Stereoscopic bimanual interaction for 3D visualization

Virtual Environments (VE) are being widely used in various research fields for several decades such as 3D visualization, education, training and games. VEs have the potential to enhance the visualization and act as a general medium for human-computer interaction (HCI). However, limited research has evaluated virtual reality (VR) display technologies, monocular and binocular depth cues, for human depth perception of volumetric (non-polygonal) datasets. In addition, a lack of standardization of three-dimensional (3D) user interfaces (UI) makes it challenging to interact with many VE systems. To address these issues, this dissertation focuses on evaluation of effects of stereoscopic and head-coupled displays on depth judgment of volumetric dataset. It also focuses on evaluation of a two-handed view manipulation techniques which support simultaneous 7 degree-of-freedom (DOF) navigation (x,y,z + yaw,pitch,roll + scale) in a multi-scale virtual environment (MSVE). Furthermore, this dissertation evaluates auto-adjustment of stereo view parameters techniques for stereoscopic fusion problems in a MSVE. Next, this dissertation presents a bimanual, hybrid user interface which combines traditional tracking devices with computer-vision based "natural" 3D inputs for multi-dimensional visualization in a semi-immersive desktop VR system. In conclusion, this dissertation provides a guideline for research design for evaluating UI and interaction techniques

The matrix revisited: A critical assessment of virtual reality technologies for modeling, simulation, and training

A convergence of affordable hardware, current events, and decades of research have advanced virtual reality (VR) from the research lab into the commercial marketplace. Since its inception in the 1960s, and over the next three decades, the technology was portrayed as a rarely used, high-end novelty for special applications. Despite the high cost, applications have expanded into defense, education, manufacturing, and medicine. The promise of VR for entertainment arose in the early 1990\u27s and by 2016 several consumer VR platforms were released. With VR now accessible in the home and the isolationist lifestyle adopted due to the COVID-19 global pandemic, VR is now viewed as a potential tool to enhance remote education. Drawing upon over 17 years of experience across numerous VR applications, this dissertation examines the optimal use of VR technologies in the areas of visualization, simulation, training, education, art, and entertainment. It will be demonstrated that VR is well suited for education and training applications, with modest advantages in simulation. Using this context, the case is made that VR can play a pivotal role in the future of education and training in a globally connected world

Beyond visualization : designing interfaces to contextualize geospatial data

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, School of Architecture and Planning, Program in Media Arts and Sciences, 2013.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 71-74).The growing sensor data collections about our environment have the potential to drastically change our perception of the fragile world we live in. To make sense of such data, we commonly use visualization techniques, enabling public discourse and analysis. This thesis describes the design and implementation of a series of interactive systems that integrate geospatial sensor data visualization and terrain models with various user interface modalities in an educational context to support data analysis and knowledge building using part-digital, part-physical rendering. The main contribution of this thesis is a concrete application scenario and initial prototype of a "Designed Environment" where we can explore the relationship between the surface of Japan's islands, the tension that originates in the fault lines along the seafloor beneath its east coast, and the resulting natural disasters. The system is able to import geospatial data from a multitude of sources on the "Spatial Web", bringing us one step closer to a tangible "dashboard of the Earth."Samuel Luescher.S.M

Spherical tangible user interfaces in mixed reality

The popularity of virtual reality (VR) and augmented reality (AR) has grown rapidly in recent years, both in academia and commercial applications. This is rooted in technological advances and affordable head-mounted displays (HMDs). Whether in games or professional applications, HMDs allow for immersive audio-visual experiences that transport users to compelling digital worlds or convincingly augment the real world. However, as true to life as these experiences have become in a visual and auditory sense, the question remains how we can model interaction with these virtual environments in an equally natural way. Solutions providing intuitive tangible interaction would bear the potential to fundamentally make the mixed reality (MR) spectrum more accessible, especially for novice users. Research on tangible user interfaces (TUIs) has pursued this goal by coupling virtual to real-world objects. Tangible interaction has been shown to provide significant advantages for numerous use cases. Spherical tangible user interfaces (STUIs) present a special case of these devices, mainly due to their ability to fully embody any spherical virtual content. In general, spherical devices increasingly transition from mere technology demonstrators to usable multi-modal interfaces. For this dissertation, we explore the application of STUIs in MR environments primarily by comparing them to state-of-the-art input techniques in four different contexts. Thus, investigating the questions of embodiment, overall user performance, and the ability of STUIs relying on their shape alone to support complex interaction techniques. First, we examine how spherical devices can embody immersive visualizations. In an initial study, we test the practicality of a tracked sphere embodying three kinds of visualizations. We examine simulated multi-touch interaction on a spherical surface and compare two different sphere sizes to VR controllers. Results confirmed our prototype's viability and indicate improved pattern recognition and advantages for the smaller sphere. Second, to further substantiate VR as a prototyping technology, we demonstrate how a large tangible spherical display can be simulated in VR. We show how VR can fundamentally extend the capabilities of real spherical displays by adding physical rotation to a simulated multi-touch surface. After a first study evaluating the general viability of simulating such a display in VR, our second study revealed the superiority of a rotating spherical display. Third, we present a concept for a spherical input device for tangible AR (TAR). We show how such a device can provide basic object manipulation capabilities utilizing two different modes and compare it to controller techniques with increasing hardware complexity. Our results show that our button-less sphere-based technique is only outperformed by a mode-less controller variant that uses physical buttons and a touchpad. Fourth, to study the intrinsic problem of VR locomotion, we explore two opposing approaches: a continuous and a discrete technique. For the first, we demonstrate a spherical locomotion device supporting two different locomotion paradigms that propel a user's first-person avatar accordingly. We found that a position control paradigm applied to a sphere performed mostly superior in comparison to button-supported controller interaction. For discrete locomotion, we evaluate the concept of a spherical world in miniature (SWIM) used for avatar teleportation in a large virtual environment. Results showed that users subjectively preferred the sphere-based technique over regular controllers and on average, achieved lower task times and higher accuracy. To conclude the thesis, we discuss our findings, insights, and subsequent contribution to our central research questions to derive recommendations for designing techniques based on spherical input devices and an outlook on the future development of spherical devices in the mixed reality spectrum.Die Popularität von Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) hat in den letzten Jahren rasant zugenommen, sowohl im akademischen Bereich als auch bei kommerziellen Anwendungen. Dies ist in erster Linie auf technologische Fortschritte und erschwingliche Head-Mounted Displays (HMDs) zurückzuführen. Ob in Spielen oder professionellen Anwendungen, HMDs ermöglichen immersive audiovisuelle Erfahrungen, die uns in fesselnde digitale Welten versetzen oder die reale Welt überzeugend erweitern. Doch so lebensecht diese Erfahrungen in visueller und auditiver Hinsicht geworden sind, so bleibt doch die Frage, wie die Interaktion mit diesen virtuellen Umgebungen auf ebenso natürliche Weise gestaltet werden kann. Lösungen, die eine intuitive, greifbare Interaktion ermöglichen, hätten das Potenzial, das Spektrum der Mixed Reality (MR) fundamental zugänglicher zu machen, insbesondere für Unerfahrene. Die Forschung an Tangible User Interfaces (TUIs) hat dieses Ziel durch das Koppeln virtueller und realer Objekte verfolgt und so hat sich gezeigt, dass greifbare Interaktion für zahlreiche Anwendungsfälle signifikante Vorteile bietet. Spherical Tangible User Interfaces (STUIs) stellen einen Spezialfall von greifbaren Interfaces dar, insbesondere aufgrund ihrer Fähigkeit, beliebige sphärische virtuelle Inhalte vollständig verkörpern zu können. Generell entwickeln sich sphärische Geräte zunehmend von reinen Technologiedemonstratoren zu nutzbaren multimodalen Instrumenten, die auf eine breite Palette von Interaktionstechniken zurückgreifen können. Diese Dissertation untersucht primär die Anwendung von STUIs in MR-Umgebungen durch einen Vergleich mit State-of-the-Art-Eingabetechniken in vier verschiedenen Kontexten. Dies ermöglicht die Erforschung der Bedeutung der Verkörperung virtueller Objekte, der Benutzerleistung im Allgemeinen und der Fähigkeit von STUIs, die sich lediglich auf ihre Form verlassen, komplexe Interaktionstechniken zu unterstützen. Zunächst erforschen wir, wie sphärische Geräte immersive Visualisierungen verkörpern können. Eine erste Studie ergründet die Praxistauglichkeit einer einfach konstruierten, getrackten Kugel, die drei Arten von Visualisierungen verkörpert. Wir testen simulierte Multi-Touch-Interaktion auf einer sphärischen Oberfläche und vergleichen zwei Kugelgrößen mit VR-Controllern. Die Ergebnisse bestätigten die Praxistauglichkeit des Prototyps und deuten auf verbesserte Mustererkennung sowie Vorteile für die kleinere Kugel hin. Zweitens, um die Validität von VR als Prototyping-Technologie zu bekräftigen, demonstrieren wir, wie ein großes, anfassbares sphärisches Display in VR simuliert werden kann. Es zeigt sich, wie VR die Möglichkeiten realer sphärischer Displays substantiell erweitern kann, indem eine simulierte Multi-Touch-Oberfläche um die Fähigkeit der physischen Rotation ergänzt wird. Nach einer ersten Studie, die die generelle Machbarkeit der Simulation eines solchen Displays in VR evaluiert, zeigte eine zweite Studie die Überlegenheit des drehbaren sphärischen Displays. Drittens präsentiert diese Arbeit ein Konzept für ein sphärisches Eingabegerät für Tangible AR (TAR). Wir zeigen, wie ein solches Werkzeug grundlegende Fähigkeiten zur Objektmanipulation unter Verwendung von zwei verschiedenen Modi bereitstellen kann und vergleichen es mit Eingabetechniken deren Hardwarekomplexität zunehmend steigt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die kugelbasierte Technik, die ohne Knöpfe auskommt, nur von einer Controller-Variante übertroffen wird, die physische Knöpfe und ein Touchpad verwendet und somit nicht auf unterschiedliche Modi angewiesen ist. Viertens, um das intrinsische Problem der Fortbewegung in VR zu erforschen, untersuchen wir zwei gegensätzliche Ansätze: eine kontinuierliche und eine diskrete Technik. Für die erste präsentieren wir ein sphärisches Eingabegerät zur Fortbewegung, das zwei verschiedene Paradigmen unterstützt, die einen First-Person-Avatar entsprechend bewegen. Es zeigte sich, dass das Paradigma der direkten Positionssteuerung, angewandt auf einen Kugel-Controller, im Vergleich zu regulärer Controller-Interaktion, die zusätzlich auf physische Knöpfe zurückgreifen kann, meist besser abschneidet. Im Bereich der diskreten Fortbewegung evaluieren wir das Konzept einer kugelförmingen Miniaturwelt (Spherical World in Miniature, SWIM), die für die Avatar-Teleportation in einer großen virtuellen Umgebung verwendet werden kann. Die Ergebnisse zeigten eine subjektive Bevorzugung der kugelbasierten Technik im Vergleich zu regulären Controllern und im Durchschnitt eine schnellere Lösung der Aufgaben sowie eine höhere Genauigkeit. Zum Abschluss der Arbeit diskutieren wir unsere Ergebnisse, Erkenntnisse und die daraus resultierenden Beiträge zu unseren zentralen Forschungsfragen, um daraus Empfehlungen für die Gestaltung von Techniken auf Basis kugelförmiger Eingabegeräte und einen Ausblick auf die mögliche zukünftige Entwicklung sphärischer Eingabegräte im Mixed-Reality-Bereich abzuleiten

SPATIAL PERCEPTION AND ROBOT OPERATION: THE RELATIONSHIP BETWEEN VISUAL SPATIAL ABILITY AND PERFORMANCE UNDER DIRECT LINE OF SIGHT AND TELEOPERATION

This dissertation investigated the relationship between the spatial perception abilities of operators and robot operation under direct-line-of-sight and teleoperation viewing conditions. This study was an effort to determine if spatial ability testing may be a useful tool in the selection of human-robot interaction (HRI) operators. Participants completed eight cognitive ability measures and operated one of four types of robots under tasks of low and high difficulty. Performance for each participant was tested during both direct-line-of-sight and teleoperation. These results provide additional evidence that spatial perception abilities are reliable predictors of direct-line-of-sight and teleoperation performance. Participants in this study with higher spatial abilities performed faster, with fewer errors, and less variability. In addition, participants with higher spatial abilities were more successful in the accumulation of points. Applications of these findings are discussed in terms of teleoperator selection tools and HRI training and design recommendations with a human-centered design approach

Mobile Robots Navigation

Mobile robots navigation includes different interrelated activities: (i) perception, as obtaining and interpreting sensory information; (ii) exploration, as the strategy that guides the robot to select the next direction to go; (iii) mapping, involving the construction of a spatial representation by using the sensory information perceived; (iv) localization, as the strategy to estimate the robot position within the spatial map; (v) path planning, as the strategy to find a path towards a goal location being optimal or not; and (vi) path execution, where motor actions are determined and adapted to environmental changes. The book addresses those activities by integrating results from the research work of several authors all over the world. Research cases are documented in 32 chapters organized within 7 categories next described

Virtual Reality

At present, the virtual reality has impact on information organization and management and even changes design principle of information systems, which will make it adapt to application requirements. The book aims to provide a broader perspective of virtual reality on development and application. First part of the book is named as "virtual reality visualization and vision" and includes new developments in virtual reality visualization of 3D scenarios, virtual reality and vision, high fidelity immersive virtual reality included tracking, rendering and display subsystems. The second part named as "virtual reality in robot technology" brings forth applications of virtual reality in remote rehabilitation robot-based rehabilitation evaluation method and multi-legged robot adaptive walking in unstructured terrains. The third part, named as "industrial and construction applications" is about the product design, space industry, building information modeling, construction and maintenance by virtual reality, and so on. And the last part, which is named as "culture and life of human" describes applications of culture life and multimedia-technology

PolyVR - A Virtual Reality Authoring Framework for Engineering Applications

Die virtuelle Realität ist ein fantastischer Ort, frei von Einschränkungen und vielen Möglichkeiten. Für Ingenieure ist dies der perfekte Ort, um Wissenschaft und Technik zu erleben, es fehlt jedoch die Infrastruktur, um die virtuelle Realität zugänglich zu machen, insbesondere für technische Anwendungen. Diese Arbeit bescheibt die Entstehung einer Softwareumgebung, die eine einfachere Entwicklung von Virtual-Reality-Anwendungen und deren Implementierung in immersiven Hardware-Setups ermöglicht. Virtual Engineering, die Verwendung virtueller Umgebungen für Design-Reviews während des Produktentwicklungsprozesses, wird insbesondere von kleinen und mittleren Unternehmen nur äußerst selten eingesetzt. Die Hauptgründe sind nicht mehr die hohen Kosten für professionelle Virtual-Reality-Hardware, sondern das Fehlen automatisierter Virtualisierungsabläufe und die hohen Wartungs- und Softwareentwicklungskosten. Ein wichtiger Aspekt bei der Automatisierung von Virtualisierung ist die Integration von Intelligenz in künstlichen Umgebungen. Ontologien sind die Grundlage des menschlichen Verstehens und der Intelligenz. Die Kategorisierung unseres Universums in Begriffe, Eigenschaften und Regeln ist ein grundlegender Schritt von Prozessen wie Beobachtung, Lernen oder Wissen. Diese Arbeit zielt darauf ab, einen Schritt zu einem breiteren Einsatz von Virtual-Reality-Anwendungen in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik zu entwickeln. Der Ansatz ist der Aufbau eines Virtual-Reality-Authoring-Tools, eines Softwarepakets zur Vereinfachung der Erstellung von virtuellen Welten und der Implementierung dieser Welten in fortschrittlichen immersiven Hardware-Umgebungen wie verteilten Visualisierungssystemen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, das intuitive Authoring von semantischen Elementen in virtuellen Welten zu ermöglichen. Dies sollte die Erstellung von virtuellen Inhalten und die Interaktionsmöglichkeiten revolutionieren. Intelligente immersive Umgebungen sind der Schlüssel, um das Lernen und Trainieren in virtuellen Welten zu fördern, Prozesse zu planen und zu überwachen oder den Weg für völlig neue Interaktionsparadigmen zu ebnen

An Analysis of Astronaut Performance Capability in the Lunar Environment. Volume 2 - Performance Capability Support Data

Astronaut performance capability in lunar environmen