MetaSpace II: Object and full-body tracking for interaction and navigation in social VR

MetaSpace II (MS2) is a social Virtual Reality (VR) system where multiple users can not only see and hear but also interact with each other, grasp and manipulate objects, walk around in space, and get tactile feedback. MS2 allows walking in physical space by tracking each user's skeleton in real-time and allows users to feel by employing passive haptics i.e., when users touch or manipulate an object in the virtual world, they simultaneously also touch or manipulate a corresponding object in the physical world. To enable these elements in VR, MS2 creates a correspondence in spatial layout and object placement by building the virtual world on top of a 3D scan of the real world. Through the association between the real and virtual world, users are able to walk freely while wearing a head-mounted device, avoid obstacles like walls and furniture, and interact with people and objects. Most current virtual reality (VR) environments are designed for a single user experience where interactions with virtual objects are mediated by hand-held input devices or hand gestures. Additionally, users are only shown a representation of their hands in VR floating in front of the camera as seen from a first person perspective. We believe, representing each user as a full-body avatar that is controlled by natural movements of the person in the real world (see Figure 1d), can greatly enhance believability and a user's sense immersion in VR.Comment: 10 pages, 9 figures. Video: http://living.media.mit.edu/projects/metaspace-ii

Developing a Framework for Heterotopias as Discursive Playgrounds: A Comparative Analysis of Non-Immersive and Immersive Technologies

The discursive space represents the reordering of knowledge gained through accumulation. In the digital age, multimedia has become the language of information, and the space for archival practices is provided by non-immersive technologies, resulting in the disappearance of several layers from discursive activities. Heterotopias are unique, multilayered epistemic contexts that connect other systems through the exchange of information. This paper describes a process to create a framework for Virtual Reality, Mixed Reality, and personal computer environments based on heterotopias to provide absent layers. This study provides virtual museum space as an informational terrain that contains a "world within worlds" and presents place production as a layer of heterotopia and the subject of discourse. Automation for the individual multimedia content is provided via various sorting and grouping algorithms, and procedural content generation algorithms such as Binary Space Partitioning, Cellular Automata, Growth Algorithm, and Procedural Room Generation. Versions of the framework were comparatively evaluated through a user study involving 30 participants, considering factors such as usability, technology acceptance, and presence. The results of the study show that the framework can serve diverse contexts to construct multilayered digital habitats and is flexible for integration into professional and daily life practices

The Urban CoCreation Lab—An Integrated Platform for Remote and Simultaneous Collaborative Urban Planning and Design through Web-Based Desktop 3D Modeling, Head-Mounted Virtual Reality and Mobile Augmented Reality: Prototyping a Minimum Viable Product and Developing Specifications for a Minimum Marketable Product

Both policy and research highlight the importance of diverse stakeholder input in urban development processes but visualizing future built environments and creating two-way design communication for non-expert stakeholders are challenging. The present study develops an intuitive and simplified 3D modeling platform that integrates web-based desktop, virtual reality and mobile augmented reality technologies for remote simultaneous urban design collaboration. Through iterative prototyping, based on two series of workshops with stakeholders, the study resulted in such an integrated platform as a minimum viable product as well as specifications for a minimum marketable product to be used in real projects. Further study is required to evaluate the minimum level of detail in the 3D modeling necessary for good perception of scale and environmental impact simulation

In-home and remote use of robotic body surrogates by people with profound motor deficits

By controlling robots comparable to the human body, people with profound motor deficits could potentially perform a variety of physical tasks for themselves, improving their quality of life. The extent to which this is achievable has been unclear due to the lack of suitable interfaces by which to control robotic body surrogates and a dearth of studies involving substantial numbers of people with profound motor deficits. We developed a novel, web-based augmented reality interface that enables people with profound motor deficits to remotely control a PR2 mobile manipulator from Willow Garage, which is a human-scale, wheeled robot with two arms. We then conducted two studies to investigate the use of robotic body surrogates. In the first study, 15 novice users with profound motor deficits from across the United States controlled a PR2 in Atlanta, GA to perform a modified Action Research Arm Test (ARAT) and a simulated self-care task. Participants achieved clinically meaningful improvements on the ARAT and 12 of 15 participants (80%) successfully completed the simulated self-care task. Participants agreed that the robotic system was easy to use, was useful, and would provide a meaningful improvement in their lives. In the second study, one expert user with profound motor deficits had free use of a PR2 in his home for seven days. He performed a variety of self-care and household tasks, and also used the robot in novel ways. Taking both studies together, our results suggest that people with profound motor deficits can improve their quality of life using robotic body surrogates, and that they can gain benefit with only low-level robot autonomy and without invasive interfaces. However, methods to reduce the rate of errors and increase operational speed merit further investigation.Comment: 43 Pages, 13 Figure

Around-Body Interaction: Leveraging Limb Movements for Interacting in a Digitally Augmented Physical World

Recent technological advances have made head-mounted displays (HMDs) smaller and untethered, fostering the vision of ubiquitous interaction with information in a digitally augmented physical world. For interacting with such devices, three main types of input - besides not very intuitive finger gestures - have emerged so far: 1) Touch input on the frame of the devices or 2) on accessories (controller) as well as 3) voice input. While these techniques have both advantages and disadvantages depending on the current situation of the user, they largely ignore the skills and dexterity that we show when interacting with the real world: Throughout our lives, we have trained extensively to use our limbs to interact with and manipulate the physical world around us. This thesis explores how the skills and dexterity of our upper and lower limbs, acquired and trained in interacting with the real world, can be transferred to the interaction with HMDs. Thus, this thesis develops the vision of around-body interaction, in which we use the space around our body, defined by the reach of our limbs, for fast, accurate, and enjoyable interaction with such devices. This work contributes four interaction techniques, two for the upper limbs and two for the lower limbs: The first contribution shows how the proximity between our head and hand can be used to interact with HMDs. The second contribution extends the interaction with the upper limbs to multiple users and illustrates how the registration of augmented information in the real world can support cooperative use cases. The third contribution shifts the focus to the lower limbs and discusses how foot taps can be leveraged as an input modality for HMDs. The fourth contribution presents how lateral shifts of the walking path can be exploited for mobile and hands-free interaction with HMDs while walking.Comment: thesi

Evaluation of Smartphone-based interaction techniques in a CAVE in the context of immersive digital project review

Immersive digital project reviews consist in using virtual reality (VR) as a tool for discussion between various stakeholders of a project. In the automotive industry, the digital car prototype model is the common thread that binds them. It is used during immersive digital project reviews between designers, engineers, ergonomists, etc. The digital mockup is also used to assess future car architecture, habitability or perceived quality requirements with the aim to reduce using physical mockups for optimized cost, delay and quality efficiency. Among the difficulties identified by the users, handling the mockup is a major one. Inspired by current uses of nomad devices (multi-touch gestures, IPhone UI look’n’feel and AR applications), we designed a navigation technique taking advantage of these popular input devices: Space scrolling allows moving around the mockup. In this paper, we present the results of a study we conducted on the usability and acceptability of the proposed smartphone-based interaction metaphor compared to traditional technique and we provide indications of the most efficient choices for different use-cases accordingly. It was carried out in a traditional 4-sided CAVE and its purpose is to assess a chosen set of interaction techniques to be implemented in Renault’s new 5-sides 4K x 4K wall high performance CAVE. The proposed new metaphor using nomad devices is well accepted by novice VR users and future implementation should allow an efficient industrial use. Their use is an easy and user friendly alternative of the existing traditional control devices such as a joystick

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

Indoor Mapping and Reconstruction with Mobile Augmented Reality Sensor Systems

Augmented Reality (AR) ermöglicht es, virtuelle, dreidimensionale Inhalte direkt innerhalb der realen Umgebung darzustellen. Anstatt jedoch beliebige virtuelle Objekte an einem willkürlichen Ort anzuzeigen, kann AR Technologie auch genutzt werden, um Geodaten in situ an jenem Ort darzustellen, auf den sich die Daten beziehen. Damit eröffnet AR die Möglichkeit, die reale Welt durch virtuelle, ortbezogene Informationen anzureichern. Im Rahmen der vorliegenen Arbeit wird diese Spielart von AR als "Fused Reality" definiert und eingehend diskutiert. Der praktische Mehrwert, den dieses Konzept der Fused Reality bietet, lässt sich gut am Beispiel seiner Anwendung im Zusammenhang mit digitalen Gebäudemodellen demonstrieren, wo sich gebäudespezifische Informationen - beispielsweise der Verlauf von Leitungen und Kabeln innerhalb der Wände - lagegerecht am realen Objekt darstellen lassen. Um das skizzierte Konzept einer Indoor Fused Reality Anwendung realisieren zu können, müssen einige grundlegende Bedingungen erfüllt sein. So kann ein bestimmtes Gebäude nur dann mit ortsbezogenen Informationen augmentiert werden, wenn von diesem Gebäude ein digitales Modell verfügbar ist. Zwar werden größere Bauprojekt heutzutage oft unter Zuhilfename von Building Information Modelling (BIM) geplant und durchgeführt, sodass ein digitales Modell direkt zusammen mit dem realen Gebäude ensteht, jedoch sind im Falle älterer Bestandsgebäude digitale Modelle meist nicht verfügbar. Ein digitales Modell eines bestehenden Gebäudes manuell zu erstellen, ist zwar möglich, jedoch mit großem Aufwand verbunden. Ist ein passendes Gebäudemodell vorhanden, muss ein AR Gerät außerdem in der Lage sein, die eigene Position und Orientierung im Gebäude relativ zu diesem Modell bestimmen zu können, um Augmentierungen lagegerecht anzeigen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit werden diverse Aspekte der angesprochenen Problematik untersucht und diskutiert. Dabei werden zunächst verschiedene Möglichkeiten diskutiert, Indoor-Gebäudegeometrie mittels Sensorsystemen zu erfassen. Anschließend wird eine Untersuchung präsentiert, inwiefern moderne AR Geräte, die in der Regel ebenfalls über eine Vielzahl an Sensoren verfügen, ebenfalls geeignet sind, als Indoor-Mapping-Systeme eingesetzt zu werden. Die resultierenden Indoor Mapping Datensätze können daraufhin genutzt werden, um automatisiert Gebäudemodelle zu rekonstruieren. Zu diesem Zweck wird ein automatisiertes, voxel-basiertes Indoor-Rekonstruktionsverfahren vorgestellt. Dieses wird außerdem auf der Grundlage vierer zu diesem Zweck erfasster Datensätze mit zugehörigen Referenzdaten quantitativ evaluiert. Desweiteren werden verschiedene Möglichkeiten diskutiert, mobile AR Geräte innerhalb eines Gebäudes und des zugehörigen Gebäudemodells zu lokalisieren. In diesem Kontext wird außerdem auch die Evaluierung einer Marker-basierten Indoor-Lokalisierungsmethode präsentiert. Abschließend wird zudem ein neuer Ansatz, Indoor-Mapping Datensätze an den Achsen des Koordinatensystems auszurichten, vorgestellt