Supported navigation in immersive virtual environments

Freitag, Sebastian; Steinicke, Frank; Kuhlen, Torsten

doi:10.18154/RWTH-2018-229143

Supported navigation in immersive virtual environments = Unterstützte Navigation in Immersiven Virtuellen Umgebungen

Freitag, Sebastian

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Freitag, M. Sc.

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (222 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kuhlen, Torsten (Thesis advisor) ; Steinicke, Frank (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-09-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-229143
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/745922/files/745922.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/745922/files/745922.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Virtual reality (frei) ; VR (frei) ; interaction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004

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.

Navigation - the process of getting from one location in a virtual scene to another - is one of the most important and fundamental types of interaction in Virtual Reality, as it is part of most use cases and applications in some way or another. However, there is no single navigation technique that is suitable and appropriate for all use cases, as there is typically a different set of requirements for each application, e.g., regarding realism, efficiency, cognitive load, cybersickness, etc. Furthermore, all techniques come with their own set of drawbacks. For example, while mapping the user's physical motion directly to their virtual motion ("real walking") is the most intuitive and realistic technique, it is constrained by spatial limitations and often inefficient - as in reality. In contrast, continuous virtual movement without moving physically mostly resolves these constraints, but often leads to cybersickness. Therefore, the selection of a navigation technique for any use case is usually a trade-off decision. In this thesis, we therefore investigate and propose navigation support techniques to mitigate the negative aspects of these trade-offs. First, we examine ways to manipulate a user's movement to increase the share of real walking relative to the overall amount of navigation. In this context, we present a navigation technique that repositions the user (e.g., to the center of the available real-world space) while they travel to a target in order to maximize the interaction space and facilitate real walking at the chosen location. Furthermore, we investigate whether rotation gain (the manipulation of the mapping between physical and virtual head rotations), which can be used for techniques such as redirected walking, is usable in screen-based setups such as CAVE-like environments. Second, we propose navigation support techniques based on an automated analysis of the virtual scene that are aimed at making navigation more efficient. To this end, we analyze scene visibility (which parts of the scene are visible from any viewpoint) and the evaluation of the quality of such a viewpoint (how informative it is). First, we present a comparison of different measures to estimate viewpoint quality along with novel methods of our own. Furthermore, we introduce an approach for approximating scene visibility efficiently by restricting the computation to navigable areas of a scene. In addition, we show that these techniques can be used successfully to increase the efficiency of navigation, by integrating them into different navigation interfaces. In this context, we propose a technique to adjust travel speed automatically, reducing the amount of required cognitive resources, an approach to automatically choose intermediate target locations during long-distance travel that reduces cybersickness, and an exploration assistance technique that improves the user's cognitive map build up to allow for more efficient subsequent navigation.

OpenAccess:
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