesichtsfeld des Benutzers angebracht ist, können Gesten der
Hand durch Bilderkennung ausgewertet werden. Dabei kann die Kamera so angeordnet werden,
wie der Bildgenerator bei den oben beschriebenen Brillendisplays. Der Nachteil der optischen
Erkennung besteht darin, dass eine relativ hohe Rechenleistung zur Bildauswertung,
sowie entsprechende Lichtverhältnisse erforderlich sind.
Bei der physischen Erkennung wird die jeweilige Stellung der Hand durch spezielle Hardware
(Datenhandschuh) festgestellt. Mit Hilfe von Optischen Leitern, die auf dem Handrücken und

161 Olaf Geschonke
den Fingern angebracht sind, lässt sich der Krümmungsgrad der Finger bestimmen. Je nach
Krümmung der Finger lässt die Glasfaser unterschiedlich viel Licht durch. Auf dem gleichen
Prinzip basiert auch die elektrische Version, bei der spezielle Metallbänder benutzt werden,
die je nach Krümmung ihren Widerstand verändern. Dieses Verfahren gilt aber als genauer als
die Verwendung Optischer Leiter. Das Problem dieser beiden Verfahren besteht darin, dass
sich nur eine Gesamtkrümmung messen lässt, die dann erst auf die einzelnen Fingergelenke
umgerechnet werden muss. Genauer ist hierbei die Verwendung eines Exoskelettes, welches
am Handschuh angebracht ist und jedes Fingergelenk und seine Krümmung einzeln erfasst.
[13]
Abbildung 11: Prinzip Datenhandschuh [B13]
Eine weitere Eingabemöglichkeit ist die Steuerung mit s.g. Einhandkeyboards, die am Unterarm
befestigt werden, oder mit anderen einhändig bedienbaren Steuergeräten.
Abbildung 12: Eingabegeräte [B14][B15]
Wie schon angesprochen ist es auch möglich sensitive Elemente (Tasten) direkt in die Kleidung
zu integrieren [6]. Häufig möchte man die Anzahl der notwendigen Tasten reduzieren,
was zur Entwicklung der s.g. Chord-Tastaturen geführt hat. Bei diesen wird nur ein Minimum
von Tasten benötigt, die aber gleichzeitig, in zu erlernenden Mustern, betätigt werden.

162 Design-Aspekte von Wearable Computern
Hier ein Beispiel für die Zeicheneingabe mit nur 5 Tasten:
Abbildung 13: Zeicheneingabe mit Chord-Tastatur [B16]
Keine der vorgestellten Eingabemöglichkeiten ist zur Eingabe von längeren Texten geeignet.
7 User-interface
Wearables werden häufig für den Zugriff auf Informationen genutzt während eine andere Tätigkeit
ausgeführt wird. Der Wearable soll dabei eine nahtlose Integration von Informationsverarbeitungstools
in die Arbeitsumgebung ermöglichen. Um dies zu erreichen muss das
System seine Funktionalität in einer natürlichen und unkomplizierten Weise zur Verfügung
stellen, um dem Benutzer zu ermöglichen, all seine Konzentration auf seine Tätigkeit zu
richten, ohne Ablenkung durch das System selbst. Viele Konventionen herkömmlicher Interfaces
müssen hinsichtlich ihrer Effektivität überdacht werden, und das Interface den Aufgaben
angepasst werden.[14]
Bei HUDs ist zu beachten, dass die Sicht des Nutzers nicht blockiert wird, wenn er sich in
Bewegung befindet. Die Informationen sollten immer so angeordnet sein, dass die Sicht auf
die Umwelt sichergestellt ist. Die gewöhnlichen GUI-Komponenten (Menues, Scrollbars,
Buttons) sind meist zu klein um während der Bewegung getroffen werden zu können. Generell
sollte es vermieden werden mit dem Cursor auf Objekte zeigen zu müssen. Die Komplexität
des Interfaces sollte möglichst einfach gehalten sein, weil die Aufmerksamkeit des Anwenders
auf seiner eigentlichen Aufgabe liegt und nicht bei der Bedienung des Computers.
Daher sollte die Anzahl der wählbaren Items auf ca. 7 reduziert werden. Eine rotierende Auswahl
erleichtert die Bedienung, dazu muss das Zeigegerät nur zwei Richtungen unterstützen.
[15]
Um den Anwender zu entlasten, soll sich ein Wearable kontextsensitiv verhalten und aus „eigenen
Antrieb“ tätig werden können. Hier sind Fragen der K.I. betroffen. Ein „Agent“ der
tatsächlich ein „Verständnis“ für die Tätigkeit seines Anwenders aufbringt, ist z.Z. technisch
nicht realisierbar. Möglich ist hingegen die Realisierung von Teilaspekten, zum Beispiel
„Orts-Sensivität “ mit Hilfe eines GPS-Empfängers. Wenn beispielsweise der Anwender die
Kaufhalle betritt könnte ihm eine Einkaufsliste angezeigt werden.

163 Olaf Geschonke
8 Design-Beispiel
Bei der Wartung von Fahrzeugen weist die Umgebung extreme Bedingungen bzgl. Schmutz,
Licht und Temperatur auf. Daher muss ein Wearable für Wartungszwecke sehr robust gebaut
sein. Der Techniker muss die Bewegungsfreiheit besitzen um unter, am und im Fahrzeug arbeiten
zu können. Dabei muss er die Hände die meiste Zeit über frei haben.[14]
Der VuMan3[16][17][14] wurde speziell zur Inspektion und Wartung von Fahrzeugen entwickelt.
Die Anforderungen bezgl. Mobilität und Freihändigkeit führten zu einem Design, dass
die Eingabe von Texten nicht gut unterstützt. Das Gerät wird zum Abarbeiten von Umfangreichen
Checklisten eingesetzt. Wie schon erwähnt muss das Interface des Gerätes einfach
gehalten, und speziell auf den Anwendungsfall zugeschnitten sein, um die Aufmerksamkeit
des Technikers nicht von seiner eigentlichen Aufgabe abzulenken. Über ein HUD-Display
kann der Techniker den einzelnen Punkten der Liste einen Status zuweisen, den er aus einer
Liste auswählt. Die Auswahl erfolgt über eine große Drehwählscheibe und 3 große Tasten,
die auch mit Arbeitshandschuhen gut zu bedienen ist. Das Gerät ist kompakt gebaut
(12,7x15,9x5,1cm / 794g) und wird am Gürtel getragen. Das HMD wird über Kabel angeschlossen.
Abbildung 14: VuMan 3 [B17]

164 Design-Aspekte von Wearable Computern
Quellen
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Stand April 2003
[2] Karvonen, Parkkinen: A Short Note on the Social Consequences of Wearables,
Online: http://www.cs.hut.fi/~karvonen/scii2001_karvonen_parkkinen.pdf, Stand Juni
2003
[3] Dyer, Eisbach, Ark: At what cost pervasive, IBM Systems Journal, Vol 38 No4,
Online: http://www.research.ibm.com/journal/sj/384/dryer.html, Stand Juni 2003
[4] Toney, Mulley, Thomas, Wayne: Minimal Social Weight User Interactions for
Wearable Computers in Business Suits,
Online: www.tinmith.net/papers/toney-iswc-2002.pdf, Stand Juni 2003
[5] Barfield, Mann, Baird, Gemperle, Kasabach, Stivoric, Bauer, Martin, Cho:
Computational Clothing and Accessories
[6] Post,Orth,Russo,Gershenfeld: Design and fabrication of textile based computing, IBM
SYSTEMS JOURNAL, Vol 39,
Online: www.research.ibm.com/journal/sj/393/part3/post.pdf, Stand April 2003
[7] Jürgen Rink, Volltanken bitte – Brennstoffzellen für Notebooks, Handys und PDAs,
c’t Ausgabe 10/03 , Seiten 94-101
[8] Thad Starner:Human Powerd Wearable Computing, Online: http://wwwwhite.media.mit.edu/vismod/publications/techdir/TR-328.ps.Z,
Stand April 2003
[9] Webseite Transmeta, online:
http://www.transmeta.com/technology/specifications/index.html, Stand April 2003
[10] Webseite Via-PC, http://www.via-pc.com/product/VIAIIPC.HTM, Stand April 2003
[11] Webseite Xybernaut, http://www.xybernaut.de/produkte/ger/d_ixma5.html, Stand
April 2003
[12] Robert Jacob: Eye Tracking in Advanced Interface Design,
Online: http://www.cs.tufts.edu/~jacob/papers/barfield.html, Stand April 2003
[13] entnommen Holger Börschinger: Virtuelle Kommunikation,
Online: http://www2.inf.fh-rhein-sieg.de/mi/lv/vr/ws98/stud/virtkomm/vr.htm, Stand
April 2003
[14] Bass, Siewiorek, Bauer, Casciola, Kasabach, Martin, Siegel, Smailagic, Stivoric:
Constructing Wearable Computer for Maintenance Applications
[15] Schmidt, Gellersen, Beigl, Thate: Developing User Interfaces for Wearable Computers
– Don´t Stop to Point and Click
[16] Bass, Kasabach, Martin, Siewiorek, Smailagic, Stivoric: The Design of a Wearable
Computer,
Online: http://www.acm.org/sigchi/chi97/proceedings/paper/ljb1.htm, Stand April
2003
[17] Smailagic, Siewiorek, Martin, Stivoric: Very Rapid Prototyping of Wearable
Computers: A Case Study of VuMan 3 Custom versus Off-the-Shelf Design
Methodologies, Online: www.cs.cmu.edu/afs/cs.cmu.edu/project/
vuman/www/publications/veryrapid.pdf, Stand April 2003

165 Olaf Geschonke
Bildnachweis
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[B3]
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[B5]
[B6]
[B7]
[B8]
[B9]
[B10]
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entnommen Diplomarbeit Klaus Grether, Online: http://www.uniweimar.de/~grether/diplom/vortrag/html/vor_053.htm,
Stand April 2003
entnommen Diplomarbeit Klaus Grether, Online: http://www.uniweimar.de/~grether/diplom/vortrag/html/vor_054.htm,
Stand April 2003
entnommen Diplomarbeit Klaus Grether, Online: http://www.uniweimar.de/~grether/diplom/vortrag/html/vor_055.htm,
Stand April 2003
entnommen Diplomarbeit Klaus Grether, Online: http://www.uniweimar.de/~grether/diplom/vortrag/html/vor_058.htm,
Stand April 2003
entnommen Diplomarbeit Klaus Grether, Online: http://www.uniweimar.de/~grether/diplom/vortrag/html/vor_060.htm,
Stand April 2003
entnommen Diplomarbeit Klaus Grether, Online: http://www.uniweimar.de/~grether/diplom/vortrag/html/vor_062.htm,
Stand April 2003
entnommen Alexander Gnodtke: Stromversorgung ubiquitärer Systeme, online:
http://snake.cs.tu-berlin.de:8081/~tom/ubiq-2002/documents/Gnodtke-praes.pdf, (z.Z.
nicht verfügbar)
entnommen Vortrag Krömker, Dörner: Virtual Reality und Augmented Reality, Seite
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http://www.agc.fhg.de/uniGoethe/lehre/ss02/unterlagen/vrmr_03_virtual_reality_prinz
ipien.pdf, Stand April 2003
entnommen Vortrag Krömker, Dörner: Virtual Reality und Augmented Reality, Seite
23, Online:
http://www.agc.fhg.de/uniGoethe/lehre/ss02/unterlagen/vrmr_03_virtual_reality_prinz
ipien.pdf, Stand April 2003
entnommen Vortrag Krömker, Dörner: Virtual Reality und Augmented Reality, Seite
24, Online:
http://www.agc.fhg.de/uniGoethe/lehre/ss02/unterlagen/vrmr_03_virtual_reality_prinz
ipien.pdf, Stand April 2003
entnommen Webseite MIT: Building a head mount for the Private Eye, Online:
http://www.media.mit.edu/wearables/lizzy/lizzy/pe.html, Stand April 2003
entnommen Website Phone scoop: Frog Design / Motorola Offspring Wearables
Concept, online: http://www.phonescoop.com/articles/moto_wearables/, Stand April
2003
entnommen Vortrag Krömker, Dörner: Virtual Reality und Augmented Reality, Seite
35, Online:
http://www.agc.fhg.de/uniGoethe/lehre/ss02/unterlagen/vrmr_03_virtual_reality_prinz
ipien.pdf, Stand April 2003
entnommen Webseite S. Lobers: Wearable Computing in der Arbeitswelt
insbesondere im Bauwesen, online: http://www.uniweimar.de/~lobers/Wearable/Wearable_Computing.html,
Stand April 2003
entnommen Webseite Handykey Corporation, online:
http://www.handykey.com/site/twiddler2.html, Stand April 2003

166 Design-Aspekte von Wearable Computern
[B16]
[B17]
entnommen Webseite Keytools, online:
http://www.keytools.com/images/extra/cykey.htm, Stand April 2003
entnommen Webseite, http://www.ices.cmu.edu/design/VuMan.html, Stand April
2003

Richtungs- Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung
Johann Gröbmair
Pitzarweg 22
83624 Otterfing
jonny.groebmair@tiscalinet.de
Zusammenfassung: In Augmented Reality (AR) Systemen werden reale Objekte in
virtuelle Umgebungen eingebettet. Dazu müssen Position, Richtung und oftmals auch
Geschwindigkeit und Beschleunigung der Objekte bekannt sein. Diese Ausarbeitung
befasst sich mit den Methoden zur Messung dieser Grössen. Physikalisch lässt sich das
Problem nach [Rol] in die Bereiche Zeit- Frequenzmessung, räumliche Abtastung,
Massenträgheitsverfahren, mechanische Verbindungen und Feldstärkebestimmung,
einteilen. Auch Ansätze verschiedene Verfahren zu kombinieren finden in dem Abschnitt
Hybrid-Systeme Berücksichtigung. Mithilfe dieser Messverfahren, lassen sich Richtung,
Beschleunigung oder die Geschwindigkeit, meist indirekt bestimmen. Oftmals ist auch
eine teilweise sehr aufwändige Verarbeitung der Messdaten notwendig, die von
leistungsstarken Rechenanlagen bewerkstelligt wird, um die Abtastraten hoch halten zu
können. Neben der Vorstellung der physikalischen Grundlagen, soll exemplarisch an
ausgewählten Beispielen aufgezeigt werden, was davon technisch realisiert ist.
1 Zeit-und Frequenzmessung
1.1 Time-of-Flight Systeme
Will man neben der Position auch die Orientierung messen so benötigt man Systeme mit
sechs Freiheitsgraden (6 DOF). Für die Position sind lediglich drei notwendig, diese
Messungen beziehen sich jedoch nur auf einen ausgezeichneten Punkt des Zielobjektes. Legt
man jedoch auf dem Zielobjekt drei Punkte fest, die natürlich nicht auf einer Geraden liegen
dürfen, so lässt sich durch die Positionsbestimmung dieser definierten Punkte auch die
Orientierung errechnen. Dies ist nichts anderes als eine Kombination von Positionsmessungen
mit anschliessender Auswertung.
Eine erste Möglichkeit die Orientierung von Objekten zu messen, beruht auf der Ermittlung
der Ausbreitungszeit von Ultraschallwellen. Dazu notwendig ist, neben drei Schallemittoren
auf dem zu messenden Objekt, eine Referenzanordnung mit drei Ultraschallempfängern. Die
geometrische Anordnung der Emitter/ Empfänger zueinander muss dabei bekannt sein. Die
Emitter senden nun zu genau festgelegten Zeitpunkten (üblicherweise durch Triggerung)
nacheinander ein Schallsignal, das von den drei Empfängern detektiert wird und so indirekt
durch die Messung der Ausbreitungszeit die Entfernung errechnet werden kann, da die
Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen bekannt ist. So lässt sich über die bekannte
Ortslage der Empfänger auf dem Referenzkörper die genaue Position der Ultrawellensender
auf dem zu bestimmenden Zielobjekt ermitteln. Da nun die goemetrische Anordnung der drei
Sender zueinander ebenfalls bekannt ist, lässt sich daraus die genaue Orientierung dieses
Objektes errechnen. Für die Triggerung existieren zwei Ansätze. Eine Möglichkeit ist das
ganze System zu verkabeln und elektronisch die Sender/Empfänger anzuregen. Will man
ohne Kabel auskommen, so kann man sowohl Referenz als auch Ziel mit Photodioden ausstatten,
die über Leucht- oder auch Laserdioden zum Auslösen der Messung veranlasst
werden.

168 Richtungs- Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung
Bild 1: Geometrische Anordnung von Ultraschall-Sendern, -Empfänger
Bild 1 zeigt diese Anordnung und lässt erkennen dass die Orientierung durch Triangulation
berechnet werden kann. Der Algorithmus ist leicht zu implementieren. Das Verfahren erreicht
eine Genauigkeit von etwa 0,1 Grad. Die Reichweite ist auf ca. 4m begrenzt, zudem muss
sich das Zielobjekt in einem Winkelbereich von etwa 45° in Bezug zur Referenz befinden.
Nachteilig an dem System ist die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von Temperatur,
Luftdruck und –feuchtigkeit. Auch ist die Sample-Rate durch die relativ niedrige Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Schallwellen gering. Zudem müssen Maßnahmen getroffen werden
dass die Messungen nicht durch Umgebungsgeräusche gestört werden. Die Einsatzgebiete
dagegen sind vielfältig. Im Militärbereich werden immense Anstrengungen unternommen um
über die Position des Pilotenhelmes die Bordwaffen von Kampfflugzeugen und –Hubschraubern
in die Ziele zu lenken. Jedoch auch bei der Anwendung von Datenhandschuhen
und –Anzügen wird diese Technologie angewandt. Hierbei ist der Aufwand der Software-
Implementierung jedoch, infolge des Zusammenwirken von vielen Sensoren, erheblich.
Die Firma Logitech bietet, wie in [Log] beschrieben, ein solches Tracking-System zu einem
Preis von 1200 USD an.
Bild 2: Tracking-System von Logitech
Es handelt sich um ein 6 DOF-System, bestimmt also sowohl die Position als auch die Orientierung.
Als Objekt ist der menschliche Kopf gedacht, die Sensoren sind in einem HMD
(Head mounted Display) angebracht. Die Abtastrate ist mit 50 Messungen/s angegeben, der
Messbereich mit 5 Fuss und das System funktioniert in einem Winkelkegel von 100°.
Eine andere Messmethode arbeitet mit der nahezu gleichen Anordnung, misst aber nicht die
Ausbreitungszeit der Wellen, sondern deren Phasenverschiebung. Im Gegensatz zur vorangegangenen
Methode werden hier nicht Einzelimpulse gesendet, sondern jeder Sender strahlt ein
Dauersignal ab, jedoch mit unterschiedlicher Frequenz. Hierbei können natürlich nur Relativbewegungen
detektiert werden, die absolute Position und Orientierung muss vorab bekannt

169 Johann Gröbmair
sein. Das Verfahren ist wesentlich unempfindlicher gegen die Parameter der Luftkonsistenz
und erlaubt höhere Update-Raten. Dadurch erhöht sich die Messgenauigkeit etwa um Faktor
5. Die maximale Bewegung eines jeden Sensors zwischen zwei Messungen darf jedoch die
Wellenlänge der Ultraschallsignale nicht überschreiten, da sonst die Messungen nicht mehr
eindeutig wären. Bei Ultraschall beträgt die Wellenlänge typischerweise etwa 8 mm.
1.2 Optisches Gyroskop
Mit einem optischen Gyroskop lässt sich die Winkelgeschwindigkeit eines Gegenstandes ermitteln.
Zu unterscheiden ist dabei zwischen dem FOG (Fiber Optik Gyroskop) und dem RLG
(Ring Laser Gyroskop). Die Funktionsweise des FOG wird anhand von Bild 3 erläutert.
Bild 3: Fiber Optik Gyroskop
Ein Laserstrahl wird zunächst, wie in [Mey] erläutert, von dem ersten halbdurchlässigen
Spiegel gesplittet. Die beiden aufgeteilten Lichtwellen wandern in entgegengesetzter
Richtung durch die Anordnung, die noch aus drei weiteren, völlig reflektierenden Spiegeln
besteht. Am Ausgang wird die Inteferenz der beiden Lichtwellen betrachtet. Ist das Gyroskop
nicht in Bewegung so beträgt die Phasendifferez der beiden Wellen genau pi, sie löschen sich
also gegenseitig aus. Wird nun das Gyroskop im Uhrzeigersinn gedreht, so legt die Welle
gegen den Uhrzeigersinn einen kürzeren Weg zurück als die andere. Dies kann am Ausgang
durch Inteferenzringe sichtbar gemacht werden. Durch die Anzahl der Ringe lässt sich somit
auf die Winkelgeschwindigkeit und einmal integriert auf die Orientierung schliessen. Werden
nun drei Gyroskope orthogonal angeordnet, so ist die komplette Orientierung eines Objektes
im Raum bestimmbar.
Beim RLG werden die Lichtwellen durch ein stimulierendes Medium geschickt. Beim Drehen
des Gyroskops wird die Frequenz der einen Welle leicht erniedrigt, die der anderen geringfügig
erhöht. Bei der Überlagerung der beiden Laserstrahlen entsteht eine Welle mit der
Differenzfrequenz, die proportional zur Winkelgeschwindigkeit ist.
Gyroskope haben eine hohe Sample-Rate und sind weitgehend unempfindlich bezüglich äusserer
Einflüsse. Auch die Winkelgenauigkeit von 0,1° zeichnet dieses Messverfahren aus.
Gyroskope werden meist zusammen mit anderen Messverfahren angeboten. Ein praktisches
Beispiel folgt mit dem Motion Pack in einem späteren Kapitel (Hybrid-Verfahren).
1.3 Doppler-Verfahren
Ein vor allem in der Radartechnik eingesetztes Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit
von Luftfahrzeugen oder Raketen nutzt den Doppler-Effekt aus. Wird eine Schall- oder
elektromagnetische Welle von einem sich auf die Quelle zu- oder wegbewegenden Ziel reflektiert,
so ist die Frequenz der zurückgeworfenen Welle höher bzw. niedriger. Die Frequenzerhöhung,
-erniedrigung ist direkt proportional zur Geschwingigkeit des erfassten Zielob-

170 Richtungs- Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung
jektes. Unter anderem, wird diese Technik auch bei Geschwindigkeitskontrollen im
Strassenverkehr eingesetzt.
2 Räumliche Abtastung
Die räumliche Abtastung lässt sich grundsätzlich in die beiden Bereiche Outside-In und
Inside-Out unterscheiden. Der wesentliche Unterschied dieser beiden Prinzipien ist die Lokalisation
der Sensoren. Bei ersterem befinden sie sich auf der Referenz, bei letzterem auf dem
zu messenden Objekt.
2.1 Outside-In
Die Outside-In Methode benutzt in der Regel eine oder auch mehrere CCD Video-Kameras.
Mithilfe dieser wird die Umgebung auf 2D Bilder abgebildet und anschließend mittels
spezieller Algorithmen ausgewertet. Beim Multiskop-Verfahren muss die Lage der Kameras
zueinander bekannt sein um mittels Triangulation die Lage und Orientierung des zu
bestimmenden Objekts errechnen zu können. Um sowohl die Position als auch die Ausrichtung
des Objektes zu bestimmen werden mindestens drei Kameras benötigt. Zu vergleichen
ist diese Methode mit dem menschlichem Sehsystem, bei dem zwei Augen für eine räumliche
Wahrnehmung sorgen. Ein praktisches Beispiel für dieses Verfahren ist der OPTOTRAK
3020 von der Firma Northern Digital.
Bild 4: OPTOTRAK 3020
Ein anderes Verfahren wird als pattern recognition nach [Gen] bezeichnet. Hier wird mit nur
einer Kamera gearbeitet, jedoch muss die geometrische Struktur des Messobjekts bekannt
sein. Folgende Abbildung soll das Prinzip illustrieren.
Bild 5: Pattern recognition
Als Beispielobjekt soll ein Würfel mit bekannter Seitenlänge dienen. Betrachtet man die
sicht-baren Flächen und berücksichtigt die Größenverhältnisse zueinander, so lässt sich die
Orien-tierung der geometrischen Figur errechnen. Berücksichtigt man darüber hinaus noch

171 Johann Gröbmair
die abso-lute Größe der Kameraaufnahme, kann die Entfernung und zusammen mit der
Position auf der 2D-Aufnahme, die genaue Position im Raum bestimmt werden. Dieses
Beispiel zeigt den wohl einfachsten aller Fälle. Tatsächlich existieren Algorithmen, die mit
diesem Prinzip die Ausrichtung eines menschlichen Körpern mit all seinen Gliedmassen in
akzeptabler Weise zu detektieren vermögen. Die sehr komplizierte dazu notwendige
Algorithmik wird teilweise von speziell dafür entwickelten Hardwarekomponenten
unterstützt, um die Berechnungszeiten deutlich reduzieren zu können. Auch mit neuronalen
Netzen wird an diesen sehr aufwändigen Applikationen entwickelt.
Eine interessante Variation dieses Verfahrens bedient sich eines nützlichen Hilfsmittels. Dazu
wird ein optisches Gitter auf das zu bestimmende Objekt projiziert. Diese Projektion kann auf
zwei verschiedene Arten erfolgen. Eine erste Möglichkeit ist die Erzeugung eines optischen
Gitters durch Interferenz von mindestens zwei Laserstrahlen. Das hierdurch erzeugte Gitter ist
sehr regelmässig und die Auflösung kann bis zur halben Wellenlänge des Laserlichtes
reichen. Nachteilig wirkt sich jedoch der kleine Scan-Bereich dieser Methode aus. Der
Abtastbereich lässt sich, allerdings durch Verschlechterung der Auflösung, dadurch
vergrössern, wenn anstatt des Laserlichtes herkömmliches Licht an einem Gitter gebeugt
wird. Die optische Struktur entsteht durch die Inteferenzringe, die natürlich hier auch nicht
mehr die Regelmässigkeit der Lasermethode aufweisen. Beiden Verfahren gemeinsam ist
jedoch, dass durch diese Rasterung die Abtastung durch die Videokameras ganz wesentlich
unterstützt wird, da das Zielobjekt elegant in viele unterscheidbare Teilbereiche eingeteilt
wird.
2.2 Inside-Out
Bei diesem Ansatz befinden sich die Sensoren, wie bereits o.a. auf dem zu messenden Zielobjekt.
Auch dieser Bereich lässt sich grundsätzlich wieder in zwei Teilgebiete unterteilen,
nämlich der videometrische Ansatz und die Methode bei der die Winkel eines sweeping beam
gemessen werden. Ein Vorteil dieser Methoden ist die um ein Vielfaches höhere Genauigkeit,
die durch folgenden Sachverhalt bedingt ist: Eine sich bewegende Kamera verursacht, selbst
bei kleinen Winkelauslenkungen, eine viel grössere Veränderung in den aufgenommenen Bildern
als ein relativ weit entferntes Zielobjekt bei einer Positions-oder Richtungsänderung.
Bei der Videometrik-Methode sind die Sensoren i. d. R. Videokameras, die auf dem Zielobjekt,
z.B. auf dem Helm den eine Person trägt, starr justiert sind. Es existieren jedoch auch
Ansätze, die mit Photodioden und einem raffiniert ausgelegten Linsensystem bestückt sind.
Als Referenz dient die Umgebung, die dem System bekannt sein muss. Idealerweise ist diese
mit einem sich wiederholendem Muster, wie z.B. Fliesen ausgestattet. Die Ausstattung der
Umgebung mit in regelmässigem Muster angebrachten blinkenden LED’s ist auch eine
Möglichkeit, dem System die Postions-und Orientierungsmessung zu ermöglichen, die bei der
Vermessung mittels Photodioden eingesetzt wird. Jede Kamera nimmt nun zu jedem
Zeitpunkt ein Bild auf, das je nach Position und Ausrichtung einen bestimmten Bereich der
Umgebung beinhaltet.

172 Richtungs- Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung
Bild 6: Abtastung anhand eines Musters
Bild 5 veranschaulicht die Wirkungsweise dieser Methodik. Ganz erheblich ist hier wieder
der zu betreibende Aufwand, die aufgenommenen Bilder auszuwerten und daraus die Position
und Orientierung zu gewinnen. Werden anstelle der Kameras Photodioden verwendet, so
müssen in der Umgebung regelmäßig blinkende Leucht- oder Laserdioden angebracht sein.
Mithilfe intelligenter Spiegelanordnungen lassen sich sehr genau auflösende 6D Tracker
realsieren. HiBall von 3rdTech, wie es in [HiB] beschrieben ist, stellt ein Beispiel dafür dar.
Der Sensor ist mit jeweils 6 Photodioden und Linsen ausgestattet. Durch die Vielzahl, der an
der Decke mittels der LED-Leisten angebrachten Leuchtdioden, lässt das System
Messgenauigkeiten bis zu 0,2 mm bzw. 0,01° für die Orientierung zu. Die Abtastrate ist dabei
mit 2000 Hz sehr hoch. Das grosse Problem ist natürlich die aufwendige, und teure
Auskleidung der Umgebung mit den LED-Leisten. Auf der anderen Seite kann der
Messbereich auf bis zu 150 qm ausgedehnt werden.
Bild 7: HiBall von 3rdTech a: Sensor
b: LED-Leisten
Ein anderes Verfahren wird als beam sweeping bezeichnet. Die Referenz ist ein Körper auf
dem Lichtstrahlen (meist Laserlicht) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotiert werden.
Auf dem Zielobjekt befinden sich meist mehrere Empfänger (z.B. Photodioden) um das Licht,
wenn es sich darüberbewegt, zu erfassen. Dabei werden die genauen Zeitpunkte gemessen, an
denen die Lichtstrahlen die Empfänger passieren. Da das Rotationsverhalten des oder auch
der Referenzkörper bekannt ist, lassen sich aus den Zeitpunkten die exakten Winkel ermitteln,
die die Lichtquellen gerade überstreichen. Mit entsprechend komplexen Anordnungen (6 Freiheitsgrade)
lassen sich auch hier Position und Orientierung durch Triangulation mittels der indirekt
gemessenen Winkel bestimmen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, nicht Laserlicht sondern eine Kamera rotieren zu
lassen, und die nacheinander aufgenommenen Bilder auszuwerten. Dadurch entfallen die
Empfänger auf der Referenz. Hier ist natürlich der sehr hohe (Software-) Aufwand zu berücksichtigen,
der mit der Bilderauswertung einhergeht.

173 Johann Gröbmair
3 Massenträgheit
Bei diesen Verfahren wird die Eigenschaft der Masse oder eines Moments sich einer
Bewegung verursachenden Kraft zu widersetzen, ausgenutzt. In diesem Zusammenhang wird
dies auf zwei unterschiedliche Arten praktiziert. Zum einem misst ein mechanisches
Gyroskop die Abweichung der Orientierung. Auf eine andere Art kann direkt eine lineare
Beschleunigung gemessen werden.
3.1 Mechanisches Gyroskop
Diese Anordnung ist wohl besser unter dem Namen Kreiselkompass bekannt, wie er vor allem
in Schiffen und Flugzeugen Verwendung findet. Der Kern des Gyroskops ist eine sich sehr
schnell (20000 U/min) um eine feste Achse drehende Scheibe, die dadurch ein sehr starkes
Drehmoment erzeugt. Ändert nun das Objekt, auf dem das Gyroskop fest montiert ist, seine
Orientierung aus dieser Achse heraus, so versucht das Drehmoment seine ursprüngliche Lage
wieder herzustellen. Dies äußert sich als eine Kraft, die mittels Encoder gemessen werden
kann. Es sind jedoch mindesten zwei Gyros notwendig (üblicherweise benutzt man drei) um
eine räumliche Orientierung vermessen zu können. Die Bestimmung einer Orientierungänderung
um die Rotationsachse selbst ist ja nicht möglich, da das Drehmoment dadurch nicht
beeinflusst wird. Ein großer Vorteil dieses Prinzips ist, dass es keine äußere Referenz
benötigt. So kann z.B. eine 3D-Maus konstruiert werden, die keine Auflagefläche benötigt.
Die Fa. Gyration stellt in ihrer Gyropoint Produktfamilie derartiges her.
3.2 Beschleunigungsmessung
Die Messung der Beschleunigung mittels des Trägheitsprinzips beruht auf dem 2. Gesetz von
Isaac Newton, F = m * a. Dabei wird die Kraft gemessen, die auf eine bekannte Masse wirkt.
So kann direkt die Beschleunigung errechnet werden. Zur Bestimmung dieses Kraft eignen
sich die beiden in folgender Abbildung dargestellten Methoden.
Kondensatorplatten
Piezokristall
Dielektrikum
Massekörper
Bild 8a: Kapazitätsmessung
8b: mit Piezokristallen
Bei der in Bild 7a gezeigten Abbildung ist an der bekannten Masse ein Dielekrikumstreifen
angefügt. Wird nun der Körper, an dem die Anordnung befestigt ist, beschleunigt so wird die

174 Richtungs- Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung
Masse mit dem Dielektrikum in Richtung der Beschleunigung verschoben. Durch die Federn
an beiden Enden entspricht die Auslenkung exakt der Größe der diese Verschiebung verursachenden
Beschleunigung. Die Lageveränderung des Dielektrikumstreifens zwischen den Kondensatorplatten
verursacht eine Veränderung der Kapazität. Die aktuelle Kapazität des Kondensators
ist demnach ein Maß für die Beschleunigung.
Die zweite Möglichkeit, Beschleunigung zu messen, ist in Bild 7b dargestellt. Zur Messung
der Kraft werden kugelförmige Piezokristalle verwendet. Drückt etwas auf diese Kristalle so
entsteht entsprechend der verformenden Kraft eine elektrische Spannung. Diese steht, bedingt
durch die Massenträgheit, wieder in direkter Proportionalität mit der Beschleunigung.
4 Mechanische Verbindungen
Diese Art der Positions- und Orientierungsbestimmung findet, bedingt durch sein relativ hohes
Gewicht, hauptsächlich im Einsatz von Industrierobotern Verwendung. Ausgehend von
einem Referenzpunkt ist das Zielobjekt (bei Robotern meist ein Werkzeug) durch einen oder
auch mehreren Armen verbunden. Die Verbindungen zwischen den Armen besteht aus Dreh-
Kugel- oder Schubgelenken. Diese sind entsprechend mit Winkel – oder Längensensoren ausgestattet.
Diese Sensoren erlauben, zusammen mit den geometrischen Abmessungen der
Arme, die genaue Errechnung von Position und Orientierung des Zielobjekts. Durch die Multiplikation
von Transformationsmatrizen lässt sich dies mit Computerhilfe relativ leicht implementieren.
Jedoch existieren bereits Entwicklungen, mechanische Systeme als Eingabetools für virtuelle
Objekte zu verwenden. Das Phantom 1,5/6DOF von der Firma Sensable Technologies [Sen]
ist ein Beispiel dafür. Es wird direkt an den PC angeschlossen und kann so Position und
Orientierung direkt übernehmen.
Bild 9: Phantom 1,5/6DOF
Die Auflösung ist mit 0,05 mm/ 0,2° sehr gut, der Preis liegt bei diesem noch nicht lange auf
dem Markt befindlichem Tool bei stolzen 27.500 Euro.
5 Feldmessung
5.1 Elektro-Magnetisches Feld
Die hier beschriebene Methode ist die Messung der magnetischen Feldstärke. Als Feldquelle
dient eine Spule, welche sich an einem bekannten Referenzpunkt befindet. Im Empfänger, der
wieder auf dem zu vermessenden Zielobjekt justiert ist, sind drei Spulen angebracht, jeweils
zueinander orthogonal verdreht. Durch das erregende elektro-magnetische Feld wird in diesen
eine Spannung induziert. Aus dem Verhältnis der induzierten Spannungen der drei

175 Johann Gröbmair
Empfänger-Spulen kann die Orientierung ermittelt werden, da nur die orthogonale
Komponente des Feldes eine Induktionsspannung hervorruft. Die Amplituden sind ein Maß
für die Entfernung des Objektes von der Erregerspule. Zur Feldanregung werden zwei
Ansätze verwendet. Zum einem kann die Spule von einem sinusförmigen Wechselstrom
gespeist werden. Ein Nachteil ist dabei zu bedenken. Durch diese Anregung entstehen auf
einem metallischen Zielobjekt Wirbelströme, die wiederum ein elektro-magnetisches Feld
erzeugen. Eine zweite Möglichkeit besteht darin die Spule mit einem gepulsten Gleichsignal
zu versorgen. Auch hier entstehen durch den Einschaltvorgang Wirbelströme, die jedoch
schnell abklingen. Wird nun die von den Empfängerspulen induzierte Spannung zum
letztmöglichen Zeitpunkt, also unmittelbar vor dem nächsten Gleichstromimpuls gemessen,
so ist diese Störquelle weitgehend eliminiert. Permanente Störquellen wie ferromagnetische
Stoffe oder auch Computer-Monitore sollten sich nicht im Bereich dieser Messungen
befinden, da auch sie Felder erzeugen, die die Messungen verfälschen würden.
Die Reichweite ist bei dieser Technologie auf etwa 5m begrenzt, bezüglich der Winkel gibt es
keine Grenzen. Die Genauigkeit dieser Messverfahren liegt im Zehntel-Millimeter bzw. im
Zehntel-Grad Bereich.
Ein praktisches Beispiel dieses Messverfahrens bietet die Firma Ascension [Asc] mit einem
Produkt an, das den Namen Flock of Bird trägt.
Bild 10: Flock of Birds
Dieser Tracker arbeitet mit der gepulsten DC-Methode und hat eine Reichweite von 1,2 m.
Seine Positions- Winkelgenauigkeit ist mit 1,8mm/ 0,5° angegeben.
5.2 Magnetisches Erdfeld
Eine andere Möglichkeit zur Orientierungsmessung ist die Nutzung des magnetischen Erdfeldes.
Bewegt man eine Spule in diesem Feld (nicht parallel zu den Feldlinien) so ändert sich
durch die magnetischen Flussänderung ihre Induktivität. Um diese, durch das verhältnismäßig
schwache Erdmagnetfeld, kleine Induktionsänderung auch messen zu können, integriert man
die Spule in einem LCR-Schwingkreis. Die durch die Verdrehung resultierende Änderung der
Spuleninduktivität macht sich in einer Verschiebung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises
bemerkbar. Mit drei orthogonal angeordneten Sensoren lässt sich dann die Orientierung
eines Objektes bestimmen. Ein Handicap sind Inhomogenitäten, die im Magnetgürtel der Erde
auftreten, so dass Kompensationsmassnahmen unternommen werden müssen um die mögliche
Genauigkeit von etwa einem Grad zu erreichen. Ein grosser Vorteil ist dass keine Referenz
für die Orientierungsmessung notwendig ist. Als Beispiel kann hier das CXM 539 der Firma
Crossbow angeführt werden. Die erreichbare Messgenauigkeit wird mit < 0,5° angegeben.

176 Richtungs- Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung
Bild 11: Crossbow CXM 539
5.3 Erd-Gravitationsfeld
Die Orientierung kann auch unter Ausnutzung der Erdgravitationsfeldes bestimmt werden,
jedoch nur zwei Freiheitsgrade. Eine Messung der Auslenkung um die senkrechte Achse auf
die Erdoberfläche ist dabei nicht möglich. Grundsätzlich bedient sich dieses Verfahren des
Prinzipes der allseits bekannten Wasserwaage. Es wird die Höhe eines Flüssigkeitspegels bestimmt,
woraus direkt auf die Neigung des Objektes geschlossen wird. Diese Höhe kann nun
auf zweierlei Arten gemessen werden.
Die erste Möglichkeit ist eine dielektrische Flüssigkeit in ein U-förmiges metallisches Rohr
einzubringen. Dieses Rohr stellt einen Kondensator dar, dessen Kapazität abhängig ist vom
Flüssigkeitspegel der Flüssigkeit. So kann durch Ermittlung dieser Kapazität auf den Neigungswinkel
geschlossen werden. Versetzt man zwei derartige Anordnungen um 90°, so kann
die Orientierung bezüglich der Erdachse orthogonalen Ebene bestimmt werden.
Die andere Möglichkeit den Füllpegel einer Flüssigkeit zu messen ist optischer Natur. Hier
befindet sich eine sehr dunkle, undurchsichtige Flüssigkeit in einem durchsichtigen (Glas-)
Rohr. In diesem Rohr ist eine Vielzahl von photoempfindlichen Bauelementen (z.B. Phototransistoren)
eingebracht. Die ganze Anordnung wird nun beleuchtet. Da nur die Transistoren,
die nicht in die dunkle Flüssigkeit eingetaucht sind, erregt werden, lässt sich aufgrund dieser
Anzahl wieder die Füllhöhe ermitteln.
Ein grosser Nachteil ist bei diesen Verfahren die Detektionsgeschwindigkeit, da diese von der
Viskosität der Fluide abhängt und so keine hohen Sample-Raten zulässt. Die Firma
MicroStrain, Inc. bietet ein solches Gerät zum Preis von 425 USD an. Es ist in der Lage
Winkelauslenkungen für zwei Achsen mit einer Auflösung von 0,01° zu vermessen.
Bild 12: Microstrain FAS

177 Johann Gröbmair
6 Hybridformen
Einige der bisher vorgestellten Verfahren beinhalten bestimmte, teilweise schwerwiegende
Einschränkungen. Eine Messung der Phasenlage liefert nur relative Resultate, Messungen des
Gravitations- oder Magnetfeldes keine 3 Freiheitsgrade für die Orientierung. Aus diesem
Grund werden oft mehrere Verfahren kombiniert eingesetzt um die gesamten erwünschten
Angaben zu erhalten. Auch eine Erweiterung von eingeschränkten Messumgebungen lässt
sich mit einer Kombination von zwei, oder auch mehreren Verfahren, bewerkstelligen.
Die Firma Systron-Donner bietet mit dem Motion Pack [Mot] ein Gerät an, das durch
Kombination zweier Messprinzipien in der Lage ist, Position und Ausrichtung zu bestimmen.
Bild 13: Motion Pack
Motion Pack besteht aus drei Beschleunigungsmessern sowie drei Gyroskopen zur
Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit. Über die normierte RS-232 Schnittstelle sind die
Daten sowohl digital als auch analog für jede Achse verfügbar. Daraus kann durch entsprechende
Software die Position und Orientierung laufend errechnet werden. Das Gerät ist klein,
robust und mit 900 Gramm ausgesprochen leicht.
Eine weitere Möglichkeit, Verfahren zu kombinieren, ist eine Erweiterung der eingangs beschriebenen
Time of Flight Methode mittels Ultraschallwellen. Ein Nachteil dieser Methode
ist der kleine Winkelbereich, in dem die Messungen durchgeführt werden können. Stattet man
die Referenz mit einem Quaterniärdiodenarray aus, und lagert sie beweglich, so dass sie sich
mit einem Kugelgelenk drehen kann, so kann dieser Nachteil vermieden werden. Eine
Laserdiode auf dem Zielobjekt wird vom Diodenarray erfasst. Diese erzeugt, abhängig wie
zentral der Laser das Array trifft, eine elektrische Spannung, ist also ein Maß für die ungefähre
Lage des Zieles. Mittels Elektromotoren wird nun die Referenz, mit den Ultraschallemittoren,
in die richtige Lage gedreht. Nun kann über die bereits beschriebene Zeitmessung
der Schallwellen in Kombination mit den Winkelsensoren des Kugelgelenks, die Orientierung
in einem weit grösserem Winkelbereich bestimmt werden.
7 Schlusswort und Ausblick
Die Entwicklung in diesem Bereich ist voll Im Gange. Eine Richtung hat das Ziel die Genauigkeit
weiter zu verbessern. Speziell im Nanobereich, vor allem in der Medizintechnik, hat
man sich zur Aufgabe gemacht die physikalische Beschränkung, die Heisenberg’sche Unschärferalation,
möglichst anzunähern. Ein anderer Entwicklungsschwerpunkt liegt im Echtzeitverhalten.
Damit ist gemeint, die Sampleraten so hoch zu halten, dass das menschliche
Auge zwei aufeinander folgende Bilder nicht als Einzelbilder zu erkennen vermag, also eine
durchgehende Bewegung sieht. Diese Bemühungen haben das Ziel, die Verarbeitungsgeschwindigkeit
zu reduzieren. Diese wird begrenzt durch Wellenausbreitungsgeschwindigkei-

178 Richtungs- Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung
ten, elektronische Verarbeitung aber auch Antwortzeiten von Programmen, die zum einen
durch Implementierungsstrategie, aber auch mit schnellerer Hardware verbessert werden soll.
Um dem menschlichen Betrachter Durchgängigkeit vorzutäuschen werden z.Zt. Kalman-
Filter eingesetzt. Diese erzeugen, nicht durch Messungen ermittelte Zwischenbilder, die über
die Veränderungen der letzten Bewegungen als wahrscheinlich nächstes „vorhergesehen“
werden. Zudem ist die Tatsache, dass die räumlichen Umgebungen, in denen Objekte
bestimmt werden können, oft doch sehr beschränkt sind, Gegenstand weitergehender Untersuchungen.
Wie man sieht ist diese verhältnismäßig junge Technologie in vielerlei Hinsicht
noch nicht weit über die Kinderstube hinaus, jedoch lässt die Zukunft auf interessante und
spannende Ergebnisse hoffen.
Quellen
[Rol]
Jannick P. Rolland; Larry D. Davis; Yohan Baillot;
A Survey of Tracking Technology for Virtual Environments
[Log] Logitech Tracker
www.vrealities.com/logitech.html
[Mey] J. R. Meyer-Arendt; (1995)
Introduction to Classical and Modern Optics
[Gen] D. B. Gennery; (1993)
Visual Tracking of known three diamensional objects
[HiB] Homepage Fa. 3rd Tech (2003)
www.3rdtech.com/HiBall.htm
[Sen]
[Asc]
[Mot]
Sensable Technologies Inc. Product Brochure
www.sensable.com/products/datafiles/Phantom_Ghost
Ascension Technology Corporation, Produktbeschreibung
www.ascension-tech.com/products/flockofbirds.php
Systron-Donner Motion Pack
www.systron.com/prodinfo/MotPk.html
Bildquellen
Bild 1,3,6 : Jannick P. Rolland; Larry D. Davis; Yohan Baillot;
A Survey of Tracking Technology for Virtual Environments
Bild 2 : Logitech Tracker
www.vrealities.com/logitech.html
Bild 4 : Northern Digital OPTOTRAK 3020
www.ndigital.com
Bild 7 : 3rd Tech (2003)
www.3rdtech.com/HiBall.htm

179 Johann Gröbmair
Bild 9 : Sensable Technologies Inc. Product Brochure
www.sensable.com/products/datafiles/Phantom_Ghost
Bild 10 : Ascension Technology Corporation, Produktbeschreibung
www.ascension-tech.com/products/flockofbirds.php
Bild 11 : Crossbow CXM 539
www.xbow.com
Bild 12 : Microstrain FAS
www.microstrain.com/ecb/cat20_1.htm
Bild 13 : Systron-Donner Motion Pack
www.systron.com/prodinfo/MotPk.html

Display Technologien
Verwendung in Augmented-Reality Systemen
Dirk Schröder
Kleiststraße 1
35091 Cölbe
dirk@hallo-schroeder.de
Zusammenfassung: Ein wichtiger Bestandteil eines Augmented-Reality Systems ist das
Display. Neben den Durchsicht- und Video-Durchsicht-Displays existieren noch eine
Reihe von weiteren Ansätzen, die sich teilweise aber noch im experimentellen Stadium
befinden. Entscheidend für die Verwendung solcher Displays in Augmented-Reality
Szenarien ist aber immer die Akzeptanz durch den Anwender.
1 Augmented-Reality Systeme
1.1 Definition von Augmented-Reality System
Ein Augmented-Reality System reichert die reale Welt um zusätzliche virtuelle Objekte an.
Die virtuellen Objekte existieren gleichberechtigt neben den realen Objekten mit dem Ziel,
dass der Unterschied zwischen beiden nicht mehr wahrnehmbar ist Nach Azuma besitzt ein
Augmented-Reality System folgende Eigenschaften [ABB+01]:
• Kombination von realen und virtuellen Objekten
• Interaktion in „real-time“
• reale und virtuelle Objekte beeinflussen sich gegenseitig
Abbildung 27: Visualisierung eines virtuellen Kniegelenks
Damit ist Augmented-Reality nicht nur auf die visuelle Wahrnehmung beschränkt, sondern ist
auf alle menschlichen Sinne, einschließlich Hören, Tasten, Riechen ausgedehnt. Nach
Milgram existiert zwischen den Extremen der gänzlich realen und der komplett virtuellen
Welt ein Kontinuum, der gemischten Realität [MK94]. Augmented-Reality ist hier die erste
Stufe in Richtung virtueller Realität.

182 Display Technologien
Mixed Reality
reale
Welt
Augmented
Reality
Augmented
Virtuality
virtuelle
Welt
Abbildung 28: Mixed Reality Kontinuum
Es ist anzumerken, dass an Augmented-Reality Systeme höhere Anforderungen gestellt werden,
als an Virtual-Reality Systeme [MP01], da der Anwender bei Virtual-Reality Systemen
in eine in sich geschlossene Welt eintaucht, die mit der realen Welt nicht mehr in Wechselwirkung
steht. Bei einem Augmented-Reality Systeme sollen aber die Objekte aus der realen
Welt im Idealfall so mit den virtuellen kombiniert, dass der Anwender selbst bei Bewegung
keinen Unterschied mehr zwischen künstlichen und realen Objekten wahrnimmt. Das erordert
eine exakte Bestimmung der Position und Ausrichtung der realen Objekte, da sich auch
kleinste Differenzen sofort störend bemerkbar machen [Ja01].
1.2 Genereller Aufbau von Augmented-Reality System
Augmented-Reality System setzen sich im Wesentlichen aus den folgenden Komponenten
zusammen:
• Tracker
• Bildgenerator
• Erfassung
• Darstellung
Für die korrekte Überlagerung der realen und virtuellen Objekte ist eine genaue Positionsbestimmung
eine entscheidende Voraussetzung. Neben der Position muss aber auch die Blickrichtung
genau bestimmt werden. Hierzu werden Tracker-Systeme eingesetzt. Bei den
Tracker-Systemen existiert eine Vielfalt verschiedener Systeme: Elektromagnetik, Optik,
Wegaufnehmer, Sonar, Beschleunigungs- und Gyrosensoren [Pa02]. Es gibt auch Ansätze, die
mehrer Systeme kombinieren. So wird beim Hybrid Tracking optische Mustererkennung mit
Magnetischem Tracking kombiniert [SHC+96].
Der Bildgenerator berechnet aus den Positionsdaten die darzustellenden virtuellen Objekte
und kombiniert sie geeignet mit den realen Objekten. Falls es sich um ein geschlossenes
System ohne Blick auf die reale Welt handelt, werden die erfassten realen Objekte ebenfalls
in das Bild integriert.
Die Darstellung visualisiert die von Bildgenerator erzeugten optischen Informationen. Dabei
kommen neben LCD- und TFT-Monitoren auch noch Röhrenmonitore zum Einsatz. Ein
geeignetes optisches System bildet die erzeugten Bilder auf das menschliche Auge ab.
1.3 Displays in Augmented-Reality Systemen
In Augmented-Reality Systemen werden bevorzugt Durchsicht- und Video-Durchsicht-Displays
zur Darstellung verwendet. Beide Systeme werden im englischen Sprachraum unter
dem Begriff Head-Mounted Display (kurz HMD) subsumiert.
2 Durchsicht-Display
Die Entwicklung der ersten Durchsicht-Displays (englisch optical see-trough Head-mounted
Display kurz OST-HMD) begann in den 60er Jahren. Ivan Sutherland stellte 1965 die ersten
funktionstüchtigen Durchsicht-Displays vor [RF01]. Die meisten in Augmented-Reality
Systemen eingesetzten Displays sind Durchsicht-Displays.

183 Dirk Schröder
Die Komponenten des Durchsicht-Displays sind bis auf den Bildgenerator am Kopf des
Anwenders befestigt (Bild aus [Ku02]). Der Anwender schaut durch einen halbtransparenten
Spiegel, der nur wenige Zentimeter vor dem Auge sitzt, weitestgehend ungestört auf die reale
Welt. Aus den Positionsdaten werden die zusätzlichen virtuellen Objekte berechnet, die dann
im halbtransparenten Spiegel mit dem Bild der realen Welt überlagert werden.
Abbildung 29: Durchsicht-Display [Az97]
Durch den halbtransparenten Spiegel wird allerdings, wie bei einer Sonnenbrille, die Intensität
des einfallenden Lichtes geschwächt. Dieses Problem kann man durch Einsatz von
monochromen Displays und einer dielektrischen Beschichtung des Spiegels, die nur die
Wellenlänge des Displays reflektiert, lösen.
Zurzeit erhältliche Durchsicht-Displays haben folgend Schwächen: geringe Helligkeit, kleines
Sichtfeld, geringer Kontrastbereich um reale Objekte komplett auszublenden, relativ schwer,
zu groß und noch sehr teuer [ABB+01]. Ein großer Sicherheitsvorteil der Durchsicht-Displays
im Vergleich zu den Video-Durchsicht-Displays ist jedoch der direkte Blick auf die reale
Welt und die unbeeinträchtigte Auflösung der realen Objekte.
3 Video-Durchsicht-Display
Beim Video-Durchsicht-Display (englisch video see-trough Head-mounted Display kurz
VST-HDM) hat der Anwender keine Sicht mehr auf die reale Welt. Er ist komplett isoliert.
Stattdessen wird die reale Welt mit zwei Videokameras für jedes Auge einzeln aufgenommen.
Abbildung 30: Video-Durchsicht-Display

184 Display Technologien
Wie beim Durchsicht-Display werden aus den Positionsdaten des Trackers die virtuellen
Objekte berechnet. Anschließend werden die Bildinformationen der virtuellen Objekte mit
den Kameraaufnahmen der realen Welt elektronisch kombiniert. Die so erweiterten Stereobilder
werden von zwei Monitoren erzeugt und mit einem geeigneten optischen System auf
die Netzhaut abgebildet.
Bei der Kombination der realen und virtuellen Bilder wird in der Regel chroma-keying
verwendet. Dazu wird der Hintergrund des virtuellen Bildes in einer Farbe gefärbt, die im
Bild der realen Welt nicht oder nur sehr selten vorkommt. Über diese Farbe wird nun das Bild
der realen Welt gelegt.
Video-Durchsicht-Displays werden vor allem in der Virtual-Reality intensiv genutzt. Aufgrund
der geringen Pixelzahl der heute erhältlichen Miniatur LCD Panels besitzen Video-
Durchsicht-Display eine schlechte Auflösung.
4 Weitere Displaytypen für Augmented-Reality Systeme
4.1 Retina Display
Ein sehr interessantes Display-Prinzip ist das Retina Display (englisch: Virtual Retinal
Display VRD). Das Prinzip des Virtual Retina Displays wurde 1991 von HIT Lab entwickelt
[Hi03]. Kommerzielle verfügbare Displays werden heute von der Firma Microvision Inc.
hergestellt [Micro].
Das Retina-Display zeichnet die Bildinformation direkt auf die Nervenzellen der Netzhaut im
menschlichen Auge. Das Bild wir Zeile für Zeile (ähnlich einer herkömmlichen Bildschirmröhre)
direkt auf die Netzhaut projiziert. Als Lichtquelle kommt eine kompakte und unempfindliche
Laserdiode zum Einsatz, deren Lichtstärke durch den Strom fein und hochfrequent
geregelt werden kann. Für die horizontale und vertikale Ablenkung kommen 1,5 mm
große Mikrospiegel zum Einsatz - das so genannte Mikro-Elektro-Mechanisches System
(MEMS). Eine Optik bildet die Bildinformation schließlich auf die Netzhaut ab.
Abbildung 31: Retina Display
Vorteile dieser Technik sind das geringe Gewicht des Displays, das sehr große Sichtfeld (bis
zu 120°), der sehr hohe Kontrast, helle Darstellung der virtuellen Objekte, gut Auflösung
(800x600 Pixel), geringe Stromaufnahme und die Möglichkeit das Display bei entsprechendem
Design schnell und einfach aus dem Sichtfeld nach oben zu klappen. Zurzeit sind Retina-
Displays nur in monochromer Darstellung zu erhalten (typischerweise in roter Farbe).
Es ergeben sich eine Reihe von interessanten Anwendungen: Unter anderen ist diese Technik
für Helikopterpiloten interessant, für die der Instrumentenflug aufgrund der starken Vibrationen
außerordentlich schwierig ist. Das Retina-Display kann die Flugdaten und für militärische
Zwecke auch den Waffenstatus und die Zieldaten direkt ins Blickfeld projizieren.
Jenseits der Augmented-Reality hat das Retina-Display aber eine weitere große Bedeutung, da

185 Dirk Schröder
sie Menschen, die aufgrund von Erkrankung der Linsen oder Hornhäute erblindet sind aber
noch intakte Sehnerven besitzen, wieder das Sehen ermöglichen könnte.
4.2 Image Overlay Systeme
Ein Image Overlay System entspricht technisch einem Durchsicht-Display. Der Unterschied
liegt allerdings in der Größe und Lage des halbdurchlässigen Spiegels. Bei Image Overlay
Systemen befindet sich der halbdurchlässige Spiegel nicht vor dem Auge sonder nahe am
betrachteten Objekt. Der Spiegel hat eine Ausdehnung von bis zu 100 cm. Diese Anordnung
findet oft Anwendung in der Medizin, da statt der schweren HMD nur noch Shutter-Brillen
für die Stereodarstellung zu tragen sind.
4.3 Head-Up Displays
Eine weitere Variante von Durchsicht-Display sind Head-Up Displays. Hier fungiert die
Windschutzscheibe eines Autos oder Flugzeugs als halbdurchlässiger Spiegel, der die
virtuellen Objekte ins Auge des Anwenders reflektiert.
4.4 Mikroskop
Die grundlegende Technik von Durchsicht-Display kann auch bei Mikroskopsystemen zum
Einsatz kommen. Dazu muss lediglich ein halbdurchlässiger Spiegel an geeigneter Stelle in
den Strahlengang eingebracht werden. Allerdings ist es hier günstiger hoch auflösende monochrome
Displays, als farbige Displays einer mit geringer Auflösung, zur Darstellung der
virtuellen Objekte zu verwenden [RF01].
4.5 Monitor-Systeme
Bei monitorbasierten Augmented-Reality System handelt es sich um eine Variante des Video-
Durchsicht-Displays. Eine Videokamera nimmt die Bilder der realen Welt auf, die dann mit
den virtuellen Objekten angereichert werden. Die kombinierte Bildinformation wird dann auf
einem Monitor dargestellt.
Abbildung 32: Monitor-System
Um mit einem Monitor-System dreidimensionale Bilder darstellen zu können, werden neben
zwei Kameras auch 3D-Brillen benötigt [No02]. 3D-Brillen trennen die Bildinformation für
das rechte und das linke Auge auf. Dabei kommen folgende Variationen zum Einsatz:

186 Display Technologien
• Anaglyphenbrille: Die Trennung erfolgt mittels verschiedener Farbfilter
• Polarisationsbrille: Die Trennung erfolgt durch Polarisationsfilter. Diese Technologie
kann nur mit Projektoren verwendet werden.
• Shutter-Brille: Hier erfolgt die Trennung aktiv. Das Display zeigt die Bilder für das rechte
und linke Auge abwechselnd an. Die Shutter-Brille ist mit dem Display synchronisiert und
verdeckt jeweils das andere Auge [Ru99].
Augmented-Reality System, die Handhelds, Palmtops oder Tablett PC zur Anzeige verwenden,
gehören zur Gruppe der Monitor-Systeme. Anwendungsgebiete für diese speziellen
Displaytypen werden im Abschnitt 6.11 erläutert.
4.6 Projektion
Bei der Projektion kann die reale Welt als Bildschirm verwendet. Hierbei gibt es aber eine
Reihe von Problemen:
• Für die Ausleuchtung der Schattenbereiche sind mehrer Projektoren notwendig
• Überdeckung realer Objekte durch virtuelle ist nur schwer zu erreichen
• Bei der Projektion muss der Oberflächenverlauf der realen Objekte berücksichtigt werden.
Dazu muss das System entsprechend kalibriert werden (z.B. an einen Patientenphantom)
Projektionen mit mehr als nur einem Anwender erfordern für jeden Anwender separate
Projektoren. Bei der Projektion kann auch von Kopf des Beobachters ein Stereo-Bildpaar auf
die realen Objekte projiziert. Die Objekte sind mit Mikroretroreflektoren beschichtet, die die
Projektionsstrahlen wieder direkt auf den Anwender zurück reflektieren. Solange die verschiedenen
Beobachter sich nicht in derselben Sichtgeraden auf das reale Objekt befinden,
stören sich auf diese Weise ihre Projektion gegenseitig nicht [ABB+01].
Projektionen werden in der Virtual Reality sehr häufig eingesetzt (z.B. ImmersaDesk, Cave).
5 Probleme bei Durchsicht- und Video-Durchsicht Displays
Die heute angebotenen Systeme sind noch nicht perfekt. Einige befinden sich sogar noch im
Entwicklungsstadium. Die Benutzbarkeit heutiger Systeme hängt von technologischen
Problemen und von menschlichen Faktoren einschließlich der optischen Wahrnehmung ab,
die im Folgenden erläutert werden.
5.1 Technologische Probleme
Die Verschmelzung der Bildinformationen der realen Welt mit den künstlich erzeugten
Objekten ist eine besondere Herausforderung, da das menschliche Auge bereits kleinste
Ungenauigkeiten in der Position der zusätzlichen virtuellen Objekte vor dem realen Hintergrund
störend bemerkt.
5.1.1 Systemträgheit
Eines der Hauptprobleme bei Augmented-Reality Systemen ist die Trägheit des Systems.
Diese Trägheit äußert sich in der verzögerten Darstellung der zusätzlichen Bildinformation.
Die Trägheit entsteht durch die Informationsverarbeitung bei Bildaufnahme, Positionsbestimmung,
Bildberechnung und der Ausgabe des Bildes auf dem Display.
Bereits eine Verzögerung von nur 60 bis 180 ms, wie sie für kommerzielle Systeme üblich ist,
führt bei schnellen Bewegungen des Anwenders bereits zu eine „schwimmen“ der künstlichen
Objekte vor dem realen Hintergrund.
Dieser Nachteil ist für Video-Durchsicht-Displays nur bedingt gültig, da das Bild der realen
Welt mit derselben Verzögerung dargestellt werden kann, wie die berechneten Objekte. Somit

187 Dirk Schröder
ist zumindest die optische Information stimmig, obwohl es aufgrund der Verzögerung bei der
Interaktion mit Realwelt-Objekten immer noch zu Störungen kommen kann.
Für die Verarbeitung der Bildinformation braucht der Mensch ungefähr 100 ms. Um eine
„flüssige“ Darstellung der künstlichen zu ermöglich sind als Bildwiederholungsraten von
größer oder gleich 10 erzeugten Szenen pro Sekunde notwendig.
Damit der Unterschied zwischen virtuellen und realen Objekten weitestgehend unbemerkt
bleibt, ist auf eine photorealistische Darstellung der virtuellen Objekte zu achten. Diese
Anforderung führt bei ausgedehnten Objekten aber zu einer Erhöhung der Rechenzeit für die
Darstellung der virtuellen Objekte.
5.1.2 Sichtfeld
Unter dem Begriff Sichtfeld versteht man einen horizontalen und vertikalen Winkelbereich
der optisch erfasst werden kann. Man unterscheidet zwischen einem zentralen Sichtfeld und
einem peripheren Sichtfeld. Im zentralen Sichtfeld kann das Display virtuelle Objekte der
realen Welt überlagern. Im peripheren Sichtfeld ist nur die reale Welt sichtbar. Bei Video-
Durchsicht-Displays stimmen das zentrale und das periphere Sichtfeld überein. Bei
Durchsicht-Displays ist das periphere Sichtfeld in der Regel deutlich größer als das Sichtfeld
von Video-Durchsicht-Displays.
Die Größe des zentralen Sichtfelds sollte der Aufgabe angepasst sein. Das heißt z.B. bei
bewegten Objekten ist ein großes Sichtfeld unabdingbar. Dahingegen reicht bei kleinen
nahezu unbewegten virtuellen Objekten ein kleines zentrales Sichtfeld aus.
Techniken um große Sichtfelder zu erreichen sind das Kacheln und die Projektion. Beim
Kacheln wird das Display wie ein Insektenauge aus vielen einzelnen Displays aufgebaut.
Problematisch sind aber die Überlagerungsbereiche der einzelnen Displays.
5.1.3 Auflösung und Abbildungsfehler
Hinsichtlich Auflösung und Abbildungsfehler sind Durchsicht-Displays am günstigsten. In
den Strahlengang ragt lediglich eine plan parallel Platte die als halbdurchlässiger Spiegel
beschichtet ist. Dadurch wird zwar die Intensität des einfallenden Lichtes stark reduziert. Der
zusätzlich erzeugte optische Fehler liegt aber bei unter einem Prozent.
Beim Video-Durchsicht-Display hingegen wird das Bild der Real-Welt zuerst von einer
Video-Kamera aufgenommen und dann auf einem Display dargestellt. Die typische
Auflösung der verwendeten Miniaturbausteine beträgt zurzeit 640 x 480 Pixel. Die dabei
tatsächlich erreichte Auflösung hängt aber stark vom Sichtfeld und von der Vergrößerung des
optischen Gesamtsystems ab. Systeme mit großem Sichtfeld (≥ 50°) haben aufgrund der
bauformbedingten großen optischen Aberration eine schlechte Abbildungsqualität. Hinzu
kommt, dass sich die Displayauflösung bei der hohen Vergrößerung durch deutlich sichtbare
Pixel bemerkbar macht. Aber auch bei kleinen Sichtfeldern (10-20°) ist die Auflösung noch
deutlich schlechter als die des menschlichen Auges ohne Hilfsmittel. Ein Display mit einer
mittleren Auflösung von 512 Pixeln pro Zeile hat z.B. bei einem kleinen Sichtfeld von 25°
eine Auflösung von rund 0,05 °/Pixel oder 2,5 Bogenminuten pro Pixel. Das menschliche
Auge hat aber dagegen ein Auflösungsvermögen von 0,5 Bogenminuten. Jeder einzelne Pixel
wird also noch deutlich vom Anwender bemerkt.
5.1.4 Positionsbestimmung
Jeder Fehler in der Positionsbestimmung des Nutzers in Bezug auf die reale Welt führt zu
Fehlern in der Darstellung. Da das optische System des Menschen sehr sensitiv ist können die
resultierende Fehler in der Darstellung der virtuellen Objekte im Extremfall dazuführen, dass
das System nicht mehr zu benutzen ist. Zu bemerken ist, dass natürlich auch die
Positionsbestimmung durch das Rauschen limitiert ist. Dadurch sind selbst für einen
stillstehenden Anwender die virtuellen Objekte ständig in Bewegung.

188 Display Technologien
5.1.5 Offene Technologische Probleme
Heutige Displays haben trotz des hohen Preises noch viele Nachteile: schlecht Auflösung,
geringes Sichtfeld, schlecht Ergonomie und ein hohes Gewicht. In einigen Bereich wie der
Bilderzeugung hat es schon gewaltige Fortschritte gegeben. So werden inzwischen nicht mehr
wie in der Anfangszeit monochrome Miniaturröhrenmonitore sonder farbige Miniaturflachbildschirme
zur Bilderzeugung eingesetzt.
5.2 Menschliche Faktoren und optische Wahrnehmung
Auch wenn technisch perfekte Displays vorliegen würden, wird die Nutzbarkeit aufgrund von
menschlichen Faktoren eingeschränkt bleiben. Diese Faktoren sind sowohl psychologischer
als auch physiologischer Art und begrenzen die Akzeptanz und die Nutzbarkeit des Systems.
5.2.1 Akzeptanz und Sicherheit
Akzeptanz und Sicherheit sind psychologische menschliche Faktoren, die die Anwendbarkeit
von Augmented-Reality Systemen beschränken. Akzeptanz kann durch psychologische
Hemmschwellen begrenzt werden: So würden zurzeit wohl nur wenige Leute bereit sein, mit
einem Display auf dem Kopf z.B. durch die Stadt zu bummeln zu gehen. Besonders die
geschlossenen Video-Durchsicht-Displays dürften bei „unbehelmten“ Gesprächspartner zu
Irritationen führen.
Der Sicherheitsgedanke ist ebenfalls entscheiden. So gibt der Nutzer eines Video-Durchsicht-
Displays den optischen Kontakt zur Außenwelt komplett auf. Bei sicherheitskritischen Anwendungen
wie z.B. in der Medizin sind daher Durchsicht-Displays vorzuziehen, da hier im
Fehlerfall ohne Verzögerung direkt in der realen Welt lediglich ohne die zusätzlichen
virtuellen Objekte weitergearbeitet werden kann.
5.2.2 Wahrnehmung der Tiefeninformation
Die Wahrnehmung der Tiefeninformation ist ein sehr komplexer Prozess. Die menschliche
Wahrnehmung bedient sich dabei einer Reihe von zusätzlichen Informationen:
• Verdeckung von Objekten
• Helligkeit der einzelnen Objekte
• Abbildungsschärfe eines Objekts
• Größenvergleich zwischen ähnlichen Objekten
• Größenvergleich der Texturen auf den Objekten
• Perspektivische Information durch die beiden Stereobilder
• Verschiebung der Objekte bei Bewegung des Beobachters
Hier beweisen Graphiken des niederländischen Künstlers M.C. Escher (z.B. Konkav und
Konvex oder Wasserfall aus [Es89]) wie leicht sich die Wahrnehmung der Tiefeninformation
durch unstimmige Details täuschen lässt.
Um die virtuellen Objekte in einer bestimmten Tiefe in der realen Welt korrekt erscheinen zu
lassen, benötigt man zu allererst verlässliche Tiefeninformation der realen Objekte. Hierbei
kann es bereits zu ersten Fehlern kommen. Auf dieser Tiefeninformation setzt dann ein
Berechnungsmodell auf, das die virtuellen Stereobildpaare berechnet. Diese werden dann im
Display den Objekten der realen Welt überlagert. Sowohl das Berechnungsmodell als auch
die Überlagerung auf dem Display kann fehlerbehaftet sein und die Tiefenwahrnehmung
beeinträchtigen.
Besonders problematisch ist es, die berechnete Verdeckung von realen und virtuellen
Objekten im Display darzustellen. Hier sind die Video-Durchsicht-Displays im Vorteil da sie
die verdeckten Objekte der realen Welt einfach ausblenden können. Durchsicht-Displays
können die verdeckten realen Objekte in der Regel lediglich durch hohe Leuchtdichten der

189 Dirk Schröder
virtuellen Objekte näherungsweise überlagern. Erste Prototypen können aber durch ein
zusätzliches LCD-Display bestimmte Bildbereiche der realen Welt ausblenden.
Alle virtuellen Objekte werden unabhängig von ihrer räumlichen Tiefe in einer Ebene scharf
abgebildet. Das steht im Widerspruch zu den Seherfahrungen bei realen Objekten, die nur im
Bereich der Tiefenschärfe gleichzeitig scharf abgebildet werden können. Diese Eigenschaft
kann zu Störungen bei der Erfassung der räumlichen Tiefe führen.
5.2.3 Anpassung
Viele Video-Durchsicht-Displays haben einen Parallaxenfehler, das heißt dass die Sichtlinie
der Kamera nicht identisch mit der Sichtlinie des Auges ist. Der Fehler entsteht dadurch, dass
die Kameras in der Regel überhalb der Augen montiert sind. Dieser Unterschied, der sich
gerade bei Kopfbewegungen stark äußerte wird nach kurzer Zeit in vielen Fällen aber nahezu
kompensiert. Die menschliche Wahrnehmung hat sich dem mangelhaften System angepasst.
Interessanter Weise traten aber nach Absetzen des Displays erneut Anpassungsschwierigkeiten
auf. Diese äußerten sich in Schwierigkeiten die räumliche Tiefe korrekt einzuschätzen,
bis hin zu starkem Schwindel. Solche Nachwirkungen sind natürliche für einige Personengruppen
wie z.B. Chirurgen nicht akzeptabel. Die Dauer der Nachwirkung verkleinert sich
mit abnehmendem Abstand zwischen Auge und Kamera.
5.2.4 Tiefenschärfe
Die Tiefenschärfe gibt an in welchem Bereich um den Fokus Objekte noch scharf durch die
Netzhaut wiedergeben werden. Die Tiefenschärfe steigt mit kleiner werdendem Pupillendurchmesser.
Die Tiefenschärfe bei nahen Objekten ist kleiner als für solche die weiter vom
Beobachter entfernt sind.
Bei Video-Durchsicht-Display müssen die Kameras also auf eine mittlere Arbeitsdistanz
eingestellt werden und eine geeignete Tiefenschärfe zu bieten.
Bei der Nutzung eines Durchsicht-Displays ergibt sich dieselbe Tiefenschärfe wie mit dem
Auge ohne Hilfsmittel, nur das eine größere Pupillenöffnung wegen der Lichtabschwächung
durch den halbdurchlässigen Spiegel angenommen werden muss. Somit ergibt sich eine leicht
verminderte Tiefenschärfe, die sich allerdings erst bei der Arbeit an nahen Objekten auswirkt.
Geringe Abweichungen der Tiefenschärfe im Bereich von ±0.25 Dioptrien werden vom
Nutzer unbemerkt korrigiert.
5.2.5 Qualitative Aspekte
Die Überlegungen zur Tiefenschärfe gelten auch für die Projektionsoptik im Display. Die
Abbildungsebene der virtuellen Objekte sollte bei Durchsicht-Displays im Bereich der Tiefenschärfe
um den Fokus der realen Objekte liegen, auf die der Nutzer gerade blickt. Aufgrund
technischer Limitationen kann diese Bedingung aber nicht für alle Arbeitsdistanzen
aufrechterhalten werden, so dass die virtuellen und realen Objekte nicht immer gleichzeitig
scharf gesehen werden können. Die meisten heute angebotenen Displays besitzen noch keine
Autofokusfähigkeit, sondern müssen auf einen bestimmten Arbeitsabstand eingestellt werden.
Bei Video-Durchsicht-Display werden die realen Objekte bedingt durch die Aufnahme mit
der Weitwinkel-Miniaturkamera verändert. Das betrifft den Kontrast, die Farben, die Texturen
und die Detailauflösung. Einige Anwendungen wie z.B. im medizinischen Bereich können
solche Änderung am Erscheinungsbild der realen Objekte nur begrenzt tolerieren.
6 Anwendungen von Displays in Augmented-Reality Systemen
6.1 Militär
Im militärischen Bereich ist der Einsatz von Head-Mounted-Displays sehr verbreitet und
treibt die Entwicklung immer zuverlässiger und hochwertiger Systeme stetig voran. Dort

190 Display Technologien
werden diese Displays von Flugzeug- und Hubschrauberpiloten zum Training, in der
Navigation und im Luftkampf eingesetzt. Aber auch die Bodentruppen setzten zunehmend
Augmented-Reality System ein. Ziel des Einsatzes von Augmented-Reality Systemen im
militärischen Umfeld ist die Minimierung von Kosten und Risiken.
6.2 Medizin
In der Medizin spielt die Bildgebung eine entscheidende Rolle für die effiziente und richtige
Behandlung des Patienten. Seit der Entdeckung der Röntgenstrahlen durch Wilhelm Röntgen
im Jahre 1895, haben sich im medizinischen Bereich vielfältige Bildgebungsverfahren (CT,
MRT, Ultraschall) etabliert. Augmented-Reality Systeme nutzen die Daten dieser Verfahren
und stellen diese als zusätzliche Information zur Verfügung:
• Überlagerung von CT-Bilder mit dem Blick auf den Kopf des Patienten in einem Durchsicht-Display
(University of North Carolina at Chapel Hill). Der entstehende „Röntgenblick“
erlaubt dem Chirurgen die Optimierung des Operationsplans, da das komplexe Verhältnis
zwischen Knochen und Weichteilen deutlich besser beurteilt werden kann [RF01].
Abbildung 33: Brustbiopsie mit Visualisierung eines Tumors
• Bei der ultraschallgestützten Brustbiopsie wird das Ultraschallbild des Brustgewebes mit
dem virtuellen Bild der Biopsienadel überlagert. Ziel ist es den potentiellen Brusttumor
schnell und sicher zu lokalisieren (Abbildung 33).
• Ebenfalls an der University of North Carolina at Chapel Hill wird die Visualisierung der
Bewegung der Knochen im Kniegelenk entwickelt. Dazu wird die Lage des Knies mit
Infrarotkameras und -sensoren gemessen. Mit einem mathematischen Modell des Kniegelenks
wird die Bewegung der Knochen im Kniegelenk berechnet. Die virtuellen
Knochen werden visualisiert und in einem Durchsicht-Display mit dem Blick auf das
Kniegelenk überlagert (Abbildung 27).
• In der United Medical and Dental School of Guy’s and Saint Thomas’s Hospital in
England werden präoperativen MRT- und CT-Bildern mit dem Blick durch ein Stereo-
Operations-Mikroskop überlagert. Ziel des Projekts ist es dem Chirurgen die unterhalb des
Gewebes liegenden Strukturen zu visualisieren.
• Operationsplanung und -durchführung mit dem ARION System in der Leberchirurgie
unter der Verwendung verschiedner Displaytypen [SVH+02].
• University of Blaise Pascal in Clermont Ferrand: Ein Image-Overlay-System wird bei
chirurgischen Scoliosis Eingriffen (Wirbelsäulenverkrümmung) eingesetzt. Einzelnen
Rückenwirbel werden mit einer Genauigkeit von 0,01 mm erfasst.
6.3 Fertigung
Der Einsatz von Augmented-Reality Systemen in der Fertigung zielt dahin das Risiko für die
Arbeiter sowie die Fehlerwahrscheinlichkeit zu verringern. Die hohen Anforderungen an
Präzision und Genauigkeit im Millimeterbereich wie bei der Medizin sind hier nicht zwingend
notwendig. Anwendungsgebiete sind z.B.

191 Dirk Schröder
• Elektrische Verkablung innerhalb von Flugzeugen: Kabelstränge mit vielen einzelnen
Adern können ohne zusätzliche schriftliche Dokumentation verdrahtet werden. Durch
Umstellung der Software sind zudem schnelle Änderungen in der Verkablung möglich.
• Wartungsarbeiten an Laserdruckern (KARMA-Projekt): Während der Wartung werden
die einzelnen Schritte auf dem Display erläutert. Die Position der beweglichen Teile des
Druckers wird mit Ultraschallsensoren überwacht.
6.4 Tourismus
Die vielfältigen Visualisierungsmöglichkeiten
der Augmented-Reality können im
Tourismus ideal genutzt werden. Antike
Bauwerke können so z.B. virtuell im realen
Gelände wieder auferstehen.
6.5 Lehre und Forschung
Die statischen Darstellungen in Lehrbüchern sind für viele dynamische Vorgänge suboptimal.
Als Alternative zu PC gestützten Multimedia Lernprogrammen, bietet sich der EnhancedDesk
an [Ge00]. Hier wird neben dem Lehrbuch eine dynamische Darstellung projiziert. Der Leser
kann mit den eigenen Händen ohne weitere Hilfsmittel intuitiv mit den künstlichen Objekten
interagieren. So können z.B. in einem Physiklehrbuch Pendel zum Schwingen gebracht
werden, um das dynamische Verhalten zu studieren.
6.6 Benutzereingaben
Sind für ein Augmented-Reality System während der Nutzung Eingaben nötig, so bietet es
sich an, die zusätzlichen Möglichkeiten durch virtuelle Objekte zu nutzen. Im Studierstube
Projekt der technischen Wiener Universität wurde demonstriert wie sich eine Benutzerschnittstelle
bestehend aus einem Datenhandschuh und einem berührungsempfindlichen
Display dynamischen den aktuellen Anforderungen anpassen kann [VKL+02].
6.7 Geodatensysteme
Ein Anwendungsgebiet für Augmented-Reality Systeme sind die
Visualisierung von Geoinformationen, die als virtuelle Objekte die
Objekte der realen Welt überlagern. So könne z.B. unterirdische
Versorgungsleitungen, Grundstücksgrenzen oder Mineralienvorkommen
beim Blick auf die reale Welt eingeblendet werden. Diese
Informationen helfen dem Nutzer die vorliegende Situation, besser
einschätzen zu können.
6.8 Automobilsektor
Augmented-Reality ist für den Automobilsektor in vielerlei Hinsicht
interessant. Der Einsatz solcher Techniken beginnt beim Entwurf, setzt
sich beim Fertigungsprozess fort und endet bei Sicherheitstechniken
während der Fahrt. Bei Crashtests im Rahmen des ARVIKA Projekts
können Augmented-Reality die berechnete Verformung der realen
Verformung überlagern, so dass der Entwicklungsingenieur die Differenzen
schnell erkennen kann [ARVIKA03] So können zum Beispiel während der Fahrt bei
Nebel oder in der Nacht zusätzliche Informationen zu Gefahrenquellen auf die Windschutzscheibe
projiziert werden (Head-Up-Display). Auch bei der Wartung von Automobilen
können in Zukunft Augmented-Reality Techniken als Unterstützung genutzt werden [TZ00].

192 Display Technologien
6.9 Architektur
Auch in der Architektur ergeben sich viele Anwendungsmöglichkeiten, so kann das Aussehen
einer neuen Einrichtung oder Änderung an Räumen und Bauwerken ohne Eingriffe an der
realen Welt schnell und kostengünstig bewertet werden.
6.10 Sport
Auch im Fernsehen wird Augmented-Reality in einfacher Form bereits intensiv genutzt. So
werden z.B. bei Fußballübertragungen die Abstände zum Tor oder zur Freistossmauer
zusätzlich eingeblendet. Beim Skispringen wird die kritische Marke rot hervorgehoben. Und
bei Schwimmwettbewerben wird die Position, die die Schwimmerin erreichen muss, um einen
Rekord zu schwimmen dynamisch angezeigt.
6.11 Augmented-Reality mit Handhelds
Handheld Computer können aufgrund ihrer kleinen Bauform vielfältig in Augmented-Reality
Szenarien verwendet werden. Interessante Anwendungen sind ortsbasierte Informationen zu
Kunstgegenständen in einem Museum. Im Krankenhaus ist die Einführung der digitalen
Krankenakte denkbar, die beim Betreten des Raumes gleich die Daten des richtigen Patienten
anzeigt. Auch Navigationsanwendungen, die dem Anwender seine aktuelle Position im
Stadtplan auf dem Display anzeigen, sind heute bereits machbar und werden in Verbreitung
mit der UMTS Technik tägliche Realität werden [SMT02].
Wird der Handheld mit einer Kamera kombiniert, kann man ihn wie ein Fenster oder eine
Vergrößerungsglas benutzen, das die realen Objekte mit den überlagerten virtuellen zeigt.
Abbildung 34: Landeanflug mit Retina-Display
Eine interessante Anwendung im Bereich der privaten Fliegerei ist das Normad Personal
Flight System. Hier wird das Retina-Display der Firma Microvision Inc. mit einem Handheld
vom Typ Compaq iPAQ ® gekoppelt, der unter dem Betriebssystem Windows CE auf der
Plattform Pocket PC 2002 läuft. Die Flugdaten wie z.B. Geschwindigkeit, künstlicher Horizont,
GPS Position und Uhrzeit werden über eine genormte Schnittstelle zwischen Flugzeug
und Handheld ausgetauscht, der diese Daten dann aufbereitet und dem Retina-Display zur
Projektion zur Verfügung stellt (Abbildung 34)
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert von 2001-2004 ein Projekt für
Augmented-Reality mit einem mobilen digitalen Assistenten [ARPDA03]. Ziel des AR-PDA
Projektes ist es die Augmented-Reality Technologie für Endanwender im täglichen Umfeld
zur Verfügung zu stellen. Der Anwender visiert mit der am Handheld befestigten Kamera ein
reales Objekt. Die Bilder werden über Video-Streams via UMTS an einen Server geleitet, der
die Bilder analysiert, um virtuelle Objekte anreichert und zum Handheld zurück sendet
[Fr02] [GKRS03]. Als Anwendungsfelder sind zunächst folgende Szenarien geplant: Haushalt
(z.B. Assistenz bei der Programmierung eines Videorekorders), Einkauf (Visualisierung von
Erklärungen zu Hausgeräten) sowie Reparatur (Hotline Kontakt und Hinweise für den
Kundendienst vor Ort) [FGGK01].

193 Dirk Schröder
7 Produktübersicht
Im Folgenden soll eine grobe Übersicht über die am Markt erhältlichen Augmented-Reality
System gegeben werden. Diese Übersicht erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit,
sondern zeigt für die verschiedenen Systeme einige Beispiele der erhältlichen Produkte.
Weiterführende Produktinformationen finden Sie z.B. in [EST] und [S3D].
7.1 Head-Mounted Displays
n-Vision Datavisor SeeThrough
Durchsicht-Display
640 x 480
78° x 52° Sichtfeld (horizontal x vertikal)
1590 g
7995 € (Preis vor Steuer)
Kaiser Electro Optics Pro View XL50 STm
Durchsicht-Display
1024 x 768 monochrom grün
27° x 48° Sichtfeld
24 % Transmission
794 g
50.000 €
MicroOptical SV-3 Instrument Viewer
Durchsicht-Display (kein 3D)
640 x 480 Farbe
16° x 19° Sichtfeld
35 g
1250 €
8 Stunden maximale Arbeitsdauer
Kaiser Electro Optics Pro View SO35 Monocular
Video-Durchsicht-Display (kein 3D)
800x600 Farbe
32° x 24° Sichtfeld
348 g
Militärische Kampfausrüstung beständig gegen:
Feuchtigkeit, Wasser, Salz und Vibration
10500 €
Kaiser Electro Optics Pro View XL35
Video-Durchsicht-Display
1024x768 Farbe
21° x 28° Sichtfeld
992 g
19500 €

194 Display Technologien
7.2 Retina-Display
Microvision Normad ND 1000
Retina Display (kein 3D)
800 x 600 monochrom rot
32 Graustufen
23° x 17° Sichtfeld
765 g
7495 €
7.3 Monitor-System
Virtual Research Window VR
Monitor System (kein 3D)
1600 x 1200 Farbe
Touchscreen und Montierung zum Tracking
15000 €
7.4 Projektion
Fakespace Systems CAVE
Projektionssystem für VR
1280 x 1024 Farbe
3 m x 3,6 m Projektionsfläche
Shutter-Brillen
1200 kg
> 100.000 €

195 Dirk Schröder
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www.ims.tuwien.ac.at/media/documents/publications/PinchGloveFinal.pdf

Wearcomp, Personal Imaging und Mediated Reality
Grundlagen, Konzepte und Visionen
Klaus Liedel
Am Ölper Berge 4
38114 Braunschweig
klaus_liedel@yahoo.com
Zusammenfassung: Bei WearComp handelt es sich um eine Spezialisierung und
Erweiterung des Begriffes der „ergänzten Wirklichkeit“ (augmented reality). Prof. Dr.
Steve Mann an der Universität in Toronto beschäftigt sich seit etwa 20 Jahren damit die
Realität des Individuums nicht nur mit nützlichen Details zu ergänzen, sondern durch die
Möglichkeiten der modernen Elektronik und Informationsverarbeitung neu zu gestallten,
zu filtern und alleine als Realität darzubieten, zumindest soweit dies möglich ist
(eingeschränkt ist dies etwa im Bereich der Schwerkraft, die nicht herausgefiltert werden
kann, zumindest momentan noch nicht).
1 Einleitung
Steve Mann hatte bereits als Student am MIT (Massachusetts Institute of Technology) damit begonnen
die verschiedenen Möglichkeiten der Informationselektronik und der damit verbundenen
Wissenschaftsbereiche im täglichen Leben auszuloten. So gilt er als Mitbegründer des MIT Wearable
Computing Projects. Prof. Mann beschreibt seine Erfindung WearComp (als Kürzel zur Beschreibung
des Begriffes des „wearable Computers ") als Werkzeug für "vermittelte Wirklichkeit". WearComp
entstand im Kontext der fotographischen Werkzeuge als zutreffende Verlängerungen des Verstandes
und des Körpers und soll nach Steve Mann eine philosophische Grundlage für die Selbstbestimmung
und Erweiterung des Individuums darstellen. Andererseits aber auch zur Konzentration des Einzelnen
auf das als zeitlich und räumlich wesentlich dienen.
Bei den Recherchen z.B. im Internet findet man zwar unter den Begriffen wearable oder tragbare
Computer eine schier endlose Liste von Seiten doch sind diese vor allem damit befasst, dass es sich
um tragbare Rechner jeder Ausführung handelt. Ohne die speziellen Zusatzeigenschaften, die nach den
Definitionen von Prof. Mann einen WearComp ausmachen. Diese werden noch im weiteren
ausgeführt.
Die gängigen Ausprägungen des unter dem Begriff des tragbaren Computers zusammengefassten
gehen von Notebooks über Palmtops bis zu spezielleren Ausprägungen, wie etwa in Kleidungsstücke
integrierte Computer, oder anderen Instrumenten der erweiterten (augmented) und vermittelten
(mediated) Realität.
Ich möchte mich in meinen Ausführungen alleine auf den Bereich der Mediated Reality beschränken
da nach der Durchsicht der Themenbereiche dieser Seminarreihe bereits andere Teilnehmer die
Bereiche der Augmented Reality zusammenfassen werden.
Ein wearable Computer nach der Definition von Prof. Mann ist ein Computer, der den persönlichen
Raum des Benutzers zusammenfasst und dies gesteuert vom Benutzer. Der Computer ist permanent
funktionsfähig und interaktionsbereit. Vornehmlich, ist es ein Werkzeug, das ein ständiger Begleiter
des Benutzers ist, der Benutzer kann ständig Befehle übergeben und diese werden vom System

200 Wearcomp, Personal Imaging und Mediated Reality
abgearbeitet. Der Benutzer ist räumlich nicht fixiert ja die Portabilität des gesamten Systems ist
zwingend erforderlich und einer der auffallendsten Aspekte.
Weiter stellt der WearComp mehr dar als einen transportablen Computer herkömmlicher Art (z. B.
Notebook oder Palmtop). Das Computersystem ist aber auch mehr als nur eine Erweiterung der Geräte
des Alltags wie etwa ein Handy oder Kombinationen in der Funktionalität wie etwa Brillen mit
Hörgerät oder Armbanduhren mit Taschenrechner und Telefon. Der WearComp hat die volle
Funktionalität eines Computersystems, aber zusätzlich ist er auch fest mit dem Träger verbunden (in
den Veröffentlichung zu diesem Thema allerdings nur rein oberflächlich, also ohne Implantationen
von Teilen z.B. unter die Haut).
Als Computer ist der WearComp programmierbar, nach Prof. Mann soll er so wie der eigene
Schreibtisch nach den individuellen Vorzügen veränderbar und modifizierbar sein. Er gleicht
sozusagen einem mitarbeitenden Kleidungsstück bzw. einer Vorinstanz, die die eintreffenden
Informationen nach vorgegebenen Maßstäben filtert und entsprechend auch modifiziert. Und als
lernende Einheit, die somit nach dem Beginn des Tragens durch den jeweiligen Benutzer sich diesem
anpasst und im Anschluss, nicht nur aufgrund der evtl. vorhandenen Unterschiede in der
Physiognomie, auf den einzelnen Träger zugeschnitten ist.
Im einzelnen werden die Eigenschaften des WearComp wie folgt beschrieben [MAN01].
1.1. Konstanz
Der WearComp ist permanent vorhanden, dies ist keine Option sondern die Anwesenheit und der
Betrieb ist ein Fakt, ähnlich evtl. der Armbanduhr oder für einen Teil der Bevölkerung das Handy und
die damit einhergehend existiert eine ständige Erreichbarkeit. Der Computer ist permanent
empfangsbereit und interagiert mit dem Träger von dem er ständig Informationen aufnimmt. Weiter
registriert der Computer aber auch die Außenwelt von der er ebenfalls Informationen aufnimmt, diese
gibt er ggf. modifiziert an den Träger weiter oder speichert sie zur späteren Benutzung zwischen.
(siehe Bild 1.1 im Anhang).
Dies bedeutet dann allerdings auch eine gewisse Gewöhnung des Trägers an den Computer bzw. seine
Möglichkeiten. Es handelt sich also nicht nur um eine zeitliche Option sondern gerade das Wesentlich
an einem WearComp ist die ständige Verfügbarkeit und Anwesenheit, ähnlich eines Kleidungsstückes
oder noch mehr als ein solches, denn diese werden gewechselt, der WearComp, nach dieser
Darstellung nicht oder zumindest müsste dann das Wissen und die Fähigkeiten oder das Erlernt an das
nächste Individuum weitergegeben werden. Über diese Notwendigkeiten wurde allerdings nichts
explizites verlautbart.
Die Konstanz des WearComps bedeutet natürlich auch, dass dieser keine Abstürze oder
Endlosschleifen hat sondern absolut stabil und fehlerfrei läuft.
1.2. Informationsvermittlung
Steve Mann beschreibt als eine der Hauptaufgabe des WearComp nicht das Rechnen im weiteren
Sinne, nach seiner Ansicht ist eine der wesentlichsten Aspekte die Befreiung des Trägers von
Aufgaben, die dieser sonst zu erledigen hätte. Der Computer soll ihm übertragene Aufgaben
weitgehend selbständig erledigen und sich nur falls erforderlich beim Träger melden. Er soll den
Benutzer von Aufgaben befreien und diesem dann andererseits allerdings zur Erledigung der restlichen
Aufgaben noch mit Zusatzinformationen behilflich sein (siehe Bild 1.2 im Anhang).
Dies impliziert dann allerdings die Frage der Konformität der Ausführungen des WearComp mit den
Wünschen des Trägers. Es müsste folglich eine Art des Erlernens des Willens des Trägers erfolgen, da
es sonst ja zu einer Situation wie in kritischeren Science Fiktion Romanen käme, dass die Individuen
durch eine wie auch immer geartete Obrigkeit gesteuert und in ihrer Individualität beschränkt werden.
Ob zum Wohle aller oder weniger sei hier nicht entschieden.
Eine weitere Frage ist die permanente Erneuerung des Wissens der Maschine über den Träger
derselben. Dies einerseits da der Träger seine Entscheidungen und Vorlieben durchaus auch ändern
könnte, andererseits sind so manche Entscheidungen ja z.B. auch von ganz banalen Dingen wie der

201 Klaus Liedel
Tageszeit abhängig, z. B. Nahrungszufuhr und deren Vorbereitungen wie etwa Verabredungen zum
Mittagessen oder ähnliches.
1.3. Separation
Nach Steve Mann sollte der WearComp dem Träger auch eine partielle bzw. totale Abschottung zur
Umwelt ermöglichen, dies einerseits zur Konzentration auf die wesentlichen Aufgaben bzw. um
Störungen zu vermeiden und andererseits auch um eine Privatsphäre zu garantieren, etwa durch die
Verhinderung des direkten Augenkontaktes.
Um Störungen des Trägers zu verhindern soll der WearComp die eingehenden Informationen
verarbeiten und gefiltert nur die für den Träger entscheidenden weiterleiten, dies soll nach Möglichkeit
zeitnah, also ohne wesentliche Verzögerung, geschehen. Es soll also die Möglichkeit gegeben werden
dem Träger einen gegen die Außenwelt abgeschirmten und nicht zu beeinflussenden Innenraum zu
gestallten, der nach den individuellen Wünschen und Bedürfnissen gestaltet und entsprechend den
zeitlichen Bedürfnissen modifiziert werden kann. So wäre der Träger etwa gegen werbende
Maßnahmen aller Art unempfänglich, außer natürlich falls er diese zu empfangen wünscht (siehe Bild
1.3 im Anhang).
Diese Ausprägung der Maschine würde in der endgültigen Form auch die komplette Verhüllung des
Trägers einschließen. Steve Mann gibt als wichtiges Beispiel der Trennung die Verhinderung des
Augenkontaktes bzw. den Schutz der Augen des Trägers vor der Einsichtnahme an. Letztendlich ist
die Augenreaktion aber nur eine Reaktionsweise auf eingehende Informationen des Einzelnen, weitere
wären Bewegungen, die Körperhaltung oder auch die Haut als Organ. Ein Beispiel hierfür sind die bei
einem Lügendetektor abgefragten Hauteigenschaften, die man ja auch teilweise im
zwischenmenschlichen Kontakt erkennen kann. Dies würde dann der Individualität des Einzelnen
entgegenstehen. So arbeiten ja auch viele psychologische Erkenntnismethoden mit den individuellen
Ausprägungsformen, Kleiderfarben, Ausdrucksweisen oder –formen. Diese sind individuell, aber
letztendlich auch verräterisch im Sinne der Möglichkeit Rückschlüsse auf den Einzelnen anzustellen.
1.4. Die sechs Attribute der Signalwege eines WearComp
Es gibt nach Steve Mann sechs wesentliche Eigenschaften der Signalwege, die den WearComp
auszeichnen, sie kennzeichnen sich durch eine gewisse Synergie von Mensch und Maschine aus,
allerdings unter Führung des Menschen. Diese Attribute der Flusswege des wearable Computers
werden wie folgt, vom Standpunkt des Nutzers aus beschrieben:
1.4.1 Fehlende Ausschließlichkeit
Soll heißen dass die Aufmerksamkeit des Benutzers durch den Rechner nicht restriktiv von der
äußeren Welt abgetrennt wird, wie etwa in einem virtuellen Computerspiel oder dergleichen. Der
Nutzer erhält durch die Maschine die Möglichkeit sich auf andere Angelegenheiten zu konzentrieren.
Idealer Weise soll der Nutzer durch den Gebrauch des WearComp eine Verbesserung der sensorischen
Fähigkeiten erhalten. Er kann die sensorischen Fähigkeiten bewusst in jeglicher Richtung beeinflussen
(vergrößern, vermindern oder auf spezielle Bereiche konzentrieren).
Der Computer bietet in diesem Sinne also die Möglichkeiten den eigenen Wünschen entsprechend die
Fähigkeiten speziell zu trainieren und entsprechend, soweit möglich, zu verbessern. So dass der Träger
auch die Möglichkeit hat evtl. unterschiedliche Sichtweiten oder Ansichten einer Situation alleine
dadurch zu erhalten indem er den WearComp zur Filterung unterschiedlicher Eingangsinformationen
veranlasst, wie etwa alleine akustische Signale oder die optischen unter Berücksichtigung der
Wärmestrahlung oder anderer Details. Oder natürlich auch im Bedarfsfalle die maximale
Informationsbreite über einen Gegenstand des Interesses zu erhalten, inklusive möglicher
Zusatzinformationen, etwa über das Internet oder andere Kommunikationswege.
1.4.2. Unbeschränktheit des Trägers
Der Benutzer unterliegt während der Nutzung keinerlei zusätzlicher Beschränkungen. Er kann sich
seine Tätigkeit und auch Aufenthaltsort weiterhin frei wählen, auch die Art und Weise der Tätigkeiten
unterliegt keiner zusätzlichen Auflage.

202 Wearcomp, Personal Imaging und Mediated Reality
Der Träger ist räumlich und auch zeitlich nicht gebunden, um dies zu erreichen bedarf es der
ausreichenden Versorgung des WearComp mit Energie, d.h. er benötigt letztendlich eine schier
endlose Energiereserve oder die Möglichkeit überall neue Energiequellen anzuzapfen und für sich
nutzbar zu machen.
Weiter bedeutet diese Unbeschränktheit aber auch, dass der WearComp sehr leicht sein muss und auch
sonst so gestaltet ist, dass er für den Träger keine Einschränkung z.B. der Bewegungsfähigkeit oder
der individuellen Leistungsmöglichkeiten darstellt, am besten so als wäre der WearComp für den
Träger physisch überhaupt nicht vorhanden, oder er stellt einen so essenziellen Teil des eigenen
Lebens dar, dass man diesen eher bei der Abwesenheit vermissen würde, wie etwa die eigene
Kleidung.
1.4.3. Beobachtbarkeit
Der Nutzer erhält die Möglichkeit der uneingeschränkten Kontrolle über den Rechner und seine
Aktionen. Er kann das gesamte Spektrum der Aktionen des Computers jederzeit beobachten. Die
Ausgabe bzw. die Darstellung nach außen ist innerhalb der systembedingten Beschränkungen vom
Träger wahrnehmbar (z.B. ist der Schirm nicht direkt von außen ohne eine Übermittlung des Rechners
einsehbar).
Somit ist es dem Träger ständig möglich in die Aktionen des Rechners Einsicht zu nehmen, dies spielt
auch für den nächsten Punkt eine entscheidende Rolle. Diese Einsichtnahme gilt laut Prof. Mann
zunächst einmal für die Aktionen des WearComp nach außen, es müsste allerdings bei der
beschriebenen allumfassenden Beobachtungsmöglichkeit auch für die internen Vorgänge des
WearComp gelten, so etwa die Abspeicherung der Umgebung bzw. der Aktionen des Trägers. Dies
natürlich auch deshalb da der WearComp in diesem Fall ein Instrument der möglichen Kontrolle des
Trägers darstellen würde, etwa abrufen der gespeicherten Aktionen des Trägers von außen.
1.4.4. Kontrollierbarkeit
Der Computer unterliegt der ständigen Kontrolle und Beeinflussbarkeit durch den Benutzer. Man kann
die Steuerung je nach Wunsch jederzeit an sich nehmen. Auch die automatisierten Prozessen können
jederzeit manuell übernommen werden, um etwa Steuerschleife zu durchbrechen und Teil der Schleife
anders zu konfigurieren. Dies könnte beispielsweise durch eine Halttaste geschehen, die den Computer
in seiner Tätigkeit sofort unterbricht.
Die Kontrollierbarkeit schließt natürlich, wie oben bereits angedeutet die Beobachtbarkeit der
Aktionen des WearComp voraus. Auch in diesem Punkte muss eigentlich davon ausgegangen werden,
dass der Träger auch die Speicherung der Daten mit kontrolliert, sonst wäre der WearComp nicht ein
ausschließlich vom Träger kontrolliertes Instrument, sondern hätte letztendlich auch ein
Kontrolloption des Trägers, die wohl dann auch in irgendeiner Art und Weise von außen genutzt
werden dürfte.
Falls eine Datenspeicherung vorgenommen wird, was teilweise zur Erfüllung der Vorbedingungen
notwendig erscheint, so ist auch die Einsichtnahme und Zerstörung dieser Daten der Einflussnahme
durch den Träger zu unterstellen. Da ja eben auch hierin ein Individualitätsverlust und eine Form der
Überwachung von außen stattfinden könnte, was ja dem Konzept des WearComp von Steve Mann
widersprechen würde..
1.4.5. Konzentration auf die Umgebung
Die Verbesserung der Aufnahmemöglichkeiten und –fähigkeiten schafft beim Nutzer ein neues und
tieferes Bewusstsein für seine Umgebung. Er nimmt seine Umgebung intensiver war, da die
unwesentlichen Aspekt ausgefiltert werden und er durch die Modifikation andere Daten zusätzlich mit
als Informationen erhält (z.B. Umweltdaten wie Luftdruck oder Luftfeuchtigkeit, aber auch
verbesserte visuelle Informationen etwa nachts).
Der Träger kann sich somit auf die für ihn nötigen oder interessanten Details konzentrieren und der
Rechner erledigt für ihn den langweiligen oder auch unangenehmen Rest. Die Entscheidung über die
Objekte der Konzentration(en) obliegen hier, wie auch sonst, dem Träger des WearComps. Hierzu
sind die oben beschriebenen Eigenschaften von entscheidender Bedeutung.

203 Klaus Liedel
Dies bedeutet allerdings auch eine höhere Verantwortung des Einzelnen über die neuen Möglichkeit.
So etwa auch diese Möglichkeiten zu nutzen und sich entsprechend weiter zu entwickeln bzw. die
Umgebung entsprechend zu beeinflussen und nicht nur die Informationen egoistisch zum eigenen
Nutzen zu gebrauchen.
Dies bedeutet dann allerdings in der Gesamtheit auch eine Charakterstärke des Trägers, die ihm der
Rechner wohl nicht, auch in fernerer Zukunft nicht, vermitteln kann. Sondern dies stellt eine
notwendige Voraussetzung des Nutzers dar.
1.4.6. Kommunikationsfähigkeit
Der WearComp verfügt über erweiterte Möglichkeiten der Kommunikation mit anderen. Einerseits zur
Kommunikation über die Distanz, etwa vergleichbar einem Mobiltelefon, andererseits aber auch durch
Verstärkung der Stimme wie ein Megaphon. Aber auch eine ganz andere Form der Expressivität auf
künstlerischem Niveau werden hier durch Prof. Mann beschrieben.
Es ist hier einerseits natürlich die gesamte Palette der derzeit bereits möglichen Formen der
Kommunikation via z.B. Telefon und Internet zu nennen. Andererseits aber auch noch weitere
Maßnahmen, wie etwa der Verbindung dieser Möglichkeiten über Konferenzschaltungen mit
zusätzlichen Videoanbindungen oder eben auch der Onlineunterstützung bei der
Entscheidungsfindung bzw. bei Ausführung von Aktionen. Dies zwar vor allem im beruflichen
Bereich, allerdings sind den Möglichkeiten dann natürlich auch auf dem privaten Sektor keine
Einschränkungen gesetzt.
Der Träger könnte natürlich manche Aufgaben zeitweise auch an andere, räumlich evtl. getrennte,
Personen übertragen, die via Telemetrie über die Möglichkeiten des WearComp verfügen könnten.
Hier dann auch immer unter Einhaltung der vorgenannten Eigenschaften, dass der Träger immer auch
Träger der obersten Entscheidungen über den WearComp ist und alle seine Aktionen, auch die
fremdgesteuerten, beobachten und beeinflussen kann.
Es sind dann verschiedene Szenarien denkbar, einerseits natürlich die nicht ganz korrekte Nutzung der
Fähigkeiten anderer, wie etwa bei individuellen Leistungsnachweisen, falls diese dann überhaupt noch
notwendig sein sollten, andererseits aber auch die mögliche unerlaubte Einflussnahme durch andere.
Auch wenn dies theoretisch durch den Träger kontrolliert wird ist es diesem dennoch sicherlich nicht
möglich alle diese doch sehr vielen Kanäle gleichzeitig zu kontrollieren.
Auch in diesem Teilbereich wäre es allerdings denkbar, dass der Rechner gewisse Hilfsmittel zur
Verfügung stellt um die Einflussnahme von außen zu kontrollieren, z.B. über eine Freigabe
entsprechender Bereiche durch den Träger. Oder natürlich auch durch die Protokollierung der
Tätigkeiten.
2 Technische Realisierung
Die Realisation der oben genannten Anforderungen gestalltet sich natürlich unterschiedlich schwierig.
Die größten Probleme sind hier einerseits in der ständigen Verfügbarkeit und der zeitnahen
Aufarbeitung der Signale von Innen (Benutzer) und Außen (Umgebung) zu sehen. Und weiter eben
auch in der Abschirmung des Benutzers vor direktem Einfluss der Außenwelt, die man vielleicht auch
als Lecks der Abschirmung bezeichnen könnte.
Zur Realisierung wird zunächst die visuelle Seite der vermittelten Realität näher untersucht, es wird
ein spezielles Glas vorgeschlagen sog. „Lightspace – Analysator“, das in der Lage sein sollte alle auf
es gerichtete Strahlung zu absorbieren und quantitativ zu analysieren. Es ist ein Glas, das vollkommen
lichtundurchlässig ist, das allerdings alle ankommenden Photonen analysiert und das Ergebnis in
numerischer Form weiterleitet. Der Lightspace - Analysator muss nicht unbedingt flach sein, es sind
auch durchaus andere Formen, etwa gekrümmt wie ein Brillenglas denkbar (siehe Bild 2.1 im
Anhang).
Weiter wäre eine Form der Generierung von Bildern in umgekehrter Form wie die Analyse durch den
Lightspace – Analysator nötig. Dieser wird als „Synthesizer – Lightspace“ bezeichnet. Es hätte die

204 Wearcomp, Personal Imaging und Mediated Reality
Aufgabe aus einem Eingangsstrom von Zahlen entsprechende Lichtquanten zu generieren (siehe Bild
2.2 im Anhang).
Nimmt man nun den Ausgang des Analysators und verbindet diesen mit dem Eingang des
Synthesizers so hat man eine elektronische Transparenz geschaffen. Das Ziel soll allerdings ein sehr
dünnes Gebilde sein, das einem die Möglichkeit gib den Analysator und den Synthesizer eng
aneinander liegend zu bauen und so die elektronische Transparenz so wie den natürlichen Durchtritt
durch z.B. eine Brille zu gestallten. Und als weiters, sozusagen finales, Element müsste dann in die
Bitströme der oben beschriebene WearComp mit integriert werden, so dass die wahrgenommene
Realität nicht eine direkt übertragene sondern vermittelte d.h. gefiltert und modifizierte wäre (Siehe
Bild 2.3 im Anhang).
In der bisherigen Praxis wurden die Realisierungen allerdings in Ermangelung von Lightspace durch
andere Konstrukte durchgeführt. Hier dienten vor allem Kameras zur Lichtaufnahme und kleine
Bildschirme zur Übermittlung an den Benutzer. Die Darstellungen in Bild 3.1 im Anhang geben einen
kleinen Überblick über die Form und die Dimensionen, auch im Verlauf der Zeit. Die Darstellungen
zeigen Steve Mann mit den diversen Apparaturen, die er zur Verwirklichung des WearComp –
Gedankens realisierte [MAN 03].
Wie wohl allgemein bekannt und oben erwähnt existiert diese von Steve Mann genannte Material
Lightspace noch nicht. Theoretisch ist es allerdings nicht nur eine Frage der die Strahlung auf- und
ausgebenden Materialien, sondern auch die Rechnerleistung und Verarbeitungsgeschwindigkeiten sind
eine wichtige Frage. Schließlich sind einige der Aufgaben der WearComps als zeitkritisch anzusehen.
Dies in dem Sinne dass der Träger die Eindrücke als der Realität entsprechend empfinden soll.
Schließlich sehen die Postulate vor, dass der Träger durch den WearComp unterstützt und nicht
eingeschränkt wird, dies schließt es dann allerdings ein von der Maschine nicht behindert zu werden
sondern einen zusätzlichen Komfort zu genießen, den man nicht erst einüben muss.
Hierzu können einerseits die Erfahrungen in der Generierung von Flugsimulatoren oder auch die in der
Medizin bereits in der Erprobung befindlichen Modellierungen der Operationen und
Trainingseinheiten dienen. In diesem Zudammenhang möchte ich Prof. Gabor Székely vom Inst. für
Bildverarbeitung der ETH Zürich zitieren, der im Zusammenhang mit der Darstellung dieser
Möglichkeiten in der Medizin [SZÉ 03] darauf hinwies dass die Simulation dann als realistisch
angesehen wird wenn die Realisierung der Änderungen des virtuellen Modells innerhalb von 50 ms
erfolgt. Bei Reaktionszeiten die darüber liegen werden die Modelle als nicht realistisch empfunden.
Eine weitere Annäherung könnte auch in der Analyse der Bildwiederholfrequenzen in Kino- oder
Fernsehübertragungen dienen. Diese Bilder werden mit einer Wiederholungsrate von 24 bzw. 25
Bildern/ Sek. dargeboten, wie ein jeder selbst feststellen kann entsteht dadurch ein harmonischer
Eindruck, der den Aufbau aus Einzelbildern verdeckt. Die oben genannten Wiederholraten bewirken
eine bildliche Darstellung alle 40 ms. Somit sind diese Reaktionszeiten von entsprechenden Systemen,
von der Detektion bis zum Aussenden der entsprechend modifizierten Information zu fordern, wenn
der Eindruck realitätsnah sein soll.
Denkbar sind aber auch Einsätze zur Erhöhung der Präzision, wie etwa bei Operationen. Hier könnte
durch die Visualisierung der zusätzlichen Informationen eine präzisere und schonendere Technik
angewendet werden. Weiter wäre es möglich die Komplexität der Darstellung während der Operation
zu erhöhen, sowie eine statische Informationssituation dynamischer zu gestallten indem man während
der Operation anfallende Informationen mit integriert[WAN 02] (siehe hierzu Bilder 3.2 bis 3.4 im
Anhang).
3 Weiterer Ausblick
WearComp hat bei vorliegen der Eigenschaft wie sie Steve Mann angibt das Potential, die ganze Welt
virtuell als auch real abzubilden. Weiter besitzt eine solche Maschine auch das Potential, eine
geänderte Vorstellung der Sichtweise auf die Wirklichkeit zu verursachen. Solch eine Computer -
vermittelte Realität kann nicht nur die Proportionen ändern sondern wäre auch in der Lage unsere
Vorstellung und Sichtweise der Wirklichkeit zu beeinflussen und auf längere Sicht auch zu ändern.

205 Klaus Liedel
Auch bei ganz alltäglichen Tätigkeiten könnten WearComps nützliche Dienste leisten z.B. könnte man
sich beim Fahren besser konzentrieren, da man einfach alle nicht direkt mit der Steuerung des Wagens
in Zusammenhang stehende Einflüsse abschalten könnte, dies wird von Steve Mann auch in einem
Selbstexperiment beschrieben [MAN 01].
Es wäre allerdings auch andererseits nicht zwingend nötig, dass man sich in dieser Zeit aus allem
anderen heraushalten würde bzw. müsste, einerseits könnte der WearComp die sonstigen
Kommunikationen speichern, so dass es einem möglich wäre diese später nachzuvollziehen, wie etwa
die Beantwortung von E-Mails. Andererseits wäre es durchaus auch denkbar, dass der WearComp im
Sinne des Trägers antwortet bzw. reagiert und nur dann eine Notiz hinterlegt um dem Träger die
Aktionen anzuzeigen.
Außerdem könnte der WearComp dazu beitragen, dass wir uns auch in hektischer Umgebung
entspannen könnten und uns im Anschluss auf evtl. Aufgaben wieder besser zu konzentrieren
vermögen. Als eine Art von Lernen könnte der Rechner etwa die Herzfrequenz registrieren und daraus
ableiten wie sich der Träger am besten entspannt und dies dann auch in den Ruhezeiten mit in ein
Entspannungsprogramm integrieren.
Es sind allerdings auch gänzlich andere Aspekte denkbar, so wäre es leicht möglich ein Alibi zu
bestätigen oder zu widerlegen. Es könnte sein, dass man bei Überlastung einfach jemanden anderen
darum bittet doch Aufgaben, die auf einen einströmen zu übernehmen oder man selektiert die
eintreffenden Informationen der Art, dass man nur die aktuell unaufschiebbaren Arbeiten erledigt und
den Rest speichert, um ihn im Anschluss oder bei Gelegenheit zu erledigen. Dies kann einerseits
gesteuert durch den Träger erfolgen, aber auch automatisch durch die Fehlerüberprüfung des Systems,
etwa wenn der Träger eine gewissen Anzahl von Fehlern begeht, oder wenn die Reaktionszeiten zu
lange werden.
Es gäbe allerdings auch völlig neue Marketing Möglichkeiten, der Computer als WearComp wäre
vergleichbar mit einer elektronischen Prothese und als solche vielleicht auch nur begrenzt verzichtbar.
Hieraus würden sich Ansätze für einen sehr großen Markt ergeben. Der Einzelne hätte die Möglichkeit
sich seine Umgebung in großen Bereichen individuell zu gestallten, losgelöst von Realitäten. Dies
gäbe einem die Möglichkeit einer gänzlich neuen Art der Selbstbestimmung.
Ein anderes Gebiet, das ebenfalls von dieser Entwicklung profitieren könnte, wäre der künstlerische
Bereich. Die Zusammenstellung gänzlich neuer Formen der Kollagen oder auch die Konferenz und die
Modifikation der Kunstwerke als Gruppenereignis. Auch hierzu hat Steve Mann bereits mehrere
Beispiele geliefert. Es würden sich mehrere Aspekte der WearComps ergänzen, einerseits die
Speicherung, dann aber auch die Möglichkeiten der Weitergabe an andere und natürlich auch die
Vereinigung von Realität und Fiktion in einer Darstellung. In diesem Zusammenhang spielte dann eine
evtl. vorhandene zeitliche Verzögerung keine Rolle, der WearComp dient in dieser Art der
Anwendung nicht zur online Generierung einer virtuellen Realität auf der Grundlage der Wirklichkeit
sondern zur künstlerischen Bereicherung der vorhandenen Welt, als Form der Imagination und
Unterstützung der Tätigkeit von Künstlern. Evtl. ist dann auch der Begriff des Künstlers neu zu fassen,
da es dann einem jeden Träger eines WearComps möglich ist diesen auch in dem Sinne zu nutzen.
4 Zusammenfassung und Kritik
Einerseits ist die Idee des WearComp als transportabler, ubiquitär vorhandener und ständig
einsetzbarer Computer eine Option, die mannigfaltige Möglichkeiten bietet. Und eine völlig neue
Form der Gestaltung des eigenen Lebensraumes und der eigenen zeitlichen Einteilungen ermöglicht.
Andererseits ist allerdings auch immer zu bedenken, dass der Mensch als soziales Wesen evtl. den
„natürlichen“ Umgang und Kontakt zu anderen Menschen zur Aufrechterhaltung seiner psychischen
Gesundheit benötigt und ohne diese auf längere Sicht gänzlich neue und unerwartete Erkrankungen
und Deviationen auftreten könnten, die ohne diese Separation nicht vorhanden wären.
Eine weitere Überlegung ist natürlich auch, ob es dieser individuellen Computer bedarf um etwa den
Straßenverkehr sicherer zu machen oder ob es hierzu nicht auch günstigere und weniger spezielle
Methoden der Umsetzung gibt. Und natürlich stellt auch die Überwachung der dadurch gesammelten
Daten eine weiter Problematik dar, die auf juristischem Gebiet ein weites Feld eröffnen dürfte, sind

206 Wearcomp, Personal Imaging und Mediated Reality
die gesammelten Daten z.B. Eigentum des Besitzers des WearComp oder des Eigentümers oder gar
Besitz der Allgemeinheit, müssen sie vielleicht innerhalb kürzester Zeit gelöscht werden, oder dürfen
sie nicht gelöscht werden um sich etwa noch nach Tagen ausweisen zu können und bei Befragungen
der Ordnungsbehörden die entsprechenden Angaben untermauern zu können.
Weiter ist natürlich auch noch zu überlegen ob man dann auch bereits den Heranwachsenden oder
Kindern die Möglichkeiten der tragbaren Computer ermöglicht oder sie zunächst ohne aufwachsen
lässt. Bei dem Gebrauch von WearComps in der Erziehung und Ausbildung würden sich auch dabei
völlig neue Möglichkeiten der individuellen Gestaltung der Erziehung und Unterrichtung ergeben, die
von heutigem Stand in ihrer Gesamtheit vielleicht noch nicht einmal ganz überdacht werden können.
Insgesamt betrachtet schafft der WearComp natürlich viele neue Möglichkeiten und eröffnet
gestalterische Optionen, die ohne diesen nicht möglich wären. Es sind allerdings auch diesem Konzept
natürliche Grenzen gesetzt, so ist es wohl eher fraglich ob er alle physikalischen Einflüsse der Umwelt
abschalten kann, wie etwa die klimatischen Einflüsse oder die Schwerkraft. Beim Klima bestehen da
noch evtl. Möglichkeiten, die allerdings in Form einer transportablen Klimaanlage einen sehr großen
Aufwand erfordern, bei der Schwerkraft sind derzeit noch nicht einmal theoretische Ansätze
vorhanden, die hier möglich sein könnten. Allerdings ist dies vielleicht auch nicht unbedingt für alle
Einsatzbereiche notwendig.
Auch im Bereich der Kommunikation sind durch die Naturgesetze in Zusammenhang mit den
geforderten Eigenschaften des WearComp, und in Kombination mit dem oben genannten nötigen
Reaktionszeiten des Gesamtsystems, die Formen des Informationsaustauschs eingeschränkt. Geht man
z.B. von der Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/s) als maximale Geschwindigkeit für den
Datenaustausch aus, so liegt die in der nötigen Reaktionszeit zur Verfügung stehende Distanz, ohne
Verarbeitungszeiten, bei 15.000 km.
Dadurch ergeben sich Einschränkungen der möglichen Kommunikation, so befinden sich die
geostationären Satelliten, die vor allem für die Kommunikation und Nachrichtübertragung genutzt
werden, in einer Höhe von 36.000 km über der Erdoberfläche (aus www.fen-net.de/satellitentechnikonline/texte/orbit/orbit.htm)
. Wie man dabei einfach erkennt, ist es ohne für den Benutzer erkennbar
Verzögerung nicht möglich diese zum online Datenaustausch zu nutzen. Wie in der oben angegebenen
Quelle ebenfalls erwähnt, existieren auch in anderen Umlaufbahnen Satelliten, doch auch diese sind
teilweise zu hoch. Wie etwa die zur Satellitennavigation genutzten GPS-Satelliten, die sich in Höhen
von 10.000 bis 20.000 km über der Erde befinden. Auch diese befinden sich somit zur online Nutzung
für die WearComps in einer zu hohen Umlaufbahn. Die sonst noch vorhandenen Umlaufkörper im
Orbit sind von ihrer Anzahl her nicht ausreichend vorhanden um einen sicheren bzw. ständigen
Gebrauch zu gestatten. Fasst man dies zusammen, so müsste die Arbeit des Rechners, als eine Art von
Terminal, aus der „näheren“ Umgebung also erdgebunden erfolgen.
Referenzen
[MAN 01] Mann S.(2001): Fundamental Issues in Mediated Reality, WearComp, and Camera-
Based Augmented Reality. In Fundamentals of Wearable Computers and
Augmendted Reality (2001), Lawrence Erlbaum Associates, Inc. Puglishers, 295 –
328
[MAN 03] Mann S. (2003): Referenzen des Internets unter www.wearcam.org
[SZÉ 03] Székely G. (2003): Realistische Simulation chirurgischer Eingriffe, als Vortrag
im Kolloquium der Informatik an der Technischen Universität Braunschweig,
26.05.03.
[WAN 02] Wanschitz F et al. (2002): Computer-enhanced stereoscopic vision in a headmounted
display for oral implant surgery. In Clin. Oral Impl. Res. 13, 2002,
610 – 616

207 Klaus Liedel
Anhang /Abbildungen
Bild 1.1: Permanente Interaktion als eine der Eigenschaften eines wearable Computers.
übersetzt aus http://wearcam.org/wearcompdef/fig1asmall.gif
Bild 1.2: Versorgung des Benutzers mit Zusatzinformationen als eine der zusätzlichen
Eigenschaften eines wearable Computers.
übersetzt aus http://wearcam.org/wearcompdef/fig1bsmall.gif

208 Wearcomp, Personal Imaging und Mediated Reality
Bild 1.3: Isolation des Trägers von der Umwelt im Eingangs- wie Ausgangsstrom
übersetzt aus http://wearcam.org/wearcompdef/fig1c.gif
Bild 2.1: Lightspace – Analysator als ideales Material zur Verwirklichung von Apparaten der
vermittelten Realität
nach den Ausführungen von Steve Mann

209 Klaus Liedel
Bild 2.2: Synthesizer - Lightspace als ideales Material zur Verwirklichung von Apparaten der
vermittelten Realität
nach den Ausführungen von Steve Mann

210 Wearcomp, Personal Imaging und Mediated Reality
Bild 2.3: Lightspace – Glas in Verbindung mit einem WearComp
nach den Ausführungen von Steve Mann
Bild 3.1: Verschiedene Apparate zur Umsetzung des WearComp – Gedankens im zeitlichen
Verlauf
http://n1nlf-1.eecg.toronto.edu/personaltechnologies/fig3.gif

211 Klaus Liedel
Bild 3.2: Apparatur zur intraoperativen Visualisierung bei der Implantation
aus [WAN 02]
Bild 3.3: Projektion der Apparatur aus Bild 3.2
aus [WAN 02]
Bild 3.4: Projektion der Apparatur aus Bild 3.2, wie in Bild 3.3 allerdings mit Bohrinstrument
aus [WAN 02]

213 Index
A
Active Badge .....................................11, 50
Active Bat................................................11
Affine Darstellung.................................126
Affine Räume ........................................127
AfinesKoordinatensystem .....................128
Angle of Arrival ......................................65
Angriffsziele............................................84
Apple Newton .........................................51
Assisted GPS...........................................65
ATKIS-Objektkatalog .............................31
Augmented Reality................................137
Authentizität............................86, 101, 103
Autorisierung...........................86, 102, 103
B
Bedrohung ...............................................83
Bedrohungsanalyse................................104
Bedrohungssystematik ............................84
Beherrschbarkeit......................87, 102, 104
Beschleunigungsmessung......................173
Bessel-Ellipsoid.......................................36
Bewegungsprofil ...........................104, 108
Brute Force – Angriff............................106
Bundesdatenschutzgesetz ........................87
C
Cell of Origin ..........................................63
Chipkarte .................................................91
Chosen Plaintext – Angriff....................106
Cipher Text Only – Angriff...................106
Context Spaces ......................................118
ContextCast ...........................................118
Cyberguide ..............................................48
D
Datenhandschuh ....................................138
Datenschutz .............................................87
Denial of Service Angriff..............104, 106
Differential GPS................................24, 65
Digitales Landschaftsmodell...................33
Display ..................................................159
DNS.......................................................117
Doppler-Verfahren ................................169
Durchsicht-Display............................... 182
E
EGNOS................................................... 26
Energieversorgung................................ 157
Enhanced Observed Time Difference..... 64
Erd-Gravitationsfeld ............................. 176
e-SUIT .................................................. 155
F
Fahrzeugflotten ....................................... 66
Force-Feedback-Display....................... 138
Freiheitsgrad ......................................... 167
Future Computing Environment............. 48
G
GALILEO ............................................... 26
Gauß-Krüger-Koordinatensystem........... 35
GeoCast Nachricht................................ 113
Geodatenbank ......................................... 43
Geographische Adressierung................ 111
GeoHost ................................................ 113
Geoinformationssystem ..............Siehe GIS
GeoNode ............................................... 113
GeoRouter............................................. 113
GIS.......................................................... 31
Fachschalen......................................... 42
GLONASS.............................................. 26
GPRS ...................................................... 62
GPS............................. 21, 52, 64, 112, 141
Dienste ................................................ 22
PRN..................................................... 23
Satelliten ............................................. 22
Segmente............................................. 21
GSM
Cell-ID ................................................ 63
Funkzelle............................................. 64
GUIDE.................................................... 54
Gyroskop
mechanisch ....................................... 173
optisch............................................... 169
H
Head-Mounted-Display ................ 138, 158
Head-up-Display................................... 158

214 Index
HEPS-SAPOS .........................................25
HiBall Tracking System ..........................13
I
Identifikation ...........................86, 101, 103
Infrarot.................................................8, 51
Inmarsat...................................................61
Integrität ..................................85, 101, 103
K
Known Plaintext – Angriff....................106
Kontext....................................................47
Koordinate.................................................5
physikalische .......................................97
semantische .........................................97
Koordinatensystem
affines ....................................................5
kartesisches............................................5
Koordinatentransformation .......................6
Kreispeilung ..............................................7
Kreuzpeilung .............................................6
L
Laser ..........................................................8
laserBIRD................................................14
Location Interoperability Forum .............62
Location Measurement Unit....................64
Location Server Infrastructure ....Siehe LSI
LSI...........................................................97
Assoziation..........................................98
Client ...................................................97
Domäne ...............................................98
inbound mode....................................100
LLS......................................................99
Location Server ...................................97
outbound mode..................................100
Relation ...............................................98
M
Man in the middle Angriff ....................106
Mediated Reality ...................................199
Mikroskop .............................................185
Mobile Location Center ..........................64
Mobile Support Station .........................116
MSAS......................................................26
m-ToGuide ..............................................59
Multicast IP ...........................................116
N
Nexus ...................................................... 73
Augmented Area Modell .................... 75
Augmented World Modell.................. 75
AWML................................................ 79
AWQL ................................................ 79
Spatial Server Model .......................... 79
Nicht-Abstreitbarkeit .............. 86, 102, 103
Notrufdienste .......................................... 66
O
Open Mobile Alliance............................. 63
P
PARCTab................................................ 50
Passive Peilung ......................................... 7
pattern recognition................................ 170
Polarkoordinate......................................... 5
Präsenz.................................................. 122
Projektionen ...................................... 127
R
Radio Camera System............................. 66
Registrierungsfehler.............................. 130
Replay-Attacke ..................................... 107
Retina Display ...................................... 184
Richtfunk .................................................. 8
S
SAPOS.................................................... 25
Satellitennavigation ................................ 18
Sicherheit ................................................ 83
Signal Attenuation .................................. 65
SMS ........................................................ 61
Spot-On................................................... 12
Spracherkennung .................................. 160
Steve Mann ........................................... 199
sweeping beam...................................... 171
T
Telemedizin .......................................... 141
Tourist Guides ........................................ 47
Triangulation......................................... 168
TV-Fernbedienung.................................. 51

215 Index
U
Ultraschall .........................................9, 167
V
Verfügbarkeit ..........................86, 102, 103
Verkehrsflussanalyse.............................107
Verlässlichkeit.........................87, 102, 103
Vertraulichkeit.........................85, 101, 102
W
WAP ....................................................... 61
Wearable Computer ...................... 137, 153
WearComp............................................ 199
WGS84 ............................................. 17, 37
WIPS....................................................... 12
WLAN .................................................... 12
Z
Zugriffssteuerung.................... 86, 102, 103
Zylinderkoordinate ................................... 5
WAAS .....................................................25