1999
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Item Studierstube: a Collaborative Virtual Environment for Scientific Visualization(Fuhrmann, Sept 1999) Fuhrmann, AntonDiese Arbeit beschreibt den Studierstube Workspace, eine interaktive Arbeitsumgebung für kollaborative Visualisierung in Augmented Reality. Wir erarbeiten Konzepte für einen kollaborativen Arbeitsbereich, in dem mehrere Benutzer gleichzeitig verschiedene Anwendungen bedienen können. Das gemeinschaftliche Arbeiten der Benutzer innerhalb eines Raumes mit mehreren gleichzeitig ablaufenden Anwendungen eröffnet völlig neue Möglichkeiten der Kollaboration und Interaktion. Wir beschreiben, wie multiple Interaktionspfade zur Implementierung der zugrundeliegenden Mechanismen genutzt wurden, und berichten über Strategien und Erfahrungen im Umgang mit und der Entwicklung von Multi-Anwender Applikationen. Augmented Reality besteht aus der Überlagerung von computergenerierten Bildern über die Wirklichkeit. Um die räumlichen Abhängigkeiten zwischen reellen und virtuellen Objekten die sogenannte Registrierung korrekt darstellen zu können, müssen diese Bilder unter Verwendung von Transformationen erstellt werden, die einen Punkt im virtuellen Raum genau auf seinen Konterpart in der Realität abbilden. Dazu präsentieren wir ein einfaches und schnelles Kalibrationsverfahren, welches keine zusätzlichen Meßgeräte oder komplizierte Prozeduren erfordert. Der Benutzer wird dabei interaktiv durch eine Reihe von einfachen Schritten geleitet, welche ihm eine Anpassung der Transformationen auf seinen Augenabstand und seine Kopfabmessungen erlauben. Eine weitere Verbesserung der Registrierung wird durch unsere Methode zur Korrektur von Linsenverzerrungen erzielt. Wir benutzen dazu Standard OpenGL Hardware, welche eine Entzerrung in Echtzeit ermöglicht. Weiters wird eine Technik um bewegliche, vom Computer verfolgbare Gegenstände zu ihren virtuellen Repräsentationen zu registrieren. Die Qualität und Konsistenz der virtuellen Umgebung hängt auch von der korrekten Verdeckung von virtuellen durch reelle Gegenstände und umgekehrt ab. Wir haben ein Verfahren entwickelt, das nicht nur für den Körper eines Benutzers und vom Computer verfolgbare Gegenstände anwendbar ist, sondern darüber hinaus noch irritierende Effekte aufgrund mangelhafter Registrierung reduziert. Unser Verfahren basiert auf der simulierten Verdeckung von virtuellen Objekten durch virtuelle Repräsentationen realer Objekte. Benutzer werden durch kinematische Ketten simuliert, welche dann zur Verdeckung herangezogen werden können. Wir demonstrieren die Gültigkeit unseres Gesamtkonzeptes der kollaborativen Visualisierung innerhalb einer virtuellen Umgebung durch die Einbindung eines kommerziellen wissenschaftlichen Visualisierungssystems in unsere Arbeitsumgebung. Mehrere Anwendungsbeispiele zur Visualisierung dynamischer Systeme illustrieren unser Konzept. Um die speziellen Eigenschaften der virtuellen Realität in die Visualisierungsmöglichkeiten des Gesamtsystems einfließen zu lassen, haben wir animierte, strichlierte Strömungslinien entwickelt. Dazu präsentieren wir eine texture-mapping Technik, welche die Details entlang jeder Strömungslinie auch bei stark variierender Flußgeschwindigkeit konstant hält. Weiters wird gezeigt, wie man eine gleichmäßige Verteilung der Strömungslinien im Raum erzielt. Magische Lupen und magische Kisten werden als spezielle Interaktionmethoden zur Erforschung dicht mit Strömungslinien gefüllter Volumina verwendet. Dadurch wird eine Überforderung des Benutzers mit visuellen Details vermieden. Wir geben einen Überblick über die Anwendung von Studierstube in verschiedenen Bereichen. Weiters wird gezeigt, wie verschiedene andere Forschungsinstitutionen Studierstube verwenden. Eine umfangreiche Evaluation der geleisteten Arbeit in Bezug auf ihre Anwendbarkeit auf wissenschaftliche Visualisierung und ihrer Eigenschaften als neuartiges Konzept für kollaboratives Arbeiten innerhalb der virtuellen Realität rundet die Ausführungen inhaltlich ab. - This thesis describes Studierstube Workspace, an application framework for collaborative visualization in Augmented Reality. We develop a concept for a collaborative working environment that simultaneously supports multiple users as well as multiple applications and in multi-tasking. The co-presence of multiple users interacting with multiple concurrently executing applications opens up new possibilities in the field of collaborative work. We describe how multiplicity in the interaction paths is used to implement the necessary underlying mechanisms and report on strategies and experiences regarding the development of multi-user aware applications. Augmented Reality overlays computer generated images over the real world. To correctly depict spatial relations between real and virtual objects the so-called registration these images have to be generated using transformations which correctly project a point in virtual space onto its corresponding point in the real world. We present a simple and fast calibration scheme, which does neither require additional instrumentation nor complicated procedures. This allows us to calibrate the virtual environment for specific users. The user is interactively guided through a series of simple initialization steps, which allows even inexperienced users to adapt the calibration to their eye distance and head geometry. To further improve the registration between real and virtual objects we describe a method for correcting the distortions introduced by the camera lens in real-time using standard OpenGL hardware. A simple technique for registering tracked objects to their augmentations is also introduced. The quality and consistency of the augmentation also depend on the correct occlusion of real objects by computer-generated objects and vice versa. We developed methods that are not only appropriate for a tracked users body and other real objects but also manage to reduce irritating artifacts due to misregistrations. Our technique is based on simulating the occlusion of virtual objects by a virtual representation of the real object. The user is modeled as kinematic chains of articulated solids which is used for occlusion. Registration and modeling errors of this model are reduced by smoothing the border between virtual world and occluding real object. We demonstrate the validity of our concept of collaborative visualization in a virtual environment with the integration of our virtual environment into a commercial visualization system and illustrate it with several visualizations of dynamical systems. To integrate the properties of our environment into the process of scientific visualization we created animated, opacity-mapped streamlines as visualization icon for realtime 3D flow visualization. We present a texture mapping technique to keep the level of texture detail along a streamline nearly constant even when the velocity of the flow varies considerably and describe an algorithm which distributes the dashtubes evenly in space. Magic lenses and magic boxes are applied as interaction techniques for investigating volumes filled densely with streamlines without overwhelming the observer with visual detail. We present applications of Studierstube in a number of different areas and collaborations with other research institutes already using Studierstube. An extensive evaluation of the performed work regarding its applicability on scientific visualization and its properties as a new concept for collaborative work in virtual reality concludes the thesis.Item The Personal Interaction Panel - a two-handed Interface for Augmented Reality(Szalavári, Sep 1999) Szalavári, ZsoltDie Art und Weise, wie wir mit dem ständig wachsendem Informationsraum, der uns umgibt umgehen wird sich in den nächsten Jahren dramatisch ändern. Die Forschung auf dem Gebiet der Augmented Reality bietet eine sanfte Methode sich dieser parallelen Welt zu nähern. Sie überlagert den menschlichen Blick mit dreidimensionaler computer-generierter Information, die räumlichen Bezug hat. Um diesen wahrgenommenen Informationsraum beeinflussen zu können werden neue Schnittstellen gebraucht, die an der Grenze zwischen realer- und virtueller Welt angesiedelt sind. Diese Arbeit trägt zu dieser Problemstellung mit der Einführung des Personal Interaction Panels bei. Dem zweihändigen Interface liegt die Idee zu Grunde, dass existierende menschliche Fähigkeiten verwendet werden, um auf eine neue Umgebung einzuwirken. Ziel ist auch, dass die Manipulation selbst keine kognitive Belastung darstellt, sodass sich der Benutzer auf die eigentliche Aufgabe konzentrieren kann. Das sorgfältige Konzept sichert, dass die vorgestellte Schnittstelle vorangegangenen Erkenntnissen aus dem Bereich der beidhändigen Interaktion entspricht und von dessen Resultaten profitiert. Die Ergebnisse der Untersuchung anderer Interaktionsmethoden in Augmented Reality Umgebungen wurden als Leitfaden zum Entwurf neuer Schnittstellen zusammengefasst. Diese Richtlinien liegt auch der theoretischen Formulierung und Ausarbeitung der vorgestellten Schnittstelle zu Grunde. Ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten wird vorgestellt. Diese profitieren vom Interfacedesign und erweitern so die Interaktionsfähigkeiten des Benutzers. Die beschriebenen Ideen konnten mit Hilfe von verschiedenen Implementierungen und der Erprobung im praktischen Einsatz belegt werden. Mit Hilfe der gewonnenen Erfahrungen konnte die Schnittstelle auch in anderen virtuellen Umgebungen eingesetzt werden. Die Erkenntnisse dieser Experimente verhalfen zum Erkennen der Universalität des Personal Interaction Panels. Daraus resultierend wurde festgestellt, dass die PIP-Schnittstelle als allgemeines Werkzeug für die Handhabung von virtuellen Inhalten in verschiedensten Szenarien betrachtet werden kann. - The way we perceive the rapidly expanding information environment will change dramatically over the next years. Augmented Reality research offers a smooth immersion into this parallel world, by overlaying spatially aligned three-dimensional computer-generated information onto a human s view. However, to manipulate the perceived information new types of interfaces are needed that are smoothly integrated at the border of our real world and the information space. For the interaction with this virtual content the Personal Interaction Panel (PIP), a two-handed interface for Augmented Reality is introduced. The underlying design idea employs existing human skills for the interaction in a new environment, so that the interaction task itself does not induce additional cognitive load on the user. The careful conception of the PIP interface ensures that it conforms to previous results in bimanual action and benefits from the observations of this research field. The results of the analysis of existing methods to interact in Augmented Reality are summarized as Basic Design Guidelines. These guidelines are the basis for the theoretical formulation and conception of the proposed interface. A wide spectrum on different metaphors is presented that benefit from the underlying interface design and thus improves the user s interaction abilities. The implementation of the described theoretical research and the field-testing in a number of application scenarios helped to prove the described ideas. Using the experience gained from this work, the interface was applied to different environments with divers demands. The influences from these experiments helped to recognize the universal character of the Personal Interaction Panel, and to conclude that the PIP interface can be a general tool for interacting with virtual content in many different environments.