Enhanced Virtuality: Increasing the Usability and Productivity of Virtual Environments

Mit stetig steigender Bildschirmauflösung, genauerem Tracking und fallenden Preisen stehen Virtual Reality (VR) Systeme kurz davor sich erfolgreich am Markt zu etablieren. Verschiedene Werkzeuge helfen Entwicklern bei der Erstellung komplexer Interaktionen mit mehreren Benutzern innerhalb adaptiver virtueller Umgebungen. Allerdings entstehen mit der Verbreitung der VR-Systeme auch zusätzliche Herausforderungen: Diverse Eingabegeräte mit ungewohnten Formen und Tastenlayouts verhindern eine intuitive Interaktion. Darüber hinaus zwingt der eingeschränkte Funktionsumfang bestehender Software die Nutzer dazu, auf herkömmliche PC- oder Touch-basierte Systeme zurückzugreifen. Außerdem birgt die Zusammenarbeit mit anderen Anwendern am gleichen Standort Herausforderungen hinsichtlich der Kalibrierung unterschiedlicher Trackingsysteme und der Kollisionsvermeidung. Beim entfernten Zusammenarbeiten wird die Interaktion durch Latenzzeiten und Verbindungsverluste zusätzlich beeinflusst. Schließlich haben die Benutzer unterschiedliche Anforderungen an die Visualisierung von Inhalten, z.B. Größe, Ausrichtung, Farbe oder Kontrast, innerhalb der virtuellen Welten. Eine strikte Nachbildung von realen Umgebungen in VR verschenkt Potential und wird es nicht ermöglichen, die individuellen Bedürfnisse der Benutzer zu berücksichtigen. Um diese Probleme anzugehen, werden in der vorliegenden Arbeit Lösungen in den Bereichen Eingabe, Zusammenarbeit und Erweiterung von virtuellen Welten und Benutzern vorgestellt, die darauf abzielen, die Benutzerfreundlichkeit und Produktivität von VR zu erhöhen. Zunächst werden PC-basierte Hardware und Software in die virtuelle Welt übertragen, um die Vertrautheit und den Funktionsumfang bestehender Anwendungen in VR zu erhalten. Virtuelle Stellvertreter von physischen Geräten, z.B. Tastatur und Tablet, und ein VR-Modus für Anwendungen ermöglichen es dem Benutzer reale Fähigkeiten in die virtuelle Welt zu übertragen. Des Weiteren wird ein Algorithmus vorgestellt, der die Kalibrierung mehrerer ko-lokaler VR-Geräte mit hoher Genauigkeit und geringen Hardwareanforderungen und geringem Aufwand ermöglicht. Da VR-Headsets die reale Umgebung der Benutzer ausblenden, wird die Relevanz einer Ganzkörper-Avatar-Visualisierung für die Kollisionsvermeidung und das entfernte Zusammenarbeiten nachgewiesen. Darüber hinaus werden personalisierte räumliche oder zeitliche Modifikationen vorgestellt, die es erlauben, die Benutzerfreundlichkeit, Arbeitsleistung und soziale Präsenz von Benutzern zu erhöhen. Diskrepanzen zwischen den virtuellen Welten, die durch persönliche Anpassungen entstehen, werden durch Methoden der Avatar-Umlenkung (engl. redirection) kompensiert. Abschließend werden einige der Methoden und Erkenntnisse in eine beispielhafte Anwendung integriert, um deren praktische Anwendbarkeit zu verdeutlichen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass virtuelle Umgebungen auf realen Fähigkeiten und Erfahrungen aufbauen können, um eine vertraute und einfache Interaktion und Zusammenarbeit von Benutzern zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglichen individuelle Erweiterungen des virtuellen Inhalts und der Avatare Einschränkungen der realen Welt zu überwinden und das Erlebnis von VR-Umgebungen zu steigern

From Capture to Display: A Survey on Volumetric Video

Volumetric video, which offers immersive viewing experiences, is gaining increasing prominence. With its six degrees of freedom, it provides viewers with greater immersion and interactivity compared to traditional videos. Despite their potential, volumetric video services poses significant challenges. This survey conducts a comprehensive review of the existing literature on volumetric video. We firstly provide a general framework of volumetric video services, followed by a discussion on prerequisites for volumetric video, encompassing representations, open datasets, and quality assessment metrics. Then we delve into the current methodologies for each stage of the volumetric video service pipeline, detailing capturing, compression, transmission, rendering, and display techniques. Lastly, we explore various applications enabled by this pioneering technology and we present an array of research challenges and opportunities in the domain of volumetric video services. This survey aspires to provide a holistic understanding of this burgeoning field and shed light on potential future research trajectories, aiming to bring the vision of volumetric video to fruition.Comment: Submitte

Applied Visualization in the Neurosciences and the Enhancement of Visualization through Computer Graphics

The complexity and size of measured and simulated data in many fields of science is increasing constantly. The technical evolution allows for capturing smaller features and more complex structures in the data. To make this data accessible by the scientists, efficient and specialized visualization techniques are required. Maximum efficiency and value for the user can only be achieved by adapting visualization to the specific application area and the specific requirements of the scientific field. Part I: In the first part of my work, I address the visualization in the neurosciences. The neuroscience tries to understand the human brain; beginning at its smallest parts, up to its global infrastructure. To achieve this ambitious goal, the neuroscience uses a combination of three-dimensional data from a myriad of sources, like MRI, CT, or functional MRI. To handle this diversity of different data types and sources, the neuroscience need specialized and well evaluated visualization techniques. As a start, I will introduce an extensive software called \"OpenWalnut\". It forms the common base for developing and using visualization techniques with our neuroscientific collaborators. Using OpenWalnut, standard and novel visualization approaches are available to the neuroscientific researchers too. Afterwards, I am introducing a very specialized method to illustrate the causal relation of brain areas, which was, prior to that, only representable via abstract graph models. I will finalize the first part of my work with an evaluation of several standard visualization techniques in the context of simulated electrical fields in the brain. The goal of this evaluation was clarify the advantages and disadvantages of the used visualization techniques to the neuroscientific community. We exemplified these, using clinically relevant scenarios. Part II: Besides the data preprocessing, which plays a tremendous role in visualization, the final graphical representation of the data is essential to understand structure and features in the data. The graphical representation of data can be seen as the interface between the data and the human mind. The second part of my work is focused on the improvement of structural and spatial perception of visualization -- the improvement of the interface. Unfortunately, visual improvements using computer graphics methods of the computer game industry is often seen sceptically. In the second part, I will show that such methods can be applied to existing visualization techniques to improve spatiality and to emphasize structural details in the data. I will use a computer graphics paradigm called \"screen space rendering\". Its advantage, amongst others, is its seamless applicability to nearly every visualization technique. I will start with two methods that improve the perception of mesh-like structures on arbitrary surfaces. Those mesh structures represent second-order tensors and are generated by a method named \"TensorMesh\". Afterwards I show a novel approach to optimally shade line and point data renderings. With this technique it is possible for the first time to emphasize local details and global, spatial relations in dense line and point data.In vielen Bereichen der Wissenschaft nimmt die Größe und Komplexität von gemessenen und simulierten Daten zu. Die technische Entwicklung erlaubt das Erfassen immer kleinerer Strukturen und komplexerer Sachverhalte. Um solche Daten dem Menschen zugänglich zu machen, benötigt man effiziente und spezialisierte Visualisierungswerkzeuge. Nur die Anpassung der Visualisierung auf ein Anwendungsgebiet und dessen Anforderungen erlaubt maximale Effizienz und Nutzen für den Anwender. Teil I: Im ersten Teil meiner Arbeit befasse ich mich mit der Visualisierung im Bereich der Neurowissenschaften. Ihr Ziel ist es, das menschliche Gehirn zu begreifen; von seinen kleinsten Teilen bis hin zu seiner Gesamtstruktur. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen nutzt die Neurowissenschaft vor allem kombinierte, dreidimensionale Daten aus vielzähligen Quellen, wie MRT, CT oder funktionalem MRT. Um mit dieser Vielfalt umgehen zu können, benötigt man in der Neurowissenschaft vor allem spezialisierte und evaluierte Visualisierungsmethoden. Zunächst stelle ich ein umfangreiches Softwareprojekt namens \"OpenWalnut\" vor. Es bildet die gemeinsame Basis für die Entwicklung und Nutzung von Visualisierungstechniken mit unseren neurowissenschaftlichen Kollaborationspartnern. Auf dieser Basis sind klassische und neu entwickelte Visualisierungen auch für Neurowissenschaftler zugänglich. Anschließend stelle ich ein spezialisiertes Visualisierungsverfahren vor, welches es ermöglicht, den kausalen Zusammenhang zwischen Gehirnarealen zu illustrieren. Das war vorher nur durch abstrakte Graphenmodelle möglich. Den ersten Teil der Arbeit schließe ich mit einer Evaluation verschiedener Standardmethoden unter dem Blickwinkel simulierter elektrischer Felder im Gehirn ab. Das Ziel dieser Evaluation war es, der neurowissenschaftlichen Gemeinde die Vor- und Nachteile bestimmter Techniken zu verdeutlichen und anhand klinisch relevanter Fälle zu erläutern. Teil II: Neben der eigentlichen Datenvorverarbeitung, welche in der Visualisierung eine enorme Rolle spielt, ist die grafische Darstellung essenziell für das Verständnis der Strukturen und Bestandteile in den Daten. Die grafische Repräsentation von Daten bildet die Schnittstelle zum Gehirn des Menschen. Der zweite Teile meiner Arbeit befasst sich mit der Verbesserung der strukturellen und räumlichen Wahrnehmung in Visualisierungsverfahren -- mit der Verbesserung der Schnittstelle. Leider werden viele visuelle Verbesserungen durch Computergrafikmethoden der Spieleindustrie mit Argwohn beäugt. Im zweiten Teil meiner Arbeit werde ich zeigen, dass solche Methoden in der Visualisierung angewendet werden können um den räumlichen Eindruck zu verbessern und Strukturen in den Daten hervorzuheben. Dazu nutze ich ein in der Computergrafik bekanntes Paradigma: das \"Screen Space Rendering\". Dieses Paradigma hat den Vorteil, dass es auf nahezu jede existierende Visualiserungsmethode als Nachbearbeitunsgschritt angewendet werden kann. Zunächst führe ich zwei Methoden ein, die die Wahrnehmung von gitterartigen Strukturen auf beliebigen Oberflächen verbessern. Diese Gitter repräsentieren die Struktur von Tensoren zweiter Ordnung und wurden durch eine Methode namens \"TensorMesh\" erzeugt. Anschließend zeige ich eine neuartige Technik für die optimale Schattierung von Linien und Punktdaten. Mit dieser Technik ist es erstmals möglich sowohl lokale Details als auch globale räumliche Zusammenhänge in dichten Linien- und Punktdaten zu erfassen

Leveraging eXtented Reality & Human-Computer Interaction for User Experi- ence in 360◦ Video

EXtended Reality systems have resurged as a medium for work and entertainment. While 360o video has been characterized as less immersive than computer-generated VR, its realism, ease of use and affordability mean it is in widespread commercial use. Based on the prevalence and potential of the 360o video format, this research is focused on improving and augmenting the user experience of watching 360o video. By leveraging knowledge from Extented Reality (XR) systems and Human-Computer Interaction (HCI), this research addresses two issues affecting user experience in 360o video: Attention Guidance and Visually Induced Motion Sickness (VIMS). This research work relies on the construction of multiple artifacts to answer the de- fined research questions: (1) IVRUX, a tool for analysis of immersive VR narrative expe- riences; (2) Cue Control, a tool for creation of spatial audio soundtracks for 360o video, as well as enabling the collection and analysis of captured metrics emerging from the user experience; and (3) VIMS mitigation pipeline, a linear sequence of modules (including optical flow and visual SLAM among others) that control parameters for visual modi- fications such as a restricted Field of View (FoV). These artifacts are accompanied by evaluation studies targeting the defined research questions. Through Cue Control, this research shows that non-diegetic music can be spatialized to act as orientation for users. A partial spatialization of music was deemed ineffective when used for orientation. Addi- tionally, our results also demonstrate that diegetic sounds are used for notification rather than orientation. Through VIMS mitigation pipeline, this research shows that dynamic restricted FoV is statistically significant in mitigating VIMS, while mantaining desired levels of Presence. Both Cue Control and the VIMS mitigation pipeline emerged from a Research through Design (RtD) approach, where the IVRUX artifact is the product of de- sign knowledge and gave direction to research. The research presented in this thesis is of interest to practitioners and researchers working on 360o video and helps delineate future directions in making 360o video a rich design space for interaction and narrative.Sistemas de Realidade EXtendida ressurgiram como um meio de comunicação para o tra- balho e entretenimento. Enquanto que o vídeo 360o tem sido caracterizado como sendo menos imersivo que a Realidade Virtual gerada por computador, o seu realismo, facili- dade de uso e acessibilidade significa que tem uso comercial generalizado. Baseado na prevalência e potencial do formato de vídeo 360o, esta pesquisa está focada em melhorar e aumentar a experiência de utilizador ao ver vídeos 360o. Impulsionado por conhecimento de sistemas de Realidade eXtendida (XR) e Interacção Humano-Computador (HCI), esta pesquisa aborda dois problemas que afetam a experiência de utilizador em vídeo 360o: Orientação de Atenção e Enjoo de Movimento Induzido Visualmente (VIMS). Este trabalho de pesquisa é apoiado na construção de múltiplos artefactos para res- ponder as perguntas de pesquisa definidas: (1) IVRUX, uma ferramenta para análise de experiências narrativas imersivas em VR; (2) Cue Control, uma ferramenta para a criação de bandas sonoras de áudio espacial, enquanto permite a recolha e análise de métricas capturadas emergentes da experiencia de utilizador; e (3) canal para a mitigação de VIMS, uma sequência linear de módulos (incluindo fluxo ótico e SLAM visual entre outros) que controla parâmetros para modificações visuais como o campo de visão restringido. Estes artefactos estão acompanhados por estudos de avaliação direcionados para às perguntas de pesquisa definidas. Através do Cue Control, esta pesquisa mostra que música não- diegética pode ser espacializada para servir como orientação para os utilizadores. Uma espacialização parcial da música foi considerada ineficaz quando usada para a orientação. Adicionalmente, os nossos resultados demonstram que sons diegéticos são usados para notificação em vez de orientação. Através do canal para a mitigação de VIMS, esta pesquisa mostra que o campo de visão restrito e dinâmico é estatisticamente significante ao mitigar VIMS, enquanto mantem níveis desejados de Presença. Ambos Cue Control e o canal para a mitigação de VIMS emergiram de uma abordagem de Pesquisa através do Design (RtD), onde o artefacto IVRUX é o produto de conhecimento de design e deu direcção à pesquisa. A pesquisa apresentada nesta tese é de interesse para profissionais e investigadores tra- balhando em vídeo 360o e ajuda a delinear futuras direções em tornar o vídeo 360o um espaço de design rico para a interação e narrativa

Spatial Interaction for Immersive Mixed-Reality Visualizations

Growing amounts of data, both in personal and professional settings, have caused an increased interest in data visualization and visual analytics. Especially for inherently three-dimensional data, immersive technologies such as virtual and augmented reality and advanced, natural interaction techniques have been shown to facilitate data analysis. Furthermore, in such use cases, the physical environment often plays an important role, both by directly influencing the data and by serving as context for the analysis. Therefore, there has been a trend to bring data visualization into new, immersive environments and to make use of the physical surroundings, leading to a surge in mixed-reality visualization research. One of the resulting challenges, however, is the design of user interaction for these often complex systems. In my thesis, I address this challenge by investigating interaction for immersive mixed-reality visualizations regarding three core research questions: 1) What are promising types of immersive mixed-reality visualizations, and how can advanced interaction concepts be applied to them? 2) How does spatial interaction benefit these visualizations and how should such interactions be designed? 3) How can spatial interaction in these immersive environments be analyzed and evaluated? To address the first question, I examine how various visualizations such as 3D node-link diagrams and volume visualizations can be adapted for immersive mixed-reality settings and how they stand to benefit from advanced interaction concepts. For the second question, I study how spatial interaction in particular can help to explore data in mixed reality. There, I look into spatial device interaction in comparison to touch input, the use of additional mobile devices as input controllers, and the potential of transparent interaction panels. Finally, to address the third question, I present my research on how user interaction in immersive mixed-reality environments can be analyzed directly in the original, real-world locations, and how this can provide new insights. Overall, with my research, I contribute interaction and visualization concepts, software prototypes, and findings from several user studies on how spatial interaction techniques can support the exploration of immersive mixed-reality visualizations.Zunehmende Datenmengen, sowohl im privaten als auch im beruflichen Umfeld, führen zu einem zunehmenden Interesse an Datenvisualisierung und visueller Analyse. Insbesondere bei inhärent dreidimensionalen Daten haben sich immersive Technologien wie Virtual und Augmented Reality sowie moderne, natürliche Interaktionstechniken als hilfreich für die Datenanalyse erwiesen. Darüber hinaus spielt in solchen Anwendungsfällen die physische Umgebung oft eine wichtige Rolle, da sie sowohl die Daten direkt beeinflusst als auch als Kontext für die Analyse dient. Daher gibt es einen Trend, die Datenvisualisierung in neue, immersive Umgebungen zu bringen und die physische Umgebung zu nutzen, was zu einem Anstieg der Forschung im Bereich Mixed-Reality-Visualisierung geführt hat. Eine der daraus resultierenden Herausforderungen ist jedoch die Gestaltung der Benutzerinteraktion für diese oft komplexen Systeme. In meiner Dissertation beschäftige ich mich mit dieser Herausforderung, indem ich die Interaktion für immersive Mixed-Reality-Visualisierungen im Hinblick auf drei zentrale Forschungsfragen untersuche: 1) Was sind vielversprechende Arten von immersiven Mixed-Reality-Visualisierungen, und wie können fortschrittliche Interaktionskonzepte auf sie angewendet werden? 2) Wie profitieren diese Visualisierungen von räumlicher Interaktion und wie sollten solche Interaktionen gestaltet werden? 3) Wie kann räumliche Interaktion in diesen immersiven Umgebungen analysiert und ausgewertet werden? Um die erste Frage zu beantworten, untersuche ich, wie verschiedene Visualisierungen wie 3D-Node-Link-Diagramme oder Volumenvisualisierungen für immersive Mixed-Reality-Umgebungen angepasst werden können und wie sie von fortgeschrittenen Interaktionskonzepten profitieren. Für die zweite Frage untersuche ich, wie insbesondere die räumliche Interaktion bei der Exploration von Daten in Mixed Reality helfen kann. Dabei betrachte ich die Interaktion mit räumlichen Geräten im Vergleich zur Touch-Eingabe, die Verwendung zusätzlicher mobiler Geräte als Controller und das Potenzial transparenter Interaktionspanels. Um die dritte Frage zu beantworten, stelle ich schließlich meine Forschung darüber vor, wie Benutzerinteraktion in immersiver Mixed-Reality direkt in der realen Umgebung analysiert werden kann und wie dies neue Erkenntnisse liefern kann. Insgesamt trage ich mit meiner Forschung durch Interaktions- und Visualisierungskonzepte, Software-Prototypen und Ergebnisse aus mehreren Nutzerstudien zu der Frage bei, wie räumliche Interaktionstechniken die Erkundung von immersiven Mixed-Reality-Visualisierungen unterstützen können

Presence 2005: the eighth annual international workshop on presence, 21-23 September, 2005 University College London (Conference proceedings)

OVERVIEW (taken from the CALL FOR PAPERS) Academics and practitioners with an interest in the concept of (tele)presence are invited to submit their work for presentation at PRESENCE 2005 at University College London in London, England, September 21-23, 2005. The eighth in a series of highly successful international workshops, PRESENCE 2005 will provide an open discussion forum to share ideas regarding concepts and theories, measurement techniques, technology, and applications related to presence, the psychological state or subjective perception in which a person fails to accurately and completely acknowledge the role of technology in an experience, including the sense of 'being there' experienced by users of advanced media such as virtual reality. The concept of presence in virtual environments has been around for at least 15 years, and the earlier idea of telepresence at least since Minsky's seminal paper in 1980. Recently there has been a burst of funded research activity in this area for the first time with the European FET Presence Research initiative. What do we really know about presence and its determinants? How can presence be successfully delivered with today's technology? This conference invites papers that are based on empirical results from studies of presence and related issues and/or which contribute to the technology for the delivery of presence. Papers that make substantial advances in theoretical understanding of presence are also welcome. The interest is not solely in virtual environments but in mixed reality environments. Submissions will be reviewed more rigorously than in previous conferences. High quality papers are therefore sought which make substantial contributions to the field. Approximately 20 papers will be selected for two successive special issues for the journal Presence: Teleoperators and Virtual Environments. PRESENCE 2005 takes place in London and is hosted by University College London. The conference is organized by ISPR, the International Society for Presence Research and is supported by the European Commission's FET Presence Research Initiative through the Presencia and IST OMNIPRES projects and by University College London