3D printing and immersive visualization for improved perception of ancient artifacts

This article investigates the use of 3D immersive virtual environments and 3D prints for interaction with past material culture over traditional observation without manipulation. Our work is motivated by studies in heritage, museum, and cognitive sciences indicating the importance of object manipulation for understanding present and ancient artifacts. While virtual immersive environments and 3D prints have started to be incorporated in heritage research and museum displays as a way to provide improved manipulation experiences, little is known about how these new technologies affect the perception of our past. This article provides first results obtained with three experiments designed to investigate the benefits and tradeoffs in using these technologies. Our results indicate that traditional museum displays limit the experience with past material culture, and reveal how our sample of participants favor tactile and immersive 3D virtual experiences with artifacts over visual non-manipulative experiences with authentic objects. This paper is part of a larger study on how people perceive ancient artifacts, which was partially funded by the University of California Humanities Network and the Center for the Humanities at the University of California, Merced.This is the author accepted manuscript. The final version is available from MIT Press via http://dx.doi.org/10.1162/PRES_a_0022

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

Experiencing Authenticity of the House Museums in Hybrid Environments

The paper presents an existing scenario related to the advanced integration of digital technologies in the field of house museums, based on the critical literature and applied experimentation. House museums are a particular type of heritage site, in which is highlighted the tension between the evocative capacity of the spaces and the requirements for preservation. In this dimension, the use of a seamless approach amplifies the atmospheric component of the space, superimposing, through hybrid digital technologies, an interactive, context-driven layer in an open dialogue between digital and physical. The methodology moves on the one hand from the literature review, framing the macro themes of research, and on the other from the overview of case studies, selected on the basis of the experiential value of the space. The analysis of the selected cases followed as criteria: the formal dimension of the technology; the narrative plot, as storytelling of socio-cultural atmosphere or identification within the intimate story; and the involvement of visitors as individual immersion or collective rituality. The paper aimed at outlining a developmental panorama in which the integration of hybrid technologies points to a new seamless awareness within application scenarios as continuous and work-in-progress challenges

VR Technologies in Cultural Heritage

This open access book constitutes the refereed proceedings of the First International Conference on VR Technologies in Cultural Heritage, VRTCH 2018, held in Brasov, Romania in May 2018. The 13 revised full papers along with the 5 short papers presented were carefully reviewed and selected from 21 submissions. The papers of this volume are organized in topical sections on data acquisition and modelling, visualization methods / audio, sensors and actuators, data management, restoration and digitization, cultural tourism

VR Technologies in Cultural Heritage

This open access book constitutes the refereed proceedings of the First International Conference on VR Technologies in Cultural Heritage, VRTCH 2018, held in Brasov, Romania in May 2018. The 13 revised full papers along with the 5 short papers presented were carefully reviewed and selected from 21 submissions. The papers of this volume are organized in topical sections on data acquisition and modelling, visualization methods / audio, sensors and actuators, data management, restoration and digitization, cultural tourism

An exploration of teaching and learning in a virtual world in the context of higher education

This research provides an account of one third level educator’s experience of teaching and learning within the three dimensional multi-user virtual world Second Life. An ethnographic methodology is employed. First, a narrative of my journey of immersion into the field is provided. Three stages in this journey are identified: separation, transition and transformation. Within each stage are distinct sub-stages and each stage is explored in detail. Second, the findings from the data analysis are presented in terms of five key themes: the virtual teacher, learner engagement in the virtual world, the fear factor, getting to grips with methodology and finally, place based education in a virtual space. In the third part, the contribution to new knowledge of the thesis is explained through a virtual world adjustment theory comprising five phases; orientation, euphoria, crisis, survival and transformation. Each phase of the theory represents a movement toward new knowledge and understanding. The overall conclusion is followed by recommendations derived from the research and the implications of these recommendations for potential virtual world educators are analysed

Sonic Interactions in Virtual Environments: the Egocentric Audio Perspective of the Digital Twin

The relationships between the listener, physical world and virtual environment (VE) should not only inspire the design of natural multimodal interfaces but should be discovered to make sense of the mediating action of VR technologies. This chapter aims to transform an archipelago of studies related to sonic interactions in virtual environments (SIVE) into a research field equipped with a first theoretical framework with an inclusive vision of the challenges to come: the egocentric perspective of the auditory digital twin. In a VE with immersive audio technologies implemented, the role of VR simulations must be enacted by a participatory exploration of sense-making in a network of human and non-human agents, called actors. The guardian of such locus of agency is the auditory digital twin that fosters intra-actions between humans and technology, dynamically and fluidly redefining all those configurations that are crucial for an immersive and coherent experience. The idea of entanglement theory is here mainly declined in an egocentric-spatial perspective related to emerging knowledge of the listener's perceptual capabilities. This is an actively transformative relation with the digital twin potentials to create movement, transparency, and provocative activities in VEs. The chapter contains an original theoretical perspective complemented by several bibliographical references and links to the other book chapters that have contributed significantly to the proposal presented here.Comment: 46 pages, 5 figures. Pre-print version of the introduction to the book "Sonic Interactions in Virtual Environments" in press for Springer's Human-Computer Interaction Series, Open Access license. The pre-print editors' copy of the book can be found at https://vbn.aau.dk/en/publications/sonic-interactions-in-virtual-environments - full book info: https://sive.create.aau.dk/index.php/sivebook

Virtual reality interfaces for seamless interaction with the physical reality

In recent years head-mounted displays (HMDs) for virtual reality (VR) have made the transition from research to consumer product, and are increasingly used for productive purposes such as 3D modeling in the automotive industry and teleconferencing. VR allows users to create and experience real-world like models of products; and enables users to have an immersive social interaction with distant colleagues. These solutions are a promising alternative to physical prototypes and meetings, as they require less investment in time and material. VR uses our visual dominance to deliver these experiences, making users believe that they are in another reality. However, while their mind is present in VR their body is in the physical reality. From the user’s perspective, this brings considerable uncertainty to the interaction. Currently, they are forced to take off their HMD in order to, for example, see who is observing them and to understand whether their physical integrity is at risk. This disrupts their interaction in VR, leading to a loss of presence – a main quality measure for the success of VR experiences. In this thesis, I address this uncertainty by developing interfaces that enable users to stay in VR while supporting their awareness of the physical reality. They maintain this awareness without having to take off the headset – which I refer to as seamless interaction with the physical reality. The overarching research vision that guides this thesis is, therefore, to reduce this disconnect between the virtual and physical reality. My research is motivated by a preliminary exploration of user uncertainty towards using VR in co-located, public places. This exploration revealed three main foci: (a) security and privacy, (b) communication with physical collaborators, and (c) managing presence in both the physical and virtual reality. Each theme represents a section in my dissertation, in which I identify central challenges and give directions towards overcoming them as have emerged from the work presented here. First, I investigate security and privacy in co-located situations by revealing to what extent bystanders are able to observe general tasks. In this context, I explicitly investigate the security considerations of authentication mechanisms. I review how existing authentication mechanisms can be transferred to VR and present novel approaches that are more usable and secure than existing solutions from prior work. Second, to support communication between VR users and physical collaborators, I add to the field design implications for VR interactions that enable observers to choose opportune moments to interrupt HMD users. Moreover, I contribute methods for displaying interruptions in VR and discuss their effect on presence and performance. I also found that different virtual presentations of co-located collaborators have an effect on social presence, performance and trust. Third, I close my thesis by investigating methods to manage presence in both the physical and virtual realities. I propose systems and interfaces for transitioning between them that empower users to decide how much they want to be aware of the other reality. Finally, I discuss the opportunity to systematically allocate senses to these two realities: the visual one for VR and the auditory and haptic one for the physical reality. Moreover, I provide specific design guidelines on how to use these findings to alert VR users about physical borders and obstacles.In den letzten Jahren haben Head-Mounted-Displays (HMDs) für virtuelle Realität (VR) den Übergang von der Forschung zum Konsumprodukt vollzogen und werden zunehmend für produktive Zwecke, wie 3D-Modellierung in der Automobilindustrie oder Telekonferenzen, eingesetzt. VR ermöglicht es den Benutzern, schnell und kostengünstig, Prototypen zu erstellen und erlaubt eine immersive soziale Interaktion mit entfernten Kollegen. VR nutzt unsere visuelle Dominanz, um diese Erfahrungen zu vermitteln und gibt Benutzern das Gefühl sich in einer anderen Realität zu befinden. Während der Nutzer jedoch in der virtuellen Realität mental präsent ist, befindet sich der Körper weiterhin in der physischen Realität. Aus der Perspektive des Benutzers bringt dies erhebliche Unsicherheit in die Nutzung von HMDs. Aktuell sind Nutzer gezwungen, ihr HMD abzunehmen, um zu sehen, wer sie beobachtet und zu verstehen, ob ihr körperliches Wohlbefinden gefährdet ist. Dadurch wird ihre Interaktion in der VR gestört, was zu einem Verlust der Präsenz führt - ein Hauptqualitätsmaß für den Erfolg von VR-Erfahrungen. In dieser Arbeit befasse ich mich mit dieser Unsicherheit, indem ich Schnittstellen entwickle, die es den Nutzern ermöglichen, in VR zu bleiben und gleichzeitig unterstützen sie die Wahrnehmung für die physische Realität. Sie behalten diese Wahrnehmung für die physische Realität bei, ohne das Headset abnehmen zu müssen - was ich als nahtlose Interaktion mit der physischen Realität bezeichne. Daher ist eine übergeordenete Vision von meiner Forschung diese Trennung von virtueller und physicher Realität zu reduzieren. Meine Forschung basiert auf einer einleitenden Untersuchung, die sich mit der Unsicherheit der Nutzer gegenüber der Verwendung von VR an öffentlichen, geteilten Orten befasst. Im Kontext meiner Arbeit werden Räume oder Flächen, die mit anderen ortsgleichen Menschen geteilt werden, als geteilte Orte bezeichnet. Diese Untersuchung ergab drei Hauptschwerpunkte: (1) Sicherheit und Privatsphäre, (2) Kommunikation mit physischen Kollaborateuren, und (3) Umgang mit der Präsenz, sowohl in der physischen als auch in der virtuellen Realität. Jedes Thema stellt einen Fokus in meiner Dissertation dar, in dem ich zentrale Herausforderungen identifiziere und Lösungsansätze vorstelle. Erstens, untersuche ich Sicherheit und Privatsphäre an öffentlichen, geteilten Orten, indem ich aufdecke, inwieweit Umstehende in der Lage sind, allgemeine Aufgaben zu beobachten. In diesem Zusammenhang untersuche ich explizit die Gestaltung von Authentifizierungsmechanismen. Ich untersuche, wie bestehende Authentifizierungsmechanismen auf VR übertragen werden können, und stelle neue Ansätze vor, die nutzbar und sicher sind. Zweitens, um die Kommunikation zwischen HMD-Nutzern und Umstehenden zu unterstützen, erweitere ich das Forschungsfeld um VR-Interaktionen, die es Beobachtern ermöglichen, günstige Momente für die Unterbrechung von HMD-Nutzern zu wählen. Darüber hinaus steuere ich Methoden zur Darstellung von Unterbrechungen in VR bei und diskutiere ihre Auswirkungen auf Präsenz und Leistung von Nutzern. Meine Arbeit brachte auch hervor, dass verschiedene virtuelle Präsentationen von ortsgleichen Kollaborateuren einen Effekt auf die soziale Präsenz, Leistung und Vertrauen haben. Drittens, schließe ich meine Dissertation mit der Untersuchung von Methoden zur Verwaltung der Präsenz, sowohl in der physischen als auch in der virtuellen Realität ab. Ich schlage Systeme und Schnittstellen für den Übergang zwischen den Realitäten vor, die die Benutzer in die Lage versetzen zu entscheiden, inwieweit sie sich der anderen Realität bewusst sein wollen. Schließlich diskutiere ich die Möglichkeit, diesen beiden Realitäten systematisch Sinne zuzuordnen: die visuelle für VR und die auditive und haptische für die physische Realität. Darüber hinaus stelle ich spezifische Design-Richtlinien zur Verfügung, wie diese Erkenntnisse genutzt werden können, um VR-Anwender auf physische Grenzen und Hindernisse aufmerksam zu machen