Supported navigation in immersive virtual environments

  • Unterstützte Navigation in Immersiven Virtuellen Umgebungen

Freitag, Sebastian; Kuhlen, Torsten (Thesis advisor); Steinicke, Frank (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Kurzfassung

Navigation - der Prozess der Fortbewegung durch eine virtuelle Umgebung - ist eine der wichtigsten und grundlegendsten Interaktionen in Virtueller Realität (VR), da nahezu alle Anwendungen die (virtuelle) Fortbewegung des Benutzers erfordern. Keine Navigationstechnik ist jedoch für jeden Anwendungsfall geeignet, da in der Regel unterschiedliche Anforderungen - etwa hinsichtlich Realismus, Effizienz, kognitiver Belastung, Cybersickness, etc. - an die Navigation gestellt werden und alle Techniken bestimmte Vor- und Nachteile mit sich bringen. Während beispielsweise die direkte Kopplung physischer und virtueller Bewegung ("real walking") am intuitivsten und realistischsten ist, ist diese Methode in vielen Fällen ineffizient und oft durch räumliche Begrenzungen eingeschränkt. Kontinuierliche virtuelle Bewegung ohne physisches Äquivalent vermindert diese Probleme im Allgemeinen, führt jedoch oft zu Cybersickness. Die Auswahl einer Navigationsmethode für einen bestimmten Anwendungsfall ist also stets eine Abwägungsentscheidung. In dieser Arbeit entwickeln wir daher Unterstützungstechniken für die Navigation in VR, um die Nachteile solcher Techniken auszugleichen. Zum Einen untersuchen wir dazu Möglichkeiten, die Bewegungen eines Nutzers zu beeinflussen, um den Anteil physischer Bewegung an der gesamten Navigation zu erhöhen. Dazu stellen wir eine Methode vor, die den Benutzer während der Navigation zu einem Ziel repositioniert (etwa in die Mitte des realen Raumes), um damit die weitere physische Fortbewegung am Zielort zu erleichtern. Außerdem untersuchen wir, ob "rotation gain" (die veränderte Übertragung der physischen auf die virtuelle Kopfdrehung), eine Technik, die etwa für "redirected walking" eingesetzt wird, auch in Projektionssystemen wie CAVEs anwendbar ist. Zum Anderen schlagen wir Unterstützungstechniken auf der Basis einer automatischen Analyse der virtuellen Szene vor, um die virtuelle Navigation effizienter zu gestalten. Dazu untersuchen wir Sichtbarkeiten in der Szene - welche Teile der Umgebung von einer Position aus sichtbar sind - und evaluieren die Qualität dieser Positionen durch die automatische Einschätzung ihres Informationsgehalts. Zunächst vergleichen wir dazu verschiedene existierende und neue Methoden zur Berechnung solcher Qualitätsmetriken. Ferner stellen wir einen Ansatz vor, um Sichtbarkeiten effizient zu approximieren, indem die Berechnung auf begehbare Bereiche einer Szene beschränkt wird. Schließlich zeigen wir die Anwendbarkeit dieser Methoden für die Navigationsunterstützung durch ihre Integration in verschiedene Navigationstechniken. Dazu stellen wir eine Methode zur automatischen Berechnung der virtuellen Fortbewegungsgeschwindigkeit vor, die die kognitive Belastung des Nutzers verringert, einen Ansatz zur automatischen Berechnung von Zwischenpositionen bei der Navigation über größere Distanzen, der zu geringerer Cybersickness führt, sowie ein Assistenzinterface für die Erkundung virtueller Umgebungen, das das Verständnis der Umgebung zur Unterstützung weiterer Navigation verbessert.

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