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

Merging the Real and the Virtual: An Exploration of Interaction Methods to Blend Realities

We investigate, build, and design interaction methods to merge the real with the virtual. An initial investigation looks at spatial augmented reality (SAR) and its effects on pointing with a real mobile phone. A study reveals a set of trade-offs between the raycast, viewport, and direct pointing techniques. To further investigate the manipulation of virtual content within a SAR environment, we design an interaction technique that utilizes the distance that a user holds mobile phone away from their body. Our technique enables pushing virtual content from a mobile phone to an external SAR environment, interact with that content, rotate-scale-translate it, and pull the content back into the mobile phone. This is all done in a way that ensures seamless transitions between the real environment of the mobile phone and the virtual SAR environment. To investigate the issues that occur when the physical environment is hidden by a fully immersive virtual reality (VR) HMD, we design and investigate a system that merges a realtime 3D reconstruction of the real world with a virtual environment. This allows users to freely move, manipulate, observe, and communicate with people and objects situated in their physical reality without losing their sense of immersion or presence inside a virtual world. A study with VR users demonstrates the affordances provided by the system and how it can be used to enhance current VR experiences. We then move to AR, to investigate the limitations of optical see-through HMDs and the problem of communicating the internal state of the virtual world with unaugmented users. To address these issues and enable new ways to visualize, manipulate, and share virtual content, we propose a system that combines a wearable SAR projector. Demonstrations showcase ways to utilize the projected and head-mounted displays together, such as expanding field of view, distributing content across depth surfaces, and enabling bystander collaboration. We then turn to videogames to investigate how spectatorship of these virtual environments can be enhanced through expanded video rendering techniques. We extract and combine additional data to form a cumulative 3D representation of the live game environment for spectators, which enables each spectator to individually control a personal view into the stream while in VR. A study shows that users prefer spectating in VR when compared with a comparable desktop rendering