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Das Interesse an Virtual Reality (VR) für die Hochschullehre steigt aktuell vermehrt durch die Möglichkeit, logistisch schwierige Aufgaben abzubilden sowie aufgrund positiver Ergebnisse aus Wirksamkeitsstudien. Gleichzeitig fehlt es jedoch an Studien, die immersive VR-Umgebungen, nicht-immersive Desktop-Umgebungen und konventionelle Lernmaterialien gegenüberstellen und lehr-lernmethodische Aspekte evaluieren. Aus diesem Grund beschäftigt sich dieser Beitrag mit der Konzeption und Realisierung einer Lernumgebung für die Hochschullehre, die sowohl mit einem Head Mounted Display (HMD) als auch mittels Desktops genutzt werden kann, sowie deren Evaluation anhand eines experimentellen Gruppendesigns. Die Lernumgebung wurde auf Basis einer eigens entwickelten Softwareplattform erstellt und die Wirksamkeit mithilfe von zwei Experimentalgruppen – VR vs. Desktop-Umgebung – und einer Kontrollgruppe evaluiert und verglichen. In einer Pilotstudie konnten sowohl qualitativ als auch quantitativ positive Einschätzungen der Usability der Lernumgebung in beiden Experimentalgruppen herausgestellt werden. Darüber hinaus zeigten sich positive Effekte auf die kognitive und affektive Wirkung der Lernumgebung im Vergleich zu konventionellen Lernmaterialien. Unterschiede zwischen der Nutzung als VR- oder Desktop-Umgebung zeigen sich auf kognitiver und affektiver Ebene jedoch kaum. Die Analyse von Log-Daten deutet allerdings auf Unterschiede im Lern- und Explorationsverhalten hin.
Virtueller Journalismus
(2020)
Computer graphics research strives to synthesize images of a high visual realism that are indistinguishable from real visual experiences. While modern image synthesis approaches enable to create digital images of astonishing complexity and beauty, processing resources remain a limiting factor. Here, rendering efficiency is a central challenge involving a trade-off between visual fidelity and interactivity. For that reason, there is still a fundamental difference between the perception of the physical world and computer-generated imagery. At the same time, advances in display technologies drive the development of novel display devices. The dynamic range, the pixel densities, and refresh rates are constantly increasing. Display systems enable a larger visual field to be addressed by covering a wider field-of-view, due to either their size or in the form of head-mounted devices. Currently, research prototypes are ranging from stereo and multi-view systems, head-mounted devices with adaptable lenses, up to retinal projection, and lightfield/holographic displays. Computer graphics has to keep step with, as driving these devices presents us with immense challenges, most of which are currently unsolved. Fortunately, the human visual system has certain limitations, which means that providing the highest possible visual quality is not always necessary. Visual input passes through the eye’s optics, is filtered, and is processed at higher level structures in the brain. Knowledge of these processes helps to design novel rendering approaches that allow the creation of images at a higher quality and within a reduced time-frame. This thesis presents the state-of-the-art research and models that exploit the limitations of perception in order to increase visual quality but also to reduce workload alike - a concept we call perception-driven rendering. This research results in several practical rendering approaches that allow some of the fundamental challenges of computer graphics to be tackled. By using different tracking hardware, display systems, and head-mounted devices, we show the potential of each of the presented systems. The capturing of specific processes of the human visual system can be improved by combining multiple measurements using machine learning techniques. Different sampling, filtering, and reconstruction techniques aid the visual quality of the synthesized images. An in-depth evaluation of the presented systems including benchmarks, comparative examination with image metrics as well as user studies and experiments demonstrated that the methods introduced are visually superior or on the same qualitative level as ground truth, whilst having a significantly reduced computational complexity.
Virtueller Journalismus
(2019)
In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Aspekte zum gemeinsamen Arbeiten in gemeinsam genutzten virtuellen Umgebungen behandelt. Zum einen wurden verschiedene Verfahren vorgestellt, die eine gleichzeitige Betrachtung zweier unterschiedlicher Ansichten auf einer Projektionsfläche ermöglichen (Switchen, Picture in Picture und Splitscreen). Der Schwerpunkt bei diesem Teil der Arbeit lag bei dem Splitscreen, da er zwei gleichwertige verzerrungsfreie Bilder beider Ansichten erzeugt. Um die korrekte Perspektive zu erhalten, wird der Sichtkegel der Betrachter vertikal in der Mitte geteilt. Dadurch kann ein betrachtetes Objekt am Bildrand abgeschnitten werden, weshalb die Kamera der Betrachter neu auf dieses Objekt ausgerichtet werden muss. Hierdurch können unterschiedliche Transformationen für beide Anwender erfolgen, wodurch das kollaborative Arbeiten gestört wird. Der zweite Aspekt dieser Arbeit beschäftigte sich mit einem Kollisionsproblem, welches auftreten kann, wenn mehrereBenutzer gemeinsam einen schmalen Durchgang passieren. Die Darstellung der virtuellen Umgebung erfolgt im TwoView. Hier steht den Benutzern eine frei begehbare Fläche zur Verfügung, auf der ihre realen Positionen erfasst und in die virtuelle Umgebung übertragen werden. Das Beschreiten der virtuellen Umgebung erfolgt anhand von Wegen, deren Ablaufgeschwindigkeit von einem Benutzer gesteuert werden kann. Stehen die Personen zu weit auseinander, um durch einen Durchgang zu passen, muss mindestens einer durch eine Wand laufen. Um dieses Problem zu beheben, wurde eine Pfadkorrektur implementiert, die entweder die Betrachter auf einem sicheren Weg durch diesen Durchgang leitet oder den begangenen Weg anhält. Da sowohl bei der Darstellung zweier Ansichten als auch bei der Pfadkorrektur der gemeinsame Raum beeinträchtigt werden kann, wurde zuletzt ein empirischer Test zur Bewertung dieses Effekts durchgeführt.
The objective of this research project is to develop a user-friendly and cost-effective interactive input device that allows intuitive and efficient manipulation of 3D objects (6 DoF) in virtual reality (VR) visualization environments with flat projections walls. During this project, it was planned to develop an extended version of a laser pointer with multiple laser beams arranged in specific patterns. Using stationary cameras observing projections of these patterns from behind the screens, it is planned to develop an algorithm for reconstruction of the emitter’s absolute position and orientation in space. Laser pointer concept is an intuitive way of interaction that would provide user with a familiar, mobile and efficient navigation though a 3D environment. In order to navigate in a 3D world, it is required to know the absolute position (x, y and z position) and orientation (roll, pitch and yaw angles) of the device, a total of 6 degrees of freedom (DoF). Ordinary laser-based pointers when captured on a flat surface with a video camera system and then processed, will only provide x and y coordinates effectively reducing available input to 2 DoF only. In order to overcome this problem, an additional set of multiple (invisible) laser pointers should be used in the pointing device. These laser pointers should be arranged in a way that the projection of their rays will form one fixed dot pattern when intersected with the flat surface of projection screens. Images of such a pattern will be captured via a real-time camera-based system and then processed using mathematical re-projection algorithms. This would allow the reconstruction of the full absolute 3D pose (6 DoF) of the input device. Additionally, multi-user or collaborative work should be supported by the system, would allow several users to interact with a virtual environment at the same time. Possibilities to port processing algorithms into embedded processors or FPGAs will be investigated during this project as well.
Realism and plausibility of computer controlled entities in entertainment software have been enhanced by adding both static personalities and dynamic emotions. Here a generic model is introduced which allows the transfer of findings from real-life personality studies to a computational model. This information is used for decision making. The introduction of dynamic event-based emotions enables adaptive behavior patterns. The advantages of this new model have been validated with a four-way crossroad in a traffic simulation. Driving agents using the introduced model enhanced by dynamics were compared to agents based on static personality profiles and simple rule-based behavior. It has been shown that adding an adaptive dynamic factor to agents improves perceivable plausibility and realism. It also supports coping with extreme situations in a fair and understandable way.
Als Basis für Simulationen innerhalb virtueller Umgebungen werden meist unterliegende Semantiken benötigt. Im Fall von Verkehrssimulationen werden in der Regel definierte Verkehrsnetzwerke genutzt. Die Erstellung dieser Netzwerke wird meist per Hand durchgeführt, wodurch sie fehleranfällig ist und viel Zeit erfordert. Dieses Projekt wurde im Rahmen des AVeSi Projektes durchgeführt, in dem an der Entwicklung einer realistischen Verkehrssimulation für virtuelle Umgebung geforscht wird. Der im Projekt angestrebte Simulationsansatz basiert auf der Nutzung von zwei Komplexitätsebenen – einer mikroskopischen und einer mesoskopischen. Um einen Übergang zwischen den Simulationsebenen zu realisieren ist eine Verknüpfung der Verkehrsnetzwerke notwendig, was ebenfalls mit einem hohen Zeitaufwand verbunden ist. In diesem Bericht werden Modelle für Verkehrsnetzwerke beider Ebenen vorgestellt. Anschließend wird ein Ansatz beschrieben, der eine automatische Generierung und Verknüpfung von Verkehrsnetzwerken beider Modelle ermöglicht. Als Grundlage für die Generierung der Netzwerke dienen Daten im OpenDRIVE®-Format. Zur Evaluierung wurden wirklichkeitsgetreue OpenStreetMap-Daten, durch Verwendung einer Drittanbietersoftware, in OpenDRIVE®-Datensätze überführt. Es konnte nachgewiesen werden, dass es durch den Ansatz möglich ist, innerhalb weniger Minuten, große Verkehrsnetzwerke zu erzeugen, auf denen unmittelbar Simulationen ausgeführt werden können. Die Qualität der zur Evaluierung generierten Netzwerke reicht jedoch für Umgebungen, in denen ein hoher Realitätsgrad gefordert wird, nicht aus, was einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt notwendig macht. Die Qualitätsprobleme konnten darauf zurückgeführt werden, dass der Detailgrad, der den Evaluierungsdaten zu Grunde liegenden OpenStreetMap-Daten, nicht hoch genug und der Überführungsprozess nicht ausreichend transparent ist.