Image processing techniques for mixed reality and biometry

2013 - 2014This thesis work is focused on two applicative fields of image processing research, which, for different reasons, have become particularly active in the last decade: Mixed Reality and Biometry. Though the image processing techniques involved in these two research areas are often different, they share the key objective of recognizing salient features typically captured through imaging devices. Enabling technologies for augmented/mixed reality have been improved and refined throughout the last years and more recently they seems to have finally passed the demo stage to becoming ready for practical industrial and commercial applications. To this regard, a crucial role will likely be played by the new generation of smartphones and tablets, equipped with an arsenal of sensors connections and enough processing power for becoming the most portable and affordable AR platform ever. Within this context, techniques like gesture recognition by means of simple, light and robust capturing hardware and advanced computer vision techniques may play an important role in providing a natural and robust way to control software applications and to enhance onthe- field operational capabilities. The research described in this thesis is targeted toward advanced visualization and interaction strategies aimed to improve the operative range and robustness of mixed reality applications, particularly for demanding industrial environments... [edited by Author]XIII n.s

All Hands on Deck: Choosing Virtual End Effector Representations to Improve Near Field Object Manipulation Interactions in Extended Reality

Extended reality, or XR , is the adopted umbrella term that is heavily gaining traction to collectively describe Virtual reality (VR), Augmented reality (AR), and Mixed reality (MR) technologies. Together, these technologies extend the reality that we experience either by creating a fully immersive experience like in VR or by blending in the virtual and real worlds like in AR and MR. The sustained success of XR in the workplace largely hinges on its ability to facilitate efficient user interactions. Similar to interacting with objects in the real world, users in XR typically interact with virtual integrants like objects, menus, windows, and information that convolve together to form the overall experience. Most of these interactions involve near-field object manipulation for which users are generally provisioned with visual representations of themselves also called self-avatars. Representations that involve only the distal entity are called end-effector representations and they shape how users perceive XR experiences. Through a series of investigations, this dissertation evaluates the effects of virtual end effector representations on near-field object retrieval interactions in XR settings. Through studies conducted in virtual, augmented, and mixed reality, implications about the virtual representation of end-effectors are discussed, and inferences are made for the future of near-field interaction in XR to draw upon from. This body of research aids technologists and designers by providing them with details that help in appropriately tailoring the right end effector representation to improve near-field interactions, thereby collectively establishing knowledge that epitomizes the future of interactions in XR

Enhancing interaction in mixed reality

With continuous technological innovation, we observe mixed reality emerging from research labs into the mainstream. The arrival of capable mixed reality devices transforms how we are entertained, consume information, and interact with computing systems, with the most recent being able to present synthesized stimuli to any of the human senses and substantially blur the boundaries between the real and virtual worlds. In order to build expressive and practical mixed reality experiences, designers, developers, and stakeholders need to understand and meet its upcoming challenges. This research contributes a novel taxonomy for categorizing mixed reality experiences and guidelines for designing mixed reality experiences. We present the results of seven studies examining the challenges and opportunities of mixed reality experiences, the impact of modalities and interaction techniques on the user experience, and how to enhance the experiences. We begin with a study determining user attitudes towards mixed reality in domestic and educational environments, followed by six research probes that each investigate an aspect of reality or virtuality. In the first, a levitating steerable projector enables us to investigate how the real world can be enhanced without instrumenting the user. We show that the presentation of in-situ instructions for navigational tasks leads to a significantly higher ability to observe and recall real-world landmarks. With the second probe, we enhance the perception of reality by superimposing information usually not visible to the human eye. In amplifying the human vision, we enable users to perceive thermal radiation visually. Further, we examine the effect of substituting physical components with non-functional tangible proxies or entirely virtual representations. With the third research probe, we explore how to enhance virtuality to enable a user to input text on a physical keyboard while being immersed in the virtual world. Our prototype tracked the user’s hands and keyboard to enable generic text input. Our analysis of text entry performance showed the importance and effect of different hand representations. We then investigate how to touch virtuality by simulating generic haptic feedback for virtual reality and show how tactile feedback through quadcopters can significantly increase the sense of presence. Our final research probe investigates the usability and input space of smartphones within mixed reality environments, pairing the user’s smartphone as an input device with a secondary physical screen. Based on our learnings from these individual research probes, we developed a novel taxonomy for categorizing mixed reality experiences and guidelines for designing mixed reality experiences. The taxonomy is based on the human sensory system and human capabilities of articulation. We showcased its versatility and set our research probes into perspective by organizing them inside the taxonomic space. The design guidelines are divided into user-centered and technology-centered. It is our hope that these will contribute to the bright future of mixed reality systems while emphasizing the new underlining interaction paradigm.Mixed Reality (vermischte Realitäten) gehen aufgrund kontinuierlicher technologischer Innovationen langsam von der reinen Forschung in den Massenmarkt über. Mit der Einführung von leistungsfähigen Mixed-Reality-Geräten verändert sich die Art und Weise, wie wir Unterhaltungsmedien und Informationen konsumieren und wie wir mit Computersystemen interagieren. Verschiedene existierende Geräte sind in der Lage, jeden der menschlichen Sinne mit synthetischen Reizen zu stimulieren. Hierdurch verschwimmt zunehmend die Grenze zwischen der realen und der virtuellen Welt. Um eindrucksstarke und praktische Mixed-Reality-Erfahrungen zu kreieren, müssen Designer und Entwicklerinnen die künftigen Herausforderungen und neuen Möglichkeiten verstehen. In dieser Dissertation präsentieren wir eine neue Taxonomie zur Kategorisierung von Mixed-Reality-Erfahrungen sowie Richtlinien für die Gestaltung von solchen. Wir stellen die Ergebnisse von sieben Studien vor, in denen die Herausforderungen und Chancen von Mixed-Reality-Erfahrungen, die Auswirkungen von Modalitäten und Interaktionstechniken auf die Benutzererfahrung und die Möglichkeiten zur Verbesserung dieser Erfahrungen untersucht werden. Wir beginnen mit einer Studie, in der die Haltung der nutzenden Person gegenüber Mixed Reality in häuslichen und Bildungsumgebungen analysiert wird. In sechs weiteren Fallstudien wird jeweils ein Aspekt der Realität oder Virtualität untersucht. In der ersten Fallstudie wird mithilfe eines schwebenden und steuerbaren Projektors untersucht, wie die Wahrnehmung der realen Welt erweitert werden kann, ohne dabei die Person mit Technologie auszustatten. Wir zeigen, dass die Darstellung von in-situ-Anweisungen für Navigationsaufgaben zu einer deutlich höheren Fähigkeit führt, Sehenswürdigkeiten der realen Welt zu beobachten und wiederzufinden. In der zweiten Fallstudie erweitern wir die Wahrnehmung der Realität durch Überlagerung von Echtzeitinformationen, die für das menschliche Auge normalerweise unsichtbar sind. Durch die Erweiterung des menschlichen Sehvermögens ermöglichen wir den Anwender:innen, Wärmestrahlung visuell wahrzunehmen. Darüber hinaus untersuchen wir, wie sich das Ersetzen von physischen Komponenten durch nicht funktionale, aber greifbare Replikate oder durch die vollständig virtuelle Darstellung auswirkt. In der dritten Fallstudie untersuchen wir, wie virtuelle Realitäten verbessert werden können, damit eine Person, die in der virtuellen Welt verweilt, Text auf einer physischen Tastatur eingeben kann. Unser Versuchsdemonstrator detektiert die Hände und die Tastatur, zeigt diese in der vermischen Realität an und ermöglicht somit die verbesserte Texteingaben. Unsere Analyse der Texteingabequalität zeigte die Wichtigkeit und Wirkung verschiedener Handdarstellungen. Anschließend untersuchen wir, wie man Virtualität berühren kann, indem wir generisches haptisches Feedback für virtuelle Realitäten simulieren. Wir zeigen, wie Quadrokopter taktiles Feedback ermöglichen und dadurch das Präsenzgefühl deutlich steigern können. Unsere letzte Fallstudie untersucht die Benutzerfreundlichkeit und den Eingaberaum von Smartphones in Mixed-Reality-Umgebungen. Hierbei wird das Smartphone der Person als Eingabegerät mit einem sekundären physischen Bildschirm verbunden, um die Ein- und Ausgabemodalitäten zu erweitern. Basierend auf unseren Erkenntnissen aus den einzelnen Fallstudien haben wir eine neuartige Taxonomie zur Kategorisierung von Mixed-Reality-Erfahrungen sowie Richtlinien für die Gestaltung von solchen entwickelt. Die Taxonomie basiert auf dem menschlichen Sinnessystem und den Artikulationsfähigkeiten. Wir stellen die vielseitige Verwendbarkeit vor und setzen unsere Fallstudien in Kontext, indem wir sie innerhalb des taxonomischen Raums einordnen. Die Gestaltungsrichtlinien sind in nutzerzentrierte und technologiezentrierte Richtlinien unterteilt. Es ist unsere Anliegen, dass diese Gestaltungsrichtlinien zu einer erfolgreichen Zukunft von Mixed-Reality-Systemen beitragen und gleichzeitig die neuen Interaktionsparadigmen hervorheben

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

Understanding user interactions in stereoscopic head-mounted displays

2022 Spring.Includes bibliographical references.Interacting in stereoscopic head mounted displays can be difficult. There are not yet clear standards for how interactions in these environments should be performed. In virtual reality there are a number of well designed interaction techniques; however, augmented reality interaction techniques still need to be improved before they can be easily used. This dissertation covers work done towards understanding how users navigate and interact with virtual environments that are displayed in stereoscopic head-mounted displays. With this understanding, existing techniques from virtual reality devices can be transferred to augmented reality where appropriate, and where that is not the case, new interaction techniques can be developed. This work begins by observing how participants interact with virtual content using gesture alone, speech alone, and the combination of gesture+speech during a basic object manipulation task in augmented reality. Later, a complex 3-dimensional data-exploration environment is developed and refined. That environment is capable of being used in both augmented reality (AR) and virtual reality (VR), either asynchronously or simultaneously. The process of iteratively designing that system and the design choices made during its implementation are provided for future researchers working on complex systems. This dissertation concludes with a comparison of user interactions and navigation in that complex environment when using either an augmented or virtual reality display. That comparison contributes new knowledge on how people perform object manipulations between the two devices. When viewing 3D visualizations, users will need to feel able to navigate the environment. Without careful attention to proper interaction technique design, people may struggle to use the developed system. These struggles may range from a system that is uncomfortable and not fit for long-term use, or they could be as major as causing new users to not being able to interact in these environments at all. Getting the interactions right for AR and VR environments is a step towards facilitating their widespread acceptance. This dissertation provides the groundwork needed to start designing interaction techniques around how people utilize their personal space, virtual space, body, tools, and feedback systems

ISMCR 1994: Topical Workshop on Virtual Reality. Proceedings of the Fourth International Symposium on Measurement and Control in Robotics

This symposium on measurement and control in robotics included sessions on: (1) rendering, including tactile perception and applied virtual reality; (2) applications in simulated medical procedures and telerobotics; (3) tracking sensors in a virtual environment; (4) displays for virtual reality applications; (5) sensory feedback including a virtual environment application with partial gravity simulation; and (6) applications in education, entertainment, technical writing, and animation

MAGIC: Manipulating Avatars and Gestures to Improve Remote Collaboration

Remote collaborative work has become pervasive in many settings, from engineering to medical professions. Users are immersed in virtual environments and communicate through life-sized avatars that enable face-to-face collaboration. Within this context, users often collaboratively view and interact with virtual 3D models, for example, to assist in designing new devices such as customized prosthetics, vehicles, or buildings. However, discussing shared 3D content face-to-face has various challenges, such as ambiguities, occlusions, and different viewpoints that all decrease mutual awareness, leading to decreased task performance and increased errors. To address this challenge, we introduce MAGIC, a novel approach for understanding pointing gestures in a face-to-face shared 3D space, improving mutual understanding and awareness. Our approach distorts the remote user\'s gestures to correctly reflect them in the local user\'s reference space when face-to-face. We introduce a novel metric called pointing agreement to measure what two users perceive in common when using pointing gestures in a shared 3D space. Results from a user study suggest that MAGIC significantly improves pointing agreement in face-to-face collaboration settings, improving co-presence and awareness of interactions performed in the shared space. We believe that MAGIC improves remote collaboration by enabling simpler communication mechanisms and better mutual awareness.Comment: Presented at IEEE VR 202

An Overview of Self-Adaptive Technologies Within Virtual Reality Training

This overview presents the current state-of-the-art of self-adaptive technologies within virtual reality (VR) training. Virtual reality training and assessment is increasingly used for five key areas: medical, industrial & commercial training, serious games, rehabilitation and remote training such as Massive Open Online Courses (MOOCs). Adaptation can be applied to five core technologies of VR including haptic devices, stereo graphics, adaptive content, assessment and autonomous agents. Automation of VR training can contribute to automation of actual procedures including remote and robotic assisted surgery which reduces injury and improves accuracy of the procedure. Automated haptic interaction can enable tele-presence and virtual artefact tactile interaction from either remote or simulated environments. Automation, machine learning and data driven features play an important role in providing trainee-specific individual adaptive training content. Data from trainee assessment can form an input to autonomous systems for customised training and automated difficulty levels to match individual requirements. Self-adaptive technology has been developed previously within individual technologies of VR training. One of the conclusions of this research is that while it does not exist, an enhanced portable framework is needed and it would be beneficial to combine automation of core technologies, producing a reusable automation framework for VR training