Enhanced Virtuality: Increasing the Usability and Productivity of Virtual Environments

Mit stetig steigender Bildschirmauflösung, genauerem Tracking und fallenden Preisen stehen Virtual Reality (VR) Systeme kurz davor sich erfolgreich am Markt zu etablieren. Verschiedene Werkzeuge helfen Entwicklern bei der Erstellung komplexer Interaktionen mit mehreren Benutzern innerhalb adaptiver virtueller Umgebungen. Allerdings entstehen mit der Verbreitung der VR-Systeme auch zusätzliche Herausforderungen: Diverse Eingabegeräte mit ungewohnten Formen und Tastenlayouts verhindern eine intuitive Interaktion. Darüber hinaus zwingt der eingeschränkte Funktionsumfang bestehender Software die Nutzer dazu, auf herkömmliche PC- oder Touch-basierte Systeme zurückzugreifen. Außerdem birgt die Zusammenarbeit mit anderen Anwendern am gleichen Standort Herausforderungen hinsichtlich der Kalibrierung unterschiedlicher Trackingsysteme und der Kollisionsvermeidung. Beim entfernten Zusammenarbeiten wird die Interaktion durch Latenzzeiten und Verbindungsverluste zusätzlich beeinflusst. Schließlich haben die Benutzer unterschiedliche Anforderungen an die Visualisierung von Inhalten, z.B. Größe, Ausrichtung, Farbe oder Kontrast, innerhalb der virtuellen Welten. Eine strikte Nachbildung von realen Umgebungen in VR verschenkt Potential und wird es nicht ermöglichen, die individuellen Bedürfnisse der Benutzer zu berücksichtigen. Um diese Probleme anzugehen, werden in der vorliegenden Arbeit Lösungen in den Bereichen Eingabe, Zusammenarbeit und Erweiterung von virtuellen Welten und Benutzern vorgestellt, die darauf abzielen, die Benutzerfreundlichkeit und Produktivität von VR zu erhöhen. Zunächst werden PC-basierte Hardware und Software in die virtuelle Welt übertragen, um die Vertrautheit und den Funktionsumfang bestehender Anwendungen in VR zu erhalten. Virtuelle Stellvertreter von physischen Geräten, z.B. Tastatur und Tablet, und ein VR-Modus für Anwendungen ermöglichen es dem Benutzer reale Fähigkeiten in die virtuelle Welt zu übertragen. Des Weiteren wird ein Algorithmus vorgestellt, der die Kalibrierung mehrerer ko-lokaler VR-Geräte mit hoher Genauigkeit und geringen Hardwareanforderungen und geringem Aufwand ermöglicht. Da VR-Headsets die reale Umgebung der Benutzer ausblenden, wird die Relevanz einer Ganzkörper-Avatar-Visualisierung für die Kollisionsvermeidung und das entfernte Zusammenarbeiten nachgewiesen. Darüber hinaus werden personalisierte räumliche oder zeitliche Modifikationen vorgestellt, die es erlauben, die Benutzerfreundlichkeit, Arbeitsleistung und soziale Präsenz von Benutzern zu erhöhen. Diskrepanzen zwischen den virtuellen Welten, die durch persönliche Anpassungen entstehen, werden durch Methoden der Avatar-Umlenkung (engl. redirection) kompensiert. Abschließend werden einige der Methoden und Erkenntnisse in eine beispielhafte Anwendung integriert, um deren praktische Anwendbarkeit zu verdeutlichen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass virtuelle Umgebungen auf realen Fähigkeiten und Erfahrungen aufbauen können, um eine vertraute und einfache Interaktion und Zusammenarbeit von Benutzern zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglichen individuelle Erweiterungen des virtuellen Inhalts und der Avatare Einschränkungen der realen Welt zu überwinden und das Erlebnis von VR-Umgebungen zu steigern.

Current virtual reality (VR) hardware is on the verge of becoming a mainstream technology as display resolution and tracking accuracy increase steadily and prices fall. Different tools and frameworks help developers to create complex interactions with multiple users within adaptive virtual environments (VEs). However, as the landscape of VR grows, additional challenges arise: Diverse input controls with unfamiliar shapes and button layouts prohibit intuitive interaction. Furthermore, the limited functional range of existing software forces users to fall back to conventional personal computer (PC) or touch-based systems. Collaboration with other co-located users has challenges regarding tracking space calibration and collision avoidance. While working remotely, the interaction is influenced by latency and connection losses. Lastly, users have different requirements for the visualization of content, e.g., size, orientation, or appearance, within the virtual worlds. Strictly replicating real-world conditions within VEs will not allow to accommodate the individual needs of users. To address these issues, this thesis presents advancements within the domains of input, collaboration, and enhancement of virtual worlds and users that target to increase the usability and productivity of VEs. First, PC-based hardware and software are transferred into the VE to foster the familiarity and functional range of existing applications. Virtual proxies of physical devices, i.e., keyboard and tablet, and a VR-mode for applications allow users to transfer real-world skills into the virtual world. Next, an algorithm is presented that allows the calibration of multiple co-located VR devices with high accuracy and low hardware requirements and effort. The pertinence of a full-body avatar visualization is validated for co-located collision avoidance and remote collaboration as VR headsets block out the real-world surroundings of users. Moreover, personalized spatial or temporal modifications of the VE are proposed that allow increasing the usability, task performance, and social presence of users. Discrepancies between the virtual worlds due to personal adaptations are compensated using avatar redirection methods. Finally, some of the methods and insights are integrated into an exemplary application to highlight their practical applicability. The presented work shows that VEs can build upon real-world skills and experiences to enable a familiar and easy interaction and collaboration of users. Furthermore, personal enhancements of the virtual content and user avatars allow to overcome real-world limitations and boost VR experiences.