RLFC: Random Access Light Field Compression using Key Views and Bounded Integer Encoding

We present a new hierarchical compression scheme for encoding light field images (LFI) that is suitable for interactive rendering. Our method (RLFC) exploits redundancies in the light field images by constructing a tree structure. The top level (root) of the tree captures the common high-level details across the LFI, and other levels (children) of the tree capture specific low-level details of the LFI. Our decompressing algorithm corresponds to tree traversal operations and gathers the values stored at different levels of the tree. Furthermore, we use bounded integer sequence encoding which provides random access and fast hardware decoding for compressing the blocks of children of the tree. We have evaluated our method for 4D two-plane parameterized light fields. The compression rates vary from 0.08 - 2.5 bits per pixel (bpp), resulting in compression ratios of around 200:1 to 20:1 for a PSNR quality of 40 to 50 dB. The decompression times for decoding the blocks of LFI are 1 - 3 microseconds per channel on an NVIDIA GTX-960 and we can render new views with a resolution of 512X512 at 200 fps. Our overall scheme is simple to implement and involves only bit manipulations and integer arithmetic operations.Comment: Accepted for publication at Symposium on Interactive 3D Graphics and Games (I3D '19

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

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

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

Blending the Material and Digital World for Hybrid Interfaces

The development of digital technologies in the 21st century is progressing continuously and new device classes such as tablets, smartphones or smartwatches are finding their way into our everyday lives. However, this development also poses problems, as these prevailing touch and gestural interfaces often lack tangibility, take little account of haptic qualities and therefore require full attention from their users. Compared to traditional tools and analog interfaces, the human skills to experience and manipulate material in its natural environment and context remain unexploited. To combine the best of both, a key question is how it is possible to blend the material world and digital world to design and realize novel hybrid interfaces in a meaningful way. Research on Tangible User Interfaces (TUIs) investigates the coupling between physical objects and virtual data. In contrast, hybrid interfaces, which specifically aim to digitally enrich analog artifacts of everyday work, have not yet been sufficiently researched and systematically discussed. Therefore, this doctoral thesis rethinks how user interfaces can provide useful digital functionality while maintaining their physical properties and familiar patterns of use in the real world. However, the development of such hybrid interfaces raises overarching research questions about the design: Which kind of physical interfaces are worth exploring? What type of digital enhancement will improve existing interfaces? How can hybrid interfaces retain their physical properties while enabling new digital functions? What are suitable methods to explore different design? And how to support technology-enthusiast users in prototyping? For a systematic investigation, the thesis builds on a design-oriented, exploratory and iterative development process using digital fabrication methods and novel materials. As a main contribution, four specific research projects are presented that apply and discuss different visual and interactive augmentation principles along real-world applications. The applications range from digitally-enhanced paper, interactive cords over visual watch strap extensions to novel prototyping tools for smart garments. While almost all of them integrate visual feedback and haptic input, none of them are built on rigid, rectangular pixel screens or use standard input modalities, as they all aim to reveal new design approaches. The dissertation shows how valuable it can be to rethink familiar, analog applications while thoughtfully extending them digitally. Finally, this thesis’ extensive work of engineering versatile research platforms is accompanied by overarching conceptual work, user evaluations and technical experiments, as well as literature reviews.Die Durchdringung digitaler Technologien im 21. Jahrhundert schreitet stetig voran und neue Geräteklassen wie Tablets, Smartphones oder Smartwatches erobern unseren Alltag. Diese Entwicklung birgt aber auch Probleme, denn die vorherrschenden berührungsempfindlichen Oberflächen berücksichtigen kaum haptische Qualitäten und erfordern daher die volle Aufmerksamkeit ihrer Nutzer:innen. Im Vergleich zu traditionellen Werkzeugen und analogen Schnittstellen bleiben die menschlichen Fähigkeiten ungenutzt, die Umwelt mit allen Sinnen zu begreifen und wahrzunehmen. Um das Beste aus beiden Welten zu vereinen, stellt sich daher die Frage, wie neuartige hybride Schnittstellen sinnvoll gestaltet und realisiert werden können, um die materielle und die digitale Welt zu verschmelzen. In der Forschung zu Tangible User Interfaces (TUIs) wird die Verbindung zwischen physischen Objekten und virtuellen Daten untersucht. Noch nicht ausreichend erforscht wurden hingegen hybride Schnittstellen, die speziell darauf abzielen, physische Gegenstände des Alltags digital zu erweitern und anhand geeigneter Designparameter und Entwurfsräume systematisch zu untersuchen. In dieser Dissertation wird daher untersucht, wie Materialität und Digitalität nahtlos ineinander übergehen können. Es soll erforscht werden, wie künftige Benutzungsschnittstellen nützliche digitale Funktionen bereitstellen können, ohne ihre physischen Eigenschaften und vertrauten Nutzungsmuster in der realen Welt zu verlieren. Die Entwicklung solcher hybriden Ansätze wirft jedoch übergreifende Forschungsfragen zum Design auf: Welche Arten von physischen Schnittstellen sind es wert, betrachtet zu werden? Welche Art von digitaler Erweiterung verbessert das Bestehende? Wie können hybride Konzepte ihre physischen Eigenschaften beibehalten und gleichzeitig neue digitale Funktionen ermöglichen? Was sind geeignete Methoden, um verschiedene Designs zu erforschen? Wie kann man Technologiebegeisterte bei der Erstellung von Prototypen unterstützen? Für eine systematische Untersuchung stützt sich die Arbeit auf einen designorientierten, explorativen und iterativen Entwicklungsprozess unter Verwendung digitaler Fabrikationsmethoden und neuartiger Materialien. Im Hauptteil werden vier Forschungsprojekte vorgestellt, die verschiedene visuelle und interaktive Prinzipien entlang realer Anwendungen diskutieren. Die Szenarien reichen von digital angereichertem Papier, interaktiven Kordeln über visuelle Erweiterungen von Uhrarmbändern bis hin zu neuartigen Prototyping-Tools für intelligente Kleidungsstücke. Um neue Designansätze aufzuzeigen, integrieren nahezu alle visuelles Feedback und haptische Eingaben, um Alternativen zu Standard-Eingabemodalitäten auf starren Pixelbildschirmen zu schaffen. Die Dissertation hat gezeigt, wie wertvoll es sein kann, bekannte, analoge Anwendungen zu überdenken und sie dabei gleichzeitig mit Bedacht digital zu erweitern. Dabei umfasst die vorliegende Arbeit sowohl realisierte technische Forschungsplattformen als auch übergreifende konzeptionelle Arbeiten, Nutzerstudien und technische Experimente sowie die Analyse existierender Forschungsarbeiten

Research through Design of Bendable Interactive Playing Cards

Ph.D

The Importance of Hand Motions for Communication and Interaction in Virtual Reality

Virtual reality (VR) is a growing method of communication and play. Recent advances have enabled hand-tracking technologies for consumer VR headsets, allowing virtual hands to mimic a user\u27s real hand movements in real-time. A growing number of users now utilize hand-tracking when using VR to manipulate objects or to create gestures when interacting with others. As VR grows as a tool and communication platform, it is important to understand how the rising prevalence of hand-tracking technology might affect users\u27 experiences. The goal of this dissertation is to investigate, through a series of experiments, how using hand motions in VR influences our experience when we communicate with others or interact with the environment. In our daily lives hand motions play a major role in interpersonal communication. Our hands can help emphasize or clarify our speech, or even supplement words entirely. When interacting with the world, hands are our primary tool for manipulating objects and performing dexterous tasks. Bringing these capabilities into VR, a space that has so far been lacking in such detailed expression and interaction, may have unexpected effects. Overall, we show that using hand-tracking and hand motions in VR is beneficial to many metrics that are used to measure the quality of experiences in virtual environments. When using accurate hand motions, people feel more comfortable and embodied within their virtual avatars, or they feel more socially present. We recommend tracking and displaying hand motions in virtual environments if embodiment or communication are the most important criteria

Harnessing Simulated Data with Graphs

Physically accurate simulations allow for unlimited exploration of arbitrarily crafted environments. From a scientific perspective, digital representations of the real world are useful because they make it easy validate ideas. Virtual sandboxes allow observations to be collected at-will, without intricate setting up for measurements or needing to wait on the manufacturing, shipping, and assembly of physical resources. Simulation techniques can also be utilized over and over again to test the problem without expending costly materials or producing any waste. Remarkably, this freedom to both experiment and generate data becomes even more powerful when considering the rising adoption of data-driven techniques across engineering disciplines. These are systems that aggregate over available samples to model behavior, and thus are better informed when exposed to more data. Naturally, the ability to synthesize limitless data promises to make approaches that benefit from datasets all the more robust and desirable. However, the ability to readily and endlessly produce synthetic examples also introduces several new challenges. Data must be collected in an adaptive format that can capture the complete diversity of states achievable in arbitrary simulated configurations while too remaining amenable to downstream applications. The quantity and zoology of observations must also straddle a range which prevents overfitting but is descriptive enough to produce a robust approach. Pipelines that naively measure virtual scenarios can easily be overwhelmed by trying to sample an infinite set of available configurations. Variations observed across multiple dimensions can quickly lead to a daunting expansion of states, all of which must be processed and solved. These and several other concerns must first be addressed in order to safely leverage the potential of boundless simulated data. In response to these challenges, this thesis proposes to wield graphs in order to instill structure over digitally captured data, and curb the growth of variables. The paradigm of pairing data with graphs introduced in this dissertation serves to enforce consistency, localize operators, and crucially factor out any combinatorial explosion of states. Results demonstrate the effectiveness of this methodology in three distinct areas, each individually offering unique challenges and practical constraints, and together showcasing the generality of the approach. Namely, studies observing state-of-the-art contributions in design for additive manufacturing, side-channel security threats, and large-scale physics based contact simulations are collectively achieved by harnessing simulated datasets with graph algorithms