Building immersive worlds: authoring content and interactivity in virtual reality

Eroglu, Sevinc; Weyers, Benjamin; Kuhlen, Torsten

doi:10.18154/RWTH-2026-02068

Building immersive worlds: authoring content and interactivity in virtual reality

Eroglu, Sevinc^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sevinc Eroglu, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak09

Hauptberichter/Gutachter
Kuhlen, Torsten (Thesis advisor)^RWTH* ; Weyers, Benjamin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-01-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-02068
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1029063/files/1029063.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Virtuelle Realität und Immersive Visualisierung (124620)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
3D interaction techniques (frei) ; content creation (frei) ; immersive authoring (frei) ; spatial reference frames (frei) ; user interface design (frei) ; visual programing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004

Kurzfassung
Ungeachtet der wachsenden Verbreitung der virtuellen Realität (VR) erschwert die Komplexität der Erstellung interaktiver virtueller Umgebungen deren umfassende Nutzung. Die Erstellung virtueller Inhalte erfordert traditionell technisches Know-how in Desktop-basierten Werkzeugen, welches vielen Nutzern fehlt. Weiterhin unterbrechen Desktop-basierte Werkzeuge die Immersion, was eine umständliche Arbeitsweise zur Folge hat. Dies motivierte die Entwicklung immersiver Autorenwerkzeuge, mit denen virtuelle Welten innerhalb der VR erstellt werden können. Da Anwendungsfälle und Zielsetzungen variieren, kann keine einzelne Technik alle Anforderungen erfüllen; manche Szenarien erfordern Schnelligkeit und Präzision, andere kreative Ausdrucksfähigkeit. Diese Arbeit untersucht und entwickelt daher benutzerfreundliche immersive Autorenwerkzeuge, die die Erstellung interaktiver virtueller Umgebungen für verschiedene Anwendungsfälle vereinfachen. Die Erstellung dieser Umgebungen umfasst zwei wesentliche Aufgaben: Inhaltserstellung und Verhaltensdefinition, anhand derer diese Arbeit gegliedert ist. Im ersten Teil liegt der Fokus auf der Inhaltserstellung, also der Erzeugung und Anordnung von 3D-Objekten. Wir stellen drei neuartige Ansätze auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen vor, jeweils angepasst an verschiedene Anwendungsfälle und Interaktionsformen. Zuerst stellen wir ein künstlerisches Werkzeug vor, das mittels einer neuartigen Interaktionstechnik ermöglicht 2D-Gemälde mit minimalem Aufwand in expressive 3D-Kunstwerke zu formen. Weiterhin führen wir eine prozedurale Methode zur Erstellung flüssigkeitsähnlicher 3D-Kunstwerke ein, die expressive Manipulationen mittels Gesten sowie Pusten als neuartiger Interaktionsform ermöglicht. Zuletzt präsentieren wir eine Technik im Simulationskontext, die eine schnelle und präzise Objektplatzierung für die Erstellung von Straßennetzen durch indirekte Freihandinteraktionen ermöglicht. Der zweite Teil behandelt die Verhaltensdefinition, die beschreibt wie virtuelle Objekte auf Nutzeraktionen oder Umwelteinflüsse reagieren. Wir stellen vereinfachte grafische Programmieransätze für die immersive Nutzung vor und untersuchen weiter die Positionierung der Interface-Elemente zur Verbesserung des Nutzererlebnisses. Wir präsentieren einen blockbasierten visuellen Programmieransatz, bei dem Nutzer das Verhalten anhand von Bedingungen und Aktionen per Drag-and-Drop-Interaktion definieren. Weiterhin führen wir eine Datenfluss-basierte Technik ein, bei der Nutzer Eingabequellen visuell mit Objektparametern verbinden. Zudem zeigen wir, wie die räumliche Anordnung der Interface-Elemente die Nutzbarkeit und Effizienz beeinflusst.Zusammenfassend trägt diese Forschung neue Erkenntnisse zur Gestaltung benutzerfreundlicher immersiver Autorenwerkzeuge bei, die die effektive Erstellung interaktiver virtueller Umgebungen für ein breites Nutzerspektrum erleichtern.

Despite the growing adoption of Virtual Reality (VR) across various fields, the complexity of creating interactive virtual environments limits its wider use and impact. Traditional content creation workflows often require technical expertise in desktop-based tools, which poses a barrier for many potential users. Even with expertise, switching between VR and desktop environments disrupts immersion and workflow. This challenge has motivated the development of immersive authoring systems that enable users to create and modify virtual environments directly within VR. However, due to diverse use cases and application domains, no single authoring technique can meet all requirements; while some require speed and accuracy, others might prioritize expressive capabilities. In this thesis, we therefore investigate and propose user-friendly immersive authoring techniques that simplify the creation of interactive virtual environments across various use cases. Creating such environments involves two main challenges: creation of content and definition of its behavior. Thus, our contributions are divided into two parts. In the first part, we focus on immersive content authoring, i.e., the creation and arrangement of 3D scene elements. We present three novel authoring approaches at increasing levels of abstraction, each tailored to different use cases and interaction modalities. First, we present an artistic workflow that enables users to transform 2D paintings into expressive 3D artworks through a novel sculpting technique that enables intuitive shape manipulation with minimal effort. Second, we introduce a sketching-based procedural method for creating fluid-like 3D content, allowing manipulation via mid-air gestures and a novel blowing-based interaction to support expressive creation. Third, we propose a high-level scene authoring technique in a simulation context, enabling fast and precise object placement for road network creation via novel indirect free-hand interactions. In the second part, we focus on authoring interactivity, i.e., defining how virtual objects respond to user actions or environmental triggers. We introduce simplified visual programming approaches designed for immersive use and further investigate the positioning of the interface elements to improve user experience. In this context, we present a block-based visual programming approach where users define behavior by combining conditions and actions via drag-and-drop interactions. We further introduce a behavior authoring technique inspired by dataflow programming, in which users visually connect input sources to object parameters. In addition, we show how the spatial positioning of the interface elements affects usability and performance. In summary, this research contributes valuable insights into the design of user-friendly immersive authoring techniques and VR interfaces that facilitate the effective creation of interactive virtual environments for a broad range of users.

OpenAccess:
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