Computational interaction techniques for 3D selection, manipulation and navigation in immersive VR

3D interaction provides a natural interplay for HCI. Many techniques involving diverse sets of hardware and software components have been proposed, which has generated an explosion of Interaction Techniques (ITes), Interactive Tasks (ITas) and input devices, increasing thus the heterogeneity of tools in 3D User Interfaces (3DUIs). Moreover, most of those techniques are based on general formulations that fail in fully exploiting human capabilities for interaction. This is because while 3D interaction enables naturalness, it also produces complexity and limitations when using 3DUIs. In this thesis, we aim to generate approaches that better exploit the high potential human capabilities for interaction by combining human factors, mathematical formalizations and computational methods. Our approach is focussed on the exploration of the close coupling between specific ITes and ITas while addressing common issues of 3D interactions. We specifically focused on the stages of interaction within Basic Interaction Tasks (BITas) i.e., data input, manipulation, navigation and selection. Common limitations of these tasks are: (1) the complexity of mapping generation for input devices, (2) fatigue in mid-air object manipulation, (3) space constraints in VR navigation; and (4) low accuracy in 3D mid-air selection. Along with two chapters of introduction and background, this thesis presents five main works. Chapter 3 focusses on the design of mid-air gesture mappings based on human tacit knowledge. Chapter 4 presents a solution to address user fatigue in mid-air object manipulation. Chapter 5 is focused on addressing space limitations in VR navigation. Chapter 6 describes an analysis and a correction method to address Drift effects involved in scale-adaptive VR navigation; and Chapter 7 presents a hybrid technique 3D/2D that allows for precise selection of virtual objects in highly dense environments (e.g., point clouds). Finally, we conclude discussing how the contributions obtained from this exploration, provide techniques and guidelines to design more natural 3DUIs

I’m sensing in the rain: spatial incongruity in visual-tactile mid-air stimulation can elicit ownership in VR users

Major virtual reality (VR) companies are trying to enhance the sense of immersion in virtual environments by implementing haptic feedback in their systems (e.g., Oculus Touch). It is known that tactile stimulation adds realism to a virtual environment. In addition, when users are not limited by wearing any attachments (e.g., gloves), it is even possible to create more immersive experiences. Mid-air haptic technology provides contactless haptic feedback and offers the potential for creating such immersive VR experiences. However, one of the limitations of mid-air haptics resides in the need for freehand tracking systems (e.g., Leap Motion) to deliver tactile feedback to the user's hand. These tracking systems are not accurate, limiting designers capability of delivering spatially precise tactile stimulation. Here, we investigated an alternative way to convey incongruent visual-tactile stimulation that can be used to create the illusion of a congruent visual-tactile experience, while participants experience the phenomenon of the rubber hand illusion in VR

I'm sensing in the rain: Spatial incongruity in visual-tactile mid-air stimulation can elicit ownership in VR users

Major virtual reality (VR) companies are trying to enhance the sense of immersion in virtual environments by implementing haptic feedback in their systems (e.g., Oculus Touch). It is known that tactile stimulation adds realism to a virtual environment. In addition, when users are not limited by wearing any attachments (e.g., gloves), it is even possible to create more immersive experiences. Mid-air haptic technology provides contactless haptic feedback and offers the potential for creating such immersive VR experiences. However, one of the limitations of mid-air haptics resides in the need for freehand tracking systems (e.g., Leap Motion) to deliver tactile feedback to the user's hand. These tracking systems are not accurate, limiting designers capability of delivering spatially precise tactile stimulation. Here, we investigated an alternative way to convey incongruent visual-tactile stimulation that can be used to create the illusion of a congruent visual-tactile experience, while participants experience the phenomenon of the rubber hand illusion in VR

Télé-opération Corps Complet de Robots Humanoïdes

This thesis aims to investigate systems and tools for teleoperating a humanoid robot. Robotteleoperation is crucial to send and control robots in environments that are dangerous or inaccessiblefor humans (e.g., disaster response scenarios, contaminated environments, or extraterrestrialsites). The term teleoperation most commonly refers to direct and continuous control of a robot.In this case, the human operator guides the motion of the robot with her/his own physical motionor through some physical input device. One of the main challenges is to control the robot in a waythat guarantees its dynamical balance while trying to follow the human references. In addition,the human operator needs some feedback about the state of the robot and its work site through remotesensors in order to comprehend the situation or feel physically present at the site, producingeffective robot behaviors. Complications arise when the communication network is non-ideal. Inthis case the commands from human to robot together with the feedback from robot to human canbe delayed. These delays can be very disturbing for the human operator, who cannot teleoperatetheir robot avatar in an effective way.Another crucial point to consider when setting up a teleoperation system is the large numberof parameters that have to be tuned to effectively control the teleoperated robots. Machinelearning approaches and stochastic optimizers can be used to automate the learning of some of theparameters.In this thesis, we proposed a teleoperation system that has been tested on the humanoid robotiCub. We used an inertial-technology-based motion capture suit as input device to control thehumanoid and a virtual reality headset connected to the robot cameras to get some visual feedback.We first translated the human movements into equivalent robot ones by developping a motionretargeting approach that achieves human-likeness while trying to ensure the feasibility of thetransferred motion. We then implemented a whole-body controller to enable the robot to trackthe retargeted human motion. The controller has been later optimized in simulation to achieve agood tracking of the whole-body reference movements, by recurring to a multi-objective stochasticoptimizer, which allowed us to find robust solutions working on the real robot in few trials.To teleoperate walking motions, we implemented a higher-level teleoperation mode in whichthe user can use a joystick to send reference commands to the robot. We integrated this setting inthe teleoperation system, which allows the user to switch between the two different modes.A major problem preventing the deployment of such systems in real applications is the presenceof communication delays between the human input and the feedback from the robot: evena few hundred milliseconds of delay can irremediably disturb the operator, let alone a few seconds.To overcome these delays, we introduced a system in which a humanoid robot executescommands before it actually receives them, so that the visual feedback appears to be synchronizedto the operator, whereas the robot executed the commands in the past. To do so, the robot continuouslypredicts future commands by querying a machine learning model that is trained on pasttrajectories and conditioned on the last received commands.Cette thèse vise à étudier des systèmes et des outils pour la télé-opération d’un robot humanoïde.La téléopération de robots est cruciale pour envoyer et contrôler les robots dans des environnementsdangereux ou inaccessibles pour les humains (par exemple, des scénarios d’interventionen cas de catastrophe, des environnements contaminés ou des sites extraterrestres). Le terme téléopérationdésigne le plus souvent le contrôle direct et continu d’un robot. Dans ce cas, l’opérateurhumain guide le mouvement du robot avec son propre mouvement physique ou via un dispositifde contrôle. L’un des principaux défis est de contrôler le robot de manière à garantir son équilibredynamique tout en essayant de suivre les références humaines. De plus, l’opérateur humain abesoin d’un retour d’information sur l’état du robot et de son site via des capteurs à distance afind’appréhender la situation ou de se sentir physiquement présent sur le site, produisant des comportementsde robot efficaces. Des complications surviennent lorsque le réseau de communicationn’est pas idéal. Dans ce cas, les commandes de l’homme au robot ainsi que la rétroaction du robotà l’homme peuvent être retardées. Ces délais peuvent être très gênants pour l’opérateur humain,qui ne peut pas télé-opérer efficacement son avatar robotique.Un autre point crucial à considérer lors de la mise en place d’un système de télé-opérationest le grand nombre de paramètres qui doivent être réglés pour contrôler efficacement les robotstélé-opérés. Des approches d’apprentissage automatique et des optimiseurs stochastiques peuventêtre utilisés pour automatiser l’apprentissage de certains paramètres.Dans cette thèse, nous avons proposé un système de télé-opération qui a été testé sur le robothumanoïde iCub. Nous avons utilisé une combinaison de capture de mouvement basée sur latechnologie inertielle comme périphérique de contrôle pour l’humanoïde et un casque de réalitévirtuelle connecté aux caméras du robot pour obtenir un retour visuel. Nous avons d’abord traduitles mouvements humains en mouvements robotiques équivalents en développant une approchede retargeting de mouvement qui atteint la ressemblance humaine tout en essayant d’assurer lafaisabilité du mouvement transféré. Nous avons ensuite implémenté un contrôleur du corps entierpour permettre au robot de suivre le mouvement humain reciblé. Le contrôleur a ensuite étéoptimisé en simulation pour obtenir un bon suivi des mouvements de référence du corps entier,en recourant à un optimiseur stochastique multi-objectifs, ce qui nous a permis de trouver dessolutions robustes fonctionnant sur le robot réel en quelques essais.Pour télé-opérer les mouvements de marche, nous avons implémenté un mode de télé-opérationde niveau supérieur dans lequel l’utilisateur peut utiliser un joystick pour envoyer des commandesde référence au robot. Nous avons intégré ce paramètre dans le système de télé-opération, ce quipermet à l’utilisateur de basculer entre les deux modes différents.Un problème majeur empêchant le déploiement de tels systèmes dans des applications réellesest la présence de retards de communication entre l’entrée humaine et le retour du robot: mêmequelques centaines de millisecondes de retard peuvent irrémédiablement perturber l’opérateur,encore plus quelques secondes. Pour surmonter ces retards, nous avons introduit un système danslequel un robot humanoïde exécute des commandes avant de les recevoir, de sorte que le retourvisuel semble être synchronisé avec l’opérateur, alors que le robot exécutait les commandes dansle passé. Pour ce faire, le robot prédit en permanence les commandes futures en interrogeant unmodèle d’apprentissage automatique formé sur les trajectoires passées et conditionné aux dernièrescommandes reçues

Advancing proxy-based haptic feedback in virtual reality

This thesis advances haptic feedback for Virtual Reality (VR). Our work is guided by Sutherland's 1965 vision of the ultimate display, which calls for VR systems to control the existence of matter. To push towards this vision, we build upon proxy-based haptic feedback, a technique characterized by the use of passive tangible props. The goal of this thesis is to tackle the central drawback of this approach, namely, its inflexibility, which yet hinders it to fulfill the vision of the ultimate display. Guided by four research questions, we first showcase the applicability of proxy-based VR haptics by employing the technique for data exploration. We then extend the VR system's control over users' haptic impressions in three steps. First, we contribute the class of Dynamic Passive Haptic Feedback (DPHF) alongside two novel concepts for conveying kinesthetic properties, like virtual weight and shape, through weight-shifting and drag-changing proxies. Conceptually orthogonal to this, we study how visual-haptic illusions can be leveraged to unnoticeably redirect the user's hand when reaching towards props. Here, we contribute a novel perception-inspired algorithm for Body Warping-based Hand Redirection (HR), an open-source framework for HR, and psychophysical insights. The thesis concludes by proving that the combination of DPHF and HR can outperform the individual techniques in terms of the achievable flexibility of the proxy-based haptic feedback.Diese Arbeit widmet sich haptischem Feedback für Virtual Reality (VR) und ist inspiriert von Sutherlands Vision des ultimativen Displays, welche VR-Systemen die Fähigkeit zuschreibt, Materie kontrollieren zu können. Um dieser Vision näher zu kommen, baut die Arbeit auf dem Konzept proxy-basierter Haptik auf, bei der haptische Eindrücke durch anfassbare Requisiten vermittelt werden. Ziel ist es, diesem Ansatz die für die Realisierung eines ultimativen Displays nötige Flexibilität zu verleihen. Dazu bearbeiten wir vier Forschungsfragen und zeigen zunächst die Anwendbarkeit proxy-basierter Haptik durch den Einsatz der Technik zur Datenexploration. Anschließend untersuchen wir in drei Schritten, wie VR-Systeme mehr Kontrolle über haptische Eindrücke von Nutzern erhalten können. Hierzu stellen wir Dynamic Passive Haptic Feedback (DPHF) vor, sowie zwei Verfahren, die kinästhetische Eindrücke wie virtuelles Gewicht und Form durch Gewichtsverlagerung und Veränderung des Luftwiderstandes von Requisiten vermitteln. Zusätzlich untersuchen wir, wie visuell-haptische Illusionen die Hand des Nutzers beim Greifen nach Requisiten unbemerkt umlenken können. Dabei stellen wir einen neuen Algorithmus zur Body Warping-based Hand Redirection (HR), ein Open-Source-Framework, sowie psychophysische Erkenntnisse vor. Abschließend zeigen wir, dass die Kombination von DPHF und HR proxy-basierte Haptik noch flexibler machen kann, als es die einzelnen Techniken alleine können

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

Multisensory Integration as per Technological Advances: A Review

Multisensory integration research has allowed us to better understand how humans integrate sensory information to produce a unitary experience of the external world. However, this field is often challenged by the limited ability to deliver and control sensory stimuli, especially when going beyond audio–visual events and outside laboratory settings. In this review, we examine the scope and challenges of new technology in the study of multisensory integration in a world that is increasingly characterized as a fusion of physical and digital/virtual events. We discuss multisensory integration research through the lens of novel multisensory technologies and, thus, bring research in human–computer interaction, experimental psychology, and neuroscience closer together. Today, for instance, displays have become volumetric so that visual content is no longer limited to 2D screens, new haptic devices enable tactile stimulation without physical contact, olfactory interfaces provide users with smells precisely synchronized with events in virtual environments, and novel gustatory interfaces enable taste perception through levitating stimuli. These technological advances offer new ways to control and deliver sensory stimulation for multisensory integration research beyond traditional laboratory settings and open up new experimentations in naturally occurring events in everyday life experiences. Our review then summarizes these multisensory technologies and discusses initial insights to introduce a bridge between the disciplines in order to advance the study of multisensory integration