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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.
Ziel des hier beschriebenen Forschungsprojekts war die Entwicklung eines prototypischen Fahrradfahrsimulators für den Einsatz in der Verkehrserziehung und im Verkehrssicherheitstraining. Der entwickelte Prototyp soll möglichst universell für verschiedene Altersklassen und Applikationen einsetzbar sowie mobil sein.
This contribution presents an easy to implement 3D tracking approach that works with a single standard webcam. We describe the algorithm and show that it is well suited for being used as an intuitive interaction method in 3D video games. The algorithm can detect and distinguish multiple objects in real-time and obtain their orientation and position relative to the camera. The trackable objects are equipped with planar patterns of five visual markers. By tracking (stereo) glasses worn by the user and adjusting the in-game camera's viewing frustum accordingly, the well-known immersive "screen as a window" effect can be achieved, even without the use of any special tracking equipment.
This contribution describes an optical laser-based user interaction system designed for virtual reality (VR) environments. The project's objective is to realize a 6-DoF user input device for interaction with VR applications running in CAVE-type visualization environments with flat projections walls. In case of a back-projection VR system, in contrast to optical tracking systems, no camera has to be placed within the visualization environment. Instead, cameras observe patterns of laser beam projections from behind the screens. These patterns are emitted by a hand-held input device. The system is robust with respect to partial occlusion of the laser pattern. An inertial measurement unit is integrated into the device in order to improve robustness and precision.
The FIVIS simulator system addresses the classical visual and acoustical cues as well as vestibular and further physiological cues. Sensory feedback from skin, muscles, and joints are integrated within this virtual reality visualization environment. By doing this it allows for simulating otherwise dangerous traffic situations in a controlled laboratory environment. The system has been successfully applied for road safety education applications of school children. In further research studies it is applied to perform multimedia perception experiments. It has been shown, that visual cues dominate by far the perception of visual depth in the majority of applications but the quality of depth perception might depend on the availability of other sensory information. This however, needs to be investigated in more detail in the future.
In this contribution, we present several improvements to previous “inside-out” techniques for pointing interaction with large display systems. Fiducial markers are virtually projected from an interaction device's built-in camera onto the displays and overlaid to the display content. We reconstruct the 6-DoF camera pose by tracking these markers in real-time. For increased robustness, the marker pattern is dynamically adapted. We address display lag and high pixel response times by precisely timing image captures. Pointing locations are measured with sub-millimeter precision and camera positions with sub-centimeter precision. An update rate of 60 Hz and a latency of 24 ms were achieved. Our technique performed comparably to an OptiTrack system in 2D target selection tasks.
Der Einsatz von Agentensystemen ist vielfältig, dennoch sind aktuelle Realisierungen lediglich in der Lage primär regelkonformes oder aber „geskriptetes“ Verhalten auch unter Einsatz von randomisierten Verfahren abzubilden. Für eine realistische Repräsentation sind jedoch auch Abweichungen von den Regeln notwendig, die nicht zufällig sondern kontextbedingt auftreten. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde ein realitätsnaher Straßenverkehrssimulator realisiert, der mittels eines detailliert definierten Systems für kognitive Agenten auch diese irregulären Verhaltensweisen generiert und somit ein realistisches Verkehrsverhalten für die Verwendung in VR-Anwendungen simuliert. Durch das Erweitern der Agenten mit psychologischen Persönlichkeitsprofilen, basierend auf dem „Fünf-Faktoren-Modell“, zeigen die Agenten individualisierte und gleichzeitig konsistente Verhaltensmuster. Ein dynamisches Emotionsmodell sorgt zusätzlich für eine situationsbedingte Adaption des Verhaltens, z.B. bei langen Wartezeiten. Da die detaillierte Simulation kognitiver Prozesse, der Persönlichkeitseinflüsse und der emotionalen Zustände erhebliche Rechenleistungen verlangt, wurde ein mehrschichtiger Simulationsansatz entwickelt, der es erlaubt den Detailgrad der Berechnung und Darstellung jedes Agenten während der Simulation stufenweise zu verändern, so dass alle im System befindlichen Agenten konsistent simuliert werden können. Im Rahmen diverser Evaluierungsiterationen in einer bestehenden VR-Anwendung – dem FIVIS-Fahrradfahrsimulator des Antragstellers - konnte eindrucksvoll nachgewiesen werden, dass die realisierten Konzepte die ursprünglich formulierten Forschungsfragestellung überzeugend und effizient lösen.
Die Wahrnehmung des perzeptionellen Aufrecht (perceptual upright, PU) variiert in Abhängigkeit der Gewichtung verschiedener gravitationsbezogener und körperbasierter Merkmale zwischen Kontexten und aufgrund individueller Unterschiede. Ziel des Vorhabens war es, systematisch zu untersuchen, welche Zusammenhänge zwischen visuellen und gravitationsbedingten Merkmalen bestehen. Das Vorhaben baute auf vorangegangen Untersuchungen auf, deren Ergebnisse indizieren, dass eine Gravitation von ca. 0,15g notwendig ist, um effiziente Selbstorientierungsinformationen bereit zu stellen (Herpers et. al, 2015; Harris et. al, 2014).
In dem hier beschriebenen Vorhaben wurden nun gezielt künstliche Gravitationsbedingungen berücksichtigt, um die Gravitationsschwelle, ab der ein wahrnehmbarer Einfluss beobachtbar ist, genauer zu quantifizieren bzw. die oben genannte Hypothese zu bestätigen. Es konnte gezeigt werden, dass die zentripetale Kraft, die auf einer rotierenden Zentrifuge entlang der Längsachse des Körpers wirkt, genauso efektiv wie Stehen mit normaler Schwerkraft ist, um das Gefühl des perzeptionellen Aufrechts auszulösen. Die erzielten Daten deuten zudem darauf hin, dass ein Gravitationsfeld von mindestens 0,15 g notwendig ist, um eine efektive Orientierungsinformation für die Wahrnehmung von Aufrecht zu liefern. Dies entspricht in etwa der Gravitationskraft von 0,17 g, die auf dem Mond besteht. Für eine lineare Beschleunigung des Körpers liegt der vestibulare Schwellenwert bei etwa 0,1 m/s2 und somit liegt der Wert für die Situation auf dem Mond von 1,6 m/s2 deutlich über diesem Schwellenwert.
