The Perception/Action loop: A Study on the Bandwidth of Human Perception and on Natural Human Computer Interaction for Immersive Virtual Reality Applications

Virtual Reality (VR) is an innovating technology which, in the last decade, has had a widespread success, mainly thanks to the release of low cost devices, which have contributed to the diversification of its domains of application. In particular, the current work mainly focuses on the general mechanisms underling perception/action loop in VR, in order to improve the design and implementation of applications for training and simulation in immersive VR, especially in the context of Industry 4.0 and the medical field. On the one hand, we want to understand how humans gather and process all the information presented in a virtual environment, through the evaluation of the visual system bandwidth. On the other hand, since interface has to be a sort of transparent layer allowing trainees to accomplish a task without directing any cognitive effort on the interaction itself, we compare two state of the art solutions for selection and manipulation tasks, a touchful one, the HTC Vive controllers, and a touchless vision-based one, the Leap Motion. To this aim we have developed ad hoc frameworks and methodologies. The software frameworks consist in the creation of VR scenarios, where the experimenter can choose the modality of interaction and the headset to be used and set experimental parameters, guaranteeing experiments repeatability and controlled conditions. The methodology includes the evaluation of performance, user experience and preferences, considering both quantitative and qualitative metrics derived from the collection and the analysis of heterogeneous data, as physiological and inertial sensors measurements, timing and self-assessment questionnaires. In general, VR has been found to be a powerful tool able to simulate specific situations in a realistic and involving way, eliciting user\u2019s sense of presence, without causing severe cybersickness, at least when interaction is limited to the peripersonal and near-action space. Moreover, when designing a VR application, it is possible to manipulate its features in order to trigger or avoid triggering specific emotions and voluntarily create potentially stressful or relaxing situations. Considering the ability of trainees to perceive and process information presented in an immersive virtual environment, results show that, when people are given enough time to build a gist of the scene, they are able to recognize a change with 0.75 accuracy when up to 8 elements are in the scene. For interaction, instead, when selection and manipulation tasks do not require fine movements, controllers and Leap Motion ensure comparable performance; whereas, when tasks are complex, the first solution turns out to be more stable and efficient, also because visual and audio feedback, provided as a substitute of the haptic one, does not substantially contribute to improve performance in the touchless case

Measuring user experience for virtual reality

In recent years, Virtual Reality (VR) and 3D User Interfaces (3DUI) have seen a drastic increase in popularity, especially in terms of consumer-ready hardware and software. These technologies have the potential to create new experiences that combine the advantages of reality and virtuality. While the technology for input as well as output devices is market ready, only a few solutions for everyday VR - online shopping, games, or movies - exist, and empirical knowledge about performance and user preferences is lacking. All this makes the development and design of human-centered user interfaces for VR a great challenge. This thesis investigates the evaluation and design of interactive VR experiences. We introduce the Virtual Reality User Experience (VRUX) model based on VR-specific external factors and evaluation metrics such as task performance and user preference. Based on our novel UX evaluation approach, we contribute by exploring the following directions: shopping in virtual environments, as well as text entry and menu control in the context of everyday VR. Along with this, we summarize our findings by design spaces and guidelines for choosing optimal interfaces and controls in VR.In den letzten Jahren haben Virtual Reality (VR) und 3D User Interfaces (3DUI) stark an Popularität gewonnen, insbesondere bei Hard- und Software im Konsumerbereich. Diese Technologien haben das Potenzial, neue Erfahrungen zu schaffen, die die Vorteile von Realität und Virtualität kombinieren. Während die Technologie sowohl für Eingabe- als auch für Ausgabegeräte marktreif ist, existieren nur wenige Lösungen für den Alltag in VR - wie Online-Shopping, Spiele oder Filme - und es fehlt an empirischem Wissen über Leistung und Benutzerpräferenzen. Dies macht die Entwicklung und Gestaltung von benutzerzentrierten Benutzeroberflächen für VR zu einer großen Herausforderung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Evaluation und Gestaltung von interaktiven VR-Erfahrungen. Es wird das Virtual Reality User Experience (VRUX)- Modell eingeführt, das auf VR-spezifischen externen Faktoren und Bewertungskennzahlen wie Leistung und Benutzerpräferenz basiert. Basierend auf unserem neuartigen UX-Evaluierungsansatz leisten wir einen Beitrag, indem wir folgende interaktive Anwendungsbereiche untersuchen: Einkaufen in virtuellen Umgebungen sowie Texteingabe und Menüsteuerung im Kontext des täglichen VR. Die Ergebnisse werden außerdem mittels Richtlinien zur Auswahl optimaler Schnittstellen in VR zusammengefasst

Spatial Interaction for Immersive Mixed-Reality Visualizations

Growing amounts of data, both in personal and professional settings, have caused an increased interest in data visualization and visual analytics. Especially for inherently three-dimensional data, immersive technologies such as virtual and augmented reality and advanced, natural interaction techniques have been shown to facilitate data analysis. Furthermore, in such use cases, the physical environment often plays an important role, both by directly influencing the data and by serving as context for the analysis. Therefore, there has been a trend to bring data visualization into new, immersive environments and to make use of the physical surroundings, leading to a surge in mixed-reality visualization research. One of the resulting challenges, however, is the design of user interaction for these often complex systems. In my thesis, I address this challenge by investigating interaction for immersive mixed-reality visualizations regarding three core research questions: 1) What are promising types of immersive mixed-reality visualizations, and how can advanced interaction concepts be applied to them? 2) How does spatial interaction benefit these visualizations and how should such interactions be designed? 3) How can spatial interaction in these immersive environments be analyzed and evaluated? To address the first question, I examine how various visualizations such as 3D node-link diagrams and volume visualizations can be adapted for immersive mixed-reality settings and how they stand to benefit from advanced interaction concepts. For the second question, I study how spatial interaction in particular can help to explore data in mixed reality. There, I look into spatial device interaction in comparison to touch input, the use of additional mobile devices as input controllers, and the potential of transparent interaction panels. Finally, to address the third question, I present my research on how user interaction in immersive mixed-reality environments can be analyzed directly in the original, real-world locations, and how this can provide new insights. Overall, with my research, I contribute interaction and visualization concepts, software prototypes, and findings from several user studies on how spatial interaction techniques can support the exploration of immersive mixed-reality visualizations.Zunehmende Datenmengen, sowohl im privaten als auch im beruflichen Umfeld, führen zu einem zunehmenden Interesse an Datenvisualisierung und visueller Analyse. Insbesondere bei inhärent dreidimensionalen Daten haben sich immersive Technologien wie Virtual und Augmented Reality sowie moderne, natürliche Interaktionstechniken als hilfreich für die Datenanalyse erwiesen. Darüber hinaus spielt in solchen Anwendungsfällen die physische Umgebung oft eine wichtige Rolle, da sie sowohl die Daten direkt beeinflusst als auch als Kontext für die Analyse dient. Daher gibt es einen Trend, die Datenvisualisierung in neue, immersive Umgebungen zu bringen und die physische Umgebung zu nutzen, was zu einem Anstieg der Forschung im Bereich Mixed-Reality-Visualisierung geführt hat. Eine der daraus resultierenden Herausforderungen ist jedoch die Gestaltung der Benutzerinteraktion für diese oft komplexen Systeme. In meiner Dissertation beschäftige ich mich mit dieser Herausforderung, indem ich die Interaktion für immersive Mixed-Reality-Visualisierungen im Hinblick auf drei zentrale Forschungsfragen untersuche: 1) Was sind vielversprechende Arten von immersiven Mixed-Reality-Visualisierungen, und wie können fortschrittliche Interaktionskonzepte auf sie angewendet werden? 2) Wie profitieren diese Visualisierungen von räumlicher Interaktion und wie sollten solche Interaktionen gestaltet werden? 3) Wie kann räumliche Interaktion in diesen immersiven Umgebungen analysiert und ausgewertet werden? Um die erste Frage zu beantworten, untersuche ich, wie verschiedene Visualisierungen wie 3D-Node-Link-Diagramme oder Volumenvisualisierungen für immersive Mixed-Reality-Umgebungen angepasst werden können und wie sie von fortgeschrittenen Interaktionskonzepten profitieren. Für die zweite Frage untersuche ich, wie insbesondere die räumliche Interaktion bei der Exploration von Daten in Mixed Reality helfen kann. Dabei betrachte ich die Interaktion mit räumlichen Geräten im Vergleich zur Touch-Eingabe, die Verwendung zusätzlicher mobiler Geräte als Controller und das Potenzial transparenter Interaktionspanels. Um die dritte Frage zu beantworten, stelle ich schließlich meine Forschung darüber vor, wie Benutzerinteraktion in immersiver Mixed-Reality direkt in der realen Umgebung analysiert werden kann und wie dies neue Erkenntnisse liefern kann. Insgesamt trage ich mit meiner Forschung durch Interaktions- und Visualisierungskonzepte, Software-Prototypen und Ergebnisse aus mehreren Nutzerstudien zu der Frage bei, wie räumliche Interaktionstechniken die Erkundung von immersiven Mixed-Reality-Visualisierungen unterstützen können

Introducing wearable haptics for rendering velocity feedback in VR serious games for neuro-rehabilitation of children

Rehabilitation in virtual reality offers advantages in terms of flexibility and parametrization of exercises, repeatability, and continuous data recording and analysis of the progress of the patient, also promoting high engagement and cognitive challenges. Still, most of the proposed virtual settings provide a high quality, immersive visual and audio feedback, without involving the sense of touch. In this paper, we show the design, implementation, and first evaluation of a gaming scenario for upper limb rehabilitation of children with cerebral palsy. In particular, we took care to introduce haptic feedback as a useful source of sensory information for the proposed task, considering—at the same time—the strict constraints for haptic wearable devices to comply with patient’s comfort, residual motor abilities, and with the embedded tracking features of the latest VR technologies. To show the potential of haptics in a rehabilitation setup, the proposed device and rendering method have been used to improve the velocity control of upper limb movements during the VR exercise, given its importance as a motor recovery metric. Eight healthy participants were enrolled, and results showed that haptic feedback can lead to lower speed tracking errors and higher movement smoothness, making the proposed setup suitable to be used in a rehabilitation context as a way to promote movement fluidity during exercises

Remote Visual Observation of Real Places Through Virtual Reality Headsets

Virtual Reality has always represented a fascinating yet powerful opportunity that has attracted studies and technology developments, especially since the latest release on the market of powerful high-resolution and wide field-of-view VR headsets. While the great potential of such VR systems is common and accepted knowledge, issues remain related to how to design systems and setups capable of fully exploiting the latest hardware advances. The aim of the proposed research is to study and understand how to increase the perceived level of realism and sense of presence when remotely observing real places through VR headset displays. Hence, to produce a set of guidelines that give directions to system designers about how to optimize the display-camera setup to enhance performance, focusing on remote visual observation of real places. The outcome of this investigation represents unique knowledge that is believed to be very beneficial for better VR headset designs towards improved remote observation systems. To achieve the proposed goal, this thesis presents a thorough investigation of existing literature and previous researches, which is carried out systematically to identify the most important factors ruling realism, depth perception, comfort, and sense of presence in VR headset observation. Once identified, these factors are further discussed and assessed through a series of experiments and usability studies, based on a predefined set of research questions. More specifically, the role of familiarity with the observed place, the role of the environment characteristics shown to the viewer, and the role of the display used for the remote observation of the virtual environment are further investigated. To gain more insights, two usability studies are proposed with the aim of defining guidelines and best practices. The main outcomes from the two studies demonstrate that test users can experience an enhanced realistic observation when natural features, higher resolution displays, natural illumination, and high image contrast are used in Mobile VR. In terms of comfort, simple scene layouts and relaxing environments are considered ideal to reduce visual fatigue and eye strain. Furthermore, sense of presence increases when observed environments induce strong emotions, and depth perception improves in VR when several monocular cues such as lights and shadows are combined with binocular depth cues. Based on these results, this investigation then presents a focused evaluation on the outcomes and introduces an innovative eye-adapted High Dynamic Range (HDR) approach, which the author believes to be of great improvement in the context of remote observation when combined with eye-tracked VR headsets. Within this purpose, a third user study is proposed to compare static HDR and eye-adapted HDR observation in VR, to assess that the latter can improve realism, depth perception, sense of presence, and in certain cases even comfort. Results from this last study confirmed the author expectations, proving that eye-adapted HDR and eye tracking should be used to achieve best visual performances for remote observation in modern VR systems

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