Ein objektorientiertes Interaktionsmodell zur Unterstützung verteilter virtueller Umgebungen

Virtual Reality (Virtuelle Realität - VR) ermöglicht es Benutzern, durch interaktive dreidimensionale Computergraphik und die Integration verschiedener Ein- und Ausgabemedien synthetische Umgebungen zu erleben. Dabei sollte das Agieren der Benutzer in der Umgebung beziehungsweise mit den Objekten der Umgebung möglichst natürlich und intuitiv erfolgen. Dies erfordert zum einen die Unterstützung entsprechender Benutzerinteraktionen, die es ermöglichen, in einer VR-Umgebung zu navigieren und interagieren. Andererseits ist es jedoch auch notwendig, zum Teil komplexes Verhalten der einzelnen Objekte der synthetischen Umgebung zu realisieren. Neben der Modellierung der einzelnen künstlichen dreidimensionalen Objekte erfordert die Realisierung von Interaktionen und Objektverhalten einen wesentlichen Teil des Aufwandes bei der Entwicklung virtueller Umgebungen. Während VR-Systeme oder sogenannte VR-Toolkits die Visualisierung virtueller Welten und die Navigation in diesen ermöglichen, fehlt es in der Regel an einer ausreichenden Unterstützung zur Realisierung komplexer Benutzerinteraktionen und Objektverhalten. Sollen mehrere Benutzer einer virtuellen Umgebung über ein Netzwerk miteinander verbunden werden und miteinander agieren oder sogar kooperieren, fehlen in diesem Bereich flexible Mechanismen, welche einen Betrieb (zum Beispiel über das Internet) unterstützen. In dieser Arbeit wird ein neues objektorientiertes Interaktionsmodell für verteilte virtuelle Umgebungen vorgestellt. Es zeigt, wie zur Realisierung von Benutzerinteraktionen und Objektverhalten in virtuellen Welten Modellierung anstatt der bisher üblichen Programmierung eingesetzt werden kann. Dies vereinfacht einerseits die Entwicklung, unterstützt andererseits aber auch die einfache Wiederverwendbarkeit einmal durchgeführter Entwicklungen. Die Arbeit beschreibt, wie Interaktionsobjekte zur Realisierung von Benutzerinteraktionen und Objektverhalten aus einfachen Komponenten zusammengesetzt werden können. Ein Interaktionsobjekt, welches auf diese Art modelliert wurde, kann zur Realisierung einer Benutzerinteraktion oder eines Objektverhaltens an ein Objekt der VR-Umgebung gekoppelt werden. Die Umsetzung einer konkreten Benutzereingabe erfolgt dadurch, daß Ein- und Ausgabemedien, die Objekte der VR-Umgebung sowie die Interaktionsobjekte Ereignisse oder Nachrichten miteinander austauschen. Der Vorteil dieses Modells für verteilte VR-Umgebungen besteht darin, daß diese Nachrichten und Ereignisse auch über eine Netzwerkverbindung verteilt werden können. Die praktische Anwendbarkeit des Interaktionsmodells wird anhand einer prototypischen Implementierung in Form eines Toolkits vorgestellt. VRML (Virtual Reality Modeling Language) hat sich als Standardbeschreibungssprache für dreidimensionale Welten auf dem Internet etabliert. Es wurde daher als Grundlage für die Realisierung des Prototyps ausgewählt. Bei einer internationalen Ausschreibung für die zweite Version dieses Standards wurde ein auf einer frühen Version des in dieser Arbeit entwickelten Modells beruhender Vorschlag als einziger nicht kommerzieller Vorschlag eingereicht. Er erzielte die insgesamt zweitbeste Bewertung.

Virtual Reality (VR) enables the user to experience synthetic environments by interactive three dimensional (3D) computer graphics. This requires support for user interactions as well as object behavior. While support for user interactions in such virtual environments (VE) should enable the user to navigate through the environment and to interact with objects naturally and intuitively, object behaviors are independent of user input. Existing VR systems or VR toolkits visualize virtual environments and allow one to navigate through the scene, but lack appropriate support for realizing complex user interactions and object behaviors. Flexible mechanisms to support the interaction of several distributed users of a virtual environment over a heterogeneous network (for example the Internet) are not yet available. This dissertation introduces a new object oriented interaction model for distributed collaborative virtual environments. It shows how modeling rather than programming can be used to realize user interactions and object behaviors in virtual worlds. This simplifies the development of new worlds and allows a simple application of existing implementations to new synthetic 3D objects. This work further points out how interaction objects - assembled from a set of simple components - can be used to realize user interactions and object behaviors. An interaction object, realizing a specific user interaction or object behavior can be applied to any number of synthetic objects within the VR environment. User input is realized by the exchange of messages between input and output devices, objects of the VR environment and the interaction objects. This method provides the advantage that these messages and events can also be distributed over a network connection. The feasibility of the interaction model is proved by a prototype implementation. VRML (Virtual Reality Modeling Language) has established itself as a standard for three dimensional data and virtual worlds on the Internet. For that reason it was chosen as the basic platform for the realization of the prototype. At an international call for proposals for the second version of this standard, a proposal, based on an earlier version of the model developed in this work, was submitted as the only non-commercial proposal and obtained the second-best rating.