Study of the interaction with a virtual 3D environment displayed on a smartphone

Les environnements virtuels à 3D (EV 3D) sont de plus en plus utilisés dans différentes applications telles que la CAO, les jeux ou la téléopération. L'évolution des performances matérielles des Smartphones a conduit à l'introduction des applications 3D sur les appareils mobiles. En outre, les Smartphones offrent de nouvelles capacités bien au-delà de la communication vocale traditionnelle qui sont consentis par l'intégrité d'une grande variété de capteurs et par la connectivité via Internet. En conséquence, plusieurs intéressantes applications 3D peuvent être conçues en permettant aux capacités de l'appareil d'interagir dans un EV 3D. Sachant que les Smartphones ont de petits et aplatis écrans et que EV 3D est large, dense et contenant un grand nombre de cibles de tailles différentes, les appareils mobiles présentent certaines contraintes d'interaction dans l'EV 3D comme : la densité de l'environnement, la profondeur de cibles et l'occlusion. La tâche de sélection fait face à ces trois problèmes pour sélectionner une cible. De plus, la tâche de sélection peut être décomposée en trois sous-tâches : la Navigation, le Pointage et la Validation. En conséquence, les chercheurs dans un environnement virtuel 3D ont développé de nouvelles techniques et métaphores pour l'interaction en 3D afin d'améliorer l'utilisation des applications 3D sur les appareils mobiles, de maintenir la tâche de sélection et de faire face aux problèmes ou facteurs affectant la performance de sélection. En tenant compte de ces considérations, cette thèse expose un état de l'art des techniques de sélection existantes dans un EV 3D et des techniques de sélection sur Smartphone. Il expose les techniques de sélection dans un EV 3D structurées autour des trois sous-tâches de sélection: navigation, pointage et validation. En outre, il décrit les techniques de désambiguïsation permettant de sélectionner une cible parmi un ensemble d'objets présélectionnés. Ultérieurement, il expose certaines techniques d'interaction décrites dans la littérature et conçues pour être implémenter sur un Smartphone. Ces techniques sont divisées en deux groupes : techniques effectuant des tâches de sélection bidimensionnelle sur un Smartphone et techniques exécutant des tâches de sélection tridimensionnelle sur un Smartphone. Enfin, nous exposons les techniques qui utilisaient le Smartphone comme un périphérique de saisie. Ensuite, nous discuterons la problématique de sélection dans un EV 3D affichée sur un Smartphone. Il expose les trois problèmes identifiés de sélection : la densité de l'environnement, la profondeur des cibles et l'occlusion. Ensuite, il établit l'amélioration offerte par chaque technique existante pour la résolution des problèmes de sélection. Il analyse les atouts proposés par les différentes techniques, la manière dont ils éliminent les problèmes, leurs avantages et leurs inconvénients. En outre, il illustre la classification des techniques de sélection pour un EV 3D en fonction des trois problèmes discutés (densité, profondeur et occlusion) affectant les performances de sélection dans un environnement dense à 3D. Hormis pour les jeux vidéo, l'utilisation d'environnement virtuel 3D sur Smartphone n'est pas encore démocratisée. Ceci est dû au manque de techniques d'interaction proposées pour interagir avec un dense EV 3D composé de nombreux objets proches les uns des autres et affichés sur un petit écran aplati et les problèmes de sélection pour afficher l' EV 3D sur un petit écran plutôt sur un grand écran. En conséquence, cette thèse se concentre sur la proposition et la description du fruit de cette étude : la technique d'interaction DichotoZoom. Elle compare et évalue la technique proposée à la technique de circulation suggérée par la littérature. L'analyse comparative montre l'efficacité de la technique DichotoZoom par rapport à sa contrepartie. Ensuite, DichotoZoom a été évalué selon les différentes modalités d'interaction disponibles sur les Smartphones. Cette évaluation montre la performance de la technique de sélection proposée basée sur les quatre modalités d'interaction suivantes : utilisation de boutons physiques ou sous forme de composants graphiques, utilisation d'interactions gestuelles via l'écran tactile ou le déplacement de l'appareil lui-même. Enfin, cette thèse énumère nos contributions dans le domaine des techniques d'interaction 3D utilisées dans un environnement virtuel 3D dense affiché sur de petits écrans et propose des travaux futurs.3D Virtual Environments (3D VE) are more and more used in different applications such as CAD, games, or teleoperation. Due to the improvement of smartphones hardware performance, 3D applications were also introduced to mobile devices. In addition, smartphones provide new computing capabilities far beyond the traditional voice communication. They are permitted by the variety of built-in sensors and the internet connectivity. In consequence, interesting 3D applications can be designed by enabling the device capabilities to interact in a 3D VE. Due to the fact that smartphones have small and flat screens and that a 3D VE is wide and dense with a large number of targets of various sizes, mobile devices present some constraints in interacting on the 3D VE like: the environment density, the depth of targets and the occlusion. The selection task faces these three problems to select a target. In addition, the selection task can be decomposed into three subtasks: Navigation, Pointing and Validation. In consequence, researchers in 3D virtual environment have developed new techniques and metaphors for 3D interaction to improve 3D application usability on mobile devices, to support the selection task and to face the problems or factors affecting selection performance. In light of these considerations, this thesis exposes a state of the art of the existing selection techniques in 3D VE and the selection techniques on smartphones. It exposes the selection techniques in 3D VE structured around the selection subtasks: navigation, pointing and validation. Moreover, it describes disambiguation techniques providing the selection of a target from a set of pre-selected objects. Afterward, it exposes some interaction techniques described in literature and designed for implementation on Smartphone. These techniques are divided into two groups: techniques performing two-dimensional selection tasks on smartphones, and techniques performing three-dimensional selection tasks on smartphones. Finally, we expose techniques that used the smartphone as an input device. Then, we will discuss the problematic of selecting in 3D VE displayed on a Smartphone. It exposes the three identified selection problems: the environment density, the depth of targets and the occlusion. Afterward, it establishes the enhancement offered by each existing technique in solving the selection problems. It analysis the assets proposed by different techniques, the way they eliminates the problems, their advantages and their inconvenient. Furthermore, it illustrates the classification of the selection techniques for 3D VE according to the three discussed problems (density, depth and occlusion) affecting the selection performance in a dense 3D VE. Except for video games, the use of 3D virtual environment (3D VE) on Smartphone has not yet been popularized. This is due to the lack of interaction techniques to interact with a dense 3D VE composed of many objects close to each other and displayed on a small and flat screen and the selection problems to display the 3D VE on a small screen rather on a large screen. Accordingly, this thesis focuses on defining and describing the fruit of this study: DichotoZoom interaction technique. It compares and evaluates the proposed technique to the Circulation technique, suggested by the literature. The comparative analysis shows the effectiveness of DichotoZoom technique compared to its counterpart. Then, DichotoZoom was evaluated in different modalities of interaction available on Smartphones. It reports on the performance of the proposed selection technique based on the following four interaction modalities: using physical buttons, using graphical buttons, using gestural interactions via touchscreen or moving the device itself. Finally, this thesis lists our contributions to the field of 3D interaction techniques used in a dense 3D virtual environment displayed on small screens and proposes some future works

Evaluating 3D pointing techniques

"This dissertation investigates various issues related to the empirical evaluation of 3D pointing interfaces. In this context, the term ""3D pointing"" is appropriated from analogous 2D pointing literature to refer to 3D point selection tasks, i.e., specifying a target in three-dimensional space. Such pointing interfaces are required for interaction with virtual 3D environments, e.g., in computer games and virtual reality. Researchers have developed and empirically evaluated many such techniques. Yet, several technical issues and human factors complicate evaluation. Moreover, results tend not to be directly comparable between experiments, as these experiments usually use different methodologies and measures. Based on well-established methods for comparing 2D pointing interfaces this dissertation investigates different aspects of 3D pointing. The main objective of this work is to establish methods for the direct and fair comparisons between 2D and 3D pointing interfaces. This dissertation proposes and then validates an experimental paradigm for evaluating 3D interaction techniques that rely on pointing. It also investigates some technical considerations such as latency and device noise. Results show that the mouse outperforms (between 10% and 60%) other 3D input techniques in all tested conditions. Moreover, a monoscopic cursor tends to perform better than a stereo cursor when using stereo display, by as much as 30% for deep targets. Results suggest that common 3D pointing techniques are best modelled by first projecting target parameters (i.e., distance and size) to the screen plane.

Designing ray-pointing using real hand and touch-based in handheld augmented reality for object selection

Augmented Reality (AR) have been widely explored worldwide for their potential as a technology that enhances information representation. As technology progresses, smartphones (handheld devices) now have sophisticated processors and cameras for capturing static photographs and video, as well as a variety of sensors for tracking the user's position, orientation, and motion. Hence, this paper would discuss a finger-ray pointing technique in real-time for interaction in handheld AR and comparing the technique with the conventional technique in handheld, touch-screen interaction. The aim of this paper is to explore the ray pointing interaction in handheld AR for 3D object selection. Previous works in handheld AR and also covers Mixed Reality (MR) have been recapped

PORTAL: Portal Widget for Remote Target Acquisition and Control in Immersive Virtual Environments

This paper introduces PORTAL (POrtal widget for Remote Target Acquisition and controL) that allows the user to interact with out-of-reach objects in a virtual environment. We describe the PORTAL interaction technique for placing a portal widget and interacting with target objects through the portal. We conduct two formal user studies to evaluate PORTAL for selection and manipulation functionalities. The results show PORTAL supports participants to interact with remote objects successfully and precisely. Following that, we discuss its potential and limitations, and future works

Mobile graphics: SIGGRAPH Asia 2017 course

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Real-time hybrid cutting with dynamic fluid visualization for virtual surgery

It is widely accepted that a reform in medical teaching must be made to meet today's high volume training requirements. Virtual simulation offers a potential method of providing such trainings and some current medical training simulations integrate haptic and visual feedback to enhance procedure learning. The purpose of this project is to explore the capability of Virtual Reality (VR) technology to develop a training simulator for surgical cutting and bleeding in a general surgery

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