Spherical tangible user interfaces in mixed reality

The popularity of virtual reality (VR) and augmented reality (AR) has grown rapidly in recent years, both in academia and commercial applications. This is rooted in technological advances and affordable head-mounted displays (HMDs). Whether in games or professional applications, HMDs allow for immersive audio-visual experiences that transport users to compelling digital worlds or convincingly augment the real world. However, as true to life as these experiences have become in a visual and auditory sense, the question remains how we can model interaction with these virtual environments in an equally natural way. Solutions providing intuitive tangible interaction would bear the potential to fundamentally make the mixed reality (MR) spectrum more accessible, especially for novice users. Research on tangible user interfaces (TUIs) has pursued this goal by coupling virtual to real-world objects. Tangible interaction has been shown to provide significant advantages for numerous use cases. Spherical tangible user interfaces (STUIs) present a special case of these devices, mainly due to their ability to fully embody any spherical virtual content. In general, spherical devices increasingly transition from mere technology demonstrators to usable multi-modal interfaces. For this dissertation, we explore the application of STUIs in MR environments primarily by comparing them to state-of-the-art input techniques in four different contexts. Thus, investigating the questions of embodiment, overall user performance, and the ability of STUIs relying on their shape alone to support complex interaction techniques. First, we examine how spherical devices can embody immersive visualizations. In an initial study, we test the practicality of a tracked sphere embodying three kinds of visualizations. We examine simulated multi-touch interaction on a spherical surface and compare two different sphere sizes to VR controllers. Results confirmed our prototype's viability and indicate improved pattern recognition and advantages for the smaller sphere. Second, to further substantiate VR as a prototyping technology, we demonstrate how a large tangible spherical display can be simulated in VR. We show how VR can fundamentally extend the capabilities of real spherical displays by adding physical rotation to a simulated multi-touch surface. After a first study evaluating the general viability of simulating such a display in VR, our second study revealed the superiority of a rotating spherical display. Third, we present a concept for a spherical input device for tangible AR (TAR). We show how such a device can provide basic object manipulation capabilities utilizing two different modes and compare it to controller techniques with increasing hardware complexity. Our results show that our button-less sphere-based technique is only outperformed by a mode-less controller variant that uses physical buttons and a touchpad. Fourth, to study the intrinsic problem of VR locomotion, we explore two opposing approaches: a continuous and a discrete technique. For the first, we demonstrate a spherical locomotion device supporting two different locomotion paradigms that propel a user's first-person avatar accordingly. We found that a position control paradigm applied to a sphere performed mostly superior in comparison to button-supported controller interaction. For discrete locomotion, we evaluate the concept of a spherical world in miniature (SWIM) used for avatar teleportation in a large virtual environment. Results showed that users subjectively preferred the sphere-based technique over regular controllers and on average, achieved lower task times and higher accuracy. To conclude the thesis, we discuss our findings, insights, and subsequent contribution to our central research questions to derive recommendations for designing techniques based on spherical input devices and an outlook on the future development of spherical devices in the mixed reality spectrum.Die Popularität von Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) hat in den letzten Jahren rasant zugenommen, sowohl im akademischen Bereich als auch bei kommerziellen Anwendungen. Dies ist in erster Linie auf technologische Fortschritte und erschwingliche Head-Mounted Displays (HMDs) zurückzuführen. Ob in Spielen oder professionellen Anwendungen, HMDs ermöglichen immersive audiovisuelle Erfahrungen, die uns in fesselnde digitale Welten versetzen oder die reale Welt überzeugend erweitern. Doch so lebensecht diese Erfahrungen in visueller und auditiver Hinsicht geworden sind, so bleibt doch die Frage, wie die Interaktion mit diesen virtuellen Umgebungen auf ebenso natürliche Weise gestaltet werden kann. Lösungen, die eine intuitive, greifbare Interaktion ermöglichen, hätten das Potenzial, das Spektrum der Mixed Reality (MR) fundamental zugänglicher zu machen, insbesondere für Unerfahrene. Die Forschung an Tangible User Interfaces (TUIs) hat dieses Ziel durch das Koppeln virtueller und realer Objekte verfolgt und so hat sich gezeigt, dass greifbare Interaktion für zahlreiche Anwendungsfälle signifikante Vorteile bietet. Spherical Tangible User Interfaces (STUIs) stellen einen Spezialfall von greifbaren Interfaces dar, insbesondere aufgrund ihrer Fähigkeit, beliebige sphärische virtuelle Inhalte vollständig verkörpern zu können. Generell entwickeln sich sphärische Geräte zunehmend von reinen Technologiedemonstratoren zu nutzbaren multimodalen Instrumenten, die auf eine breite Palette von Interaktionstechniken zurückgreifen können. Diese Dissertation untersucht primär die Anwendung von STUIs in MR-Umgebungen durch einen Vergleich mit State-of-the-Art-Eingabetechniken in vier verschiedenen Kontexten. Dies ermöglicht die Erforschung der Bedeutung der Verkörperung virtueller Objekte, der Benutzerleistung im Allgemeinen und der Fähigkeit von STUIs, die sich lediglich auf ihre Form verlassen, komplexe Interaktionstechniken zu unterstützen. Zunächst erforschen wir, wie sphärische Geräte immersive Visualisierungen verkörpern können. Eine erste Studie ergründet die Praxistauglichkeit einer einfach konstruierten, getrackten Kugel, die drei Arten von Visualisierungen verkörpert. Wir testen simulierte Multi-Touch-Interaktion auf einer sphärischen Oberfläche und vergleichen zwei Kugelgrößen mit VR-Controllern. Die Ergebnisse bestätigten die Praxistauglichkeit des Prototyps und deuten auf verbesserte Mustererkennung sowie Vorteile für die kleinere Kugel hin. Zweitens, um die Validität von VR als Prototyping-Technologie zu bekräftigen, demonstrieren wir, wie ein großes, anfassbares sphärisches Display in VR simuliert werden kann. Es zeigt sich, wie VR die Möglichkeiten realer sphärischer Displays substantiell erweitern kann, indem eine simulierte Multi-Touch-Oberfläche um die Fähigkeit der physischen Rotation ergänzt wird. Nach einer ersten Studie, die die generelle Machbarkeit der Simulation eines solchen Displays in VR evaluiert, zeigte eine zweite Studie die Überlegenheit des drehbaren sphärischen Displays. Drittens präsentiert diese Arbeit ein Konzept für ein sphärisches Eingabegerät für Tangible AR (TAR). Wir zeigen, wie ein solches Werkzeug grundlegende Fähigkeiten zur Objektmanipulation unter Verwendung von zwei verschiedenen Modi bereitstellen kann und vergleichen es mit Eingabetechniken deren Hardwarekomplexität zunehmend steigt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die kugelbasierte Technik, die ohne Knöpfe auskommt, nur von einer Controller-Variante übertroffen wird, die physische Knöpfe und ein Touchpad verwendet und somit nicht auf unterschiedliche Modi angewiesen ist. Viertens, um das intrinsische Problem der Fortbewegung in VR zu erforschen, untersuchen wir zwei gegensätzliche Ansätze: eine kontinuierliche und eine diskrete Technik. Für die erste präsentieren wir ein sphärisches Eingabegerät zur Fortbewegung, das zwei verschiedene Paradigmen unterstützt, die einen First-Person-Avatar entsprechend bewegen. Es zeigte sich, dass das Paradigma der direkten Positionssteuerung, angewandt auf einen Kugel-Controller, im Vergleich zu regulärer Controller-Interaktion, die zusätzlich auf physische Knöpfe zurückgreifen kann, meist besser abschneidet. Im Bereich der diskreten Fortbewegung evaluieren wir das Konzept einer kugelförmingen Miniaturwelt (Spherical World in Miniature, SWIM), die für die Avatar-Teleportation in einer großen virtuellen Umgebung verwendet werden kann. Die Ergebnisse zeigten eine subjektive Bevorzugung der kugelbasierten Technik im Vergleich zu regulären Controllern und im Durchschnitt eine schnellere Lösung der Aufgaben sowie eine höhere Genauigkeit. Zum Abschluss der Arbeit diskutieren wir unsere Ergebnisse, Erkenntnisse und die daraus resultierenden Beiträge zu unseren zentralen Forschungsfragen, um daraus Empfehlungen für die Gestaltung von Techniken auf Basis kugelförmiger Eingabegeräte und einen Ausblick auf die mögliche zukünftige Entwicklung sphärischer Eingabegräte im Mixed-Reality-Bereich abzuleiten

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

Augmented reality meeting table: a novel multi-user interface for architectural design

Immersive virtual environments have received widespread attention as providing possible replacements for the media and systems that designers traditionally use, as well as, more generally, in providing support for collaborative work. Relatively little attention has been given to date however to the problem of how to merge immersive virtual environments into real world work settings, and so to add to the media at the disposal of the designer and the design team, rather than to replace it. In this paper we report on a research project in which optical see-through augmented reality displays have been developed together with prototype decision support software for architectural and urban design. We suggest that a critical characteristic of multi user augmented reality is its ability to generate visualisations from a first person perspective in which the scale of rendition of the design model follows many of the conventions that designers are used to. Different scales of model appear to allow designers to focus on different aspects of the design under consideration. Augmenting the scene with simulations of pedestrian movement appears to assist both in scale recognition, and in moving from a first person to a third person understanding of the design. This research project is funded by the European Commission IST program (IST-2000-28559)

Multimodal augmented reality tangible gaming

This paper presents tangible augmented reality gaming environment that can be used to enhance entertainment using a multimodal tracking interface. Players can interact using different combinations between a pinch glove, a Wiimote, a six-degrees-of-freedom tracker, through tangible ways as well as through I/O controls. Two tabletop augmented reality games have been designed and implemented including a racing game and a pile game. The goal of the augmented reality racing game is to start the car and move around the track without colliding with either the wall or the objects that exist in the gaming arena. Initial evaluation results showed that multimodal-based interaction games can be beneficial in gaming. Based on these results, an augmented reality pile game was implemented with goal of completing a circuit of pipes (from a starting point to an end point on a grid). Initial evaluation showed that tangible interaction is preferred to keyboard interaction and that tangible games are much more enjoyable

Breaking the Screen: Interaction Across Touchscreen Boundaries in Virtual Reality for Mobile Knowledge Workers.

Virtual Reality (VR) has the potential to transform knowledge work. One advantage of VR knowledge work is that it allows extending 2D displays into the third dimension, enabling new operations, such as selecting overlapping objects or displaying additional layers of information. On the other hand, mobile knowledge workers often work on established mobile devices, such as tablets, limiting interaction with those devices to a small input space. This challenge of a constrained input space is intensified in situations when VR knowledge work is situated in cramped environments, such as airplanes and touchdown spaces. In this paper, we investigate the feasibility of interacting jointly between an immersive VR head-mounted display and a tablet within the context of knowledge work. Specifically, we 1) design, implement and study how to interact with information that reaches beyond a single physical touchscreen in VR; 2) design and evaluate a set of interaction concepts; and 3) build example applications and gather user feedback on those applications.Comment: 10 pages, 8 figures, ISMAR 202

Light on horizontal interactive surfaces: Input space for tabletop computing

In the last 25 years we have witnessed the rise and growth of interactive tabletop research, both in academic and in industrial settings. The rising demand for the digital support of human activities motivated the need to bring computational power to table surfaces. In this article, we review the state of the art of tabletop computing, highlighting core aspects that frame the input space of interactive tabletops: (a) developments in hardware technologies that have caused the proliferation of interactive horizontal surfaces and (b) issues related to new classes of interaction modalities (multitouch, tangible, and touchless). A classification is presented that aims to give a detailed view of the current development of this research area and define opportunities and challenges for novel touch- and gesture-based interactions between the human and the surrounding computational environment. © 2014 ACM.This work has been funded by Integra (Amper Sistemas and CDTI, Spanish Ministry of Science and Innovation) and TIPEx (TIN2010-19859-C03-01) projects and Programa de Becas y Ayudas para la Realización de Estudios Oficiales de Máster y Doctorado en la Universidad Carlos III de Madrid, 2010

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

Interactive form creation: exploring the creation and manipulation of free form through the use of interactive multiple input interface

Most current CAD systems support only the two most common input devices: a mouse and a keyboard that impose a limit to the degree of interaction that a user can have with the system. However, it is not uncommon for users to work together on the same computer during a collaborative task. Beside that, people tend to use both hands to manipulate 3D objects; one hand is used to orient the object while the other hand is used to perform some operation on the object. The same things could be applied to computer modelling in the conceptual phase of the design process. A designer can rotate and position an object with one hand, and manipulate the shape [deform it] with the other hand. Accordingly, the 3D object can be easily and intuitively changed through interactive manipulation of both hands.The research investigates the manipulation and creation of free form geometries through the use of interactive interfaces with multiple input devices. First the creation of the 3D model will be discussed; several different types of models will be illustrated. Furthermore, different tools that allow the user to control the 3D model interactively will be presented. Three experiments were conducted using different interactive interfaces; two bi-manual techniques were compared with the conventional one-handed approach. Finally it will be demonstrated that the use of new and multiple input devices can offer many opportunities for form creation. The problem is that few, if any, systems make it easy for the user or the programmer to use new input devices