Realistic Interaction with Virtual Objects within Arm's Reach

Moehring, Mathias

The automotive industry requires realistic virtual reality applications more than other domains to increase the efficiency of product development. Currently, the visual quality of virtual invironments resembles reality, but interaction within these environments is usually far from what is known in everyday life. Several realistic research approaches exist, however they are still not all-encompassing enough to be usable in industrial processes. This thesis realizes lifelike direct multi-hand and multi-finger interaction with arbitrary objects, and proposes algorithmic and technical improvements that also approach lifelike usability. In addition, the thesis proposes methods to measure the effectiveness and usability of such interaction techniques as well as discusses different types of grasping feedback that support the user during interaction. Realistic and reliable interaction is reached through the combination of robust grasping heuristics and plausible pseudophysical object reactions. The easy-to-compute grasping rules use the objects’ surface normals, and mimic human grasping behavior. The novel concept of Normal Proxies increases grasping stability and diminishes challenges induced by adverse normals. The intricate act of picking-up thin and tiny objects remains challenging for some users. These cases are further supported by the consideration of finger pinches, which are measured with a specialized finger tracking device. With regard to typical object constraints, realistic object motion is geometrically calculated as a plausible reaction on user input. The resulting direct finger-based interaction technique enables realistic and intuitive manipulation of arbitrary objects. The thesis proposes two methods that prove and compare effectiveness and usability. An expert review indicates that experienced users quickly familiarize themselves with the technique. A quantitative and qualitative user study shows that direct finger-based interaction is preferred over indirect interaction in the context of functional car assessments. While controller-based interaction is more robust, the direct finger-based interaction provides greater realism, and becomes nearly as reliable when the pinch-sensitive mechanism is used. At present, the haptic channel is not used in industrial virtual reality applications. That is why it can be used for grasping feedback which improves the users’ understanding of the grasping situation. This thesis realizes a novel pressure-based tactile feedback at the fingertips. As an alternative, vibro-tactile feedback at the same location is realized as well as visual feedback by the coloring of grasp-involved finger segments. The feedback approaches are also compared within the user study, which reveals that grasping feedback is a requirement to judge grasp status and that tactile feedback improves interaction independent of the used display system. The considerably stronger vibrational tactile feedback can quickly become annoying during interaction. The interaction improvements and hardware enhancements make it possible to interact with virtual objects in a realistic and reliable manner. By addressing realism and reliability, this thesis paves the way for the virtual evaluation of human-object interaction, which is necessary for a broader application of virtual environments in the automotive industry and other domains.

Stärker als andere Branchen benötigt die Automobilindustrie realistische Virtual Reality Anwendungen für eine effiziente Produktentwicklung. Während sich die visuelle Qualität virtueller Darstellungen bereits der Realität angenähert hat, ist die Interaktion mit virtuellen Umgebungen noch weit vom täglichen Erleben der Menschen entfernt. Einige Forschungsansätze haben sich mit realistischer Interaktion befasst, gehen aber nicht weit genug, um in industriellen Prozessen eingesetzt zu werden. Diese Arbeit realisiert eine lebensnahe mehrhändige und fingerbasierte Interaktion mit beliebigen Objekten. Dabei ermöglichen algorithmische und technische Verbesserungen eine realitätsnahe Usability. Außerdem werden Methoden für die Evaluation dieser Interaktionstechnik vorgestellt und benutzerunterstützende Greiffeedbackarten diskutiert. Die verlässliche und gleichzeitig realistische Interaktion wird durch die Kombination von robusten Greifheuristiken und pseudophysikalischen Objektreaktionen erreicht. Die das menschliche Greifverhalten nachbildenden Greifregeln basieren auf den Oberflächennormalen der Objekte. Die Reduktion negativer Einflüsse verfälschter Normalen und eine höhere Griffstabilität werden durch das neuartige Konzept der Normal Proxies erreicht. Dennoch bleibt für manche Nutzer das Aufnehmen von dünnen und kleinen Objekten problematisch. Diese Fälle werden zusätzlich durch die Einbeziehung von Fingerberührungen unterstützt, die mit einem speziellen Fingertracking Gerät erfasst werden. Plausible Objektreaktionen auf Benutzereingaben werden unter Berücksichtigung typischer Objekteinschränkungen geometrisch berechnet. Die Arbeit schlägt zwei Methoden zur Evaluierung der fingerbasierten Interaktion vor. Ein Expertenreview zeigt, dass sich erfahrene Benutzer sehr schnell in die Technik einfinden. In einer Benutzerstudie wird nachgewiesen, dass fingerbasierte Interaktion im hier untersuchten Kontext vor indirekter Interaktion mit einem Eingabegerät bevorzugt wird. Während letztere robuster zu handhaben ist, stellt die fingerbasierte Interaktion einen deutlich höheren Realismus bereit und erreicht mit den vorgeschlagenen Verbesserungen eine vergleichbare Verlässlichkeit. Um Greifsituationen transparent zu gestalten, realisiert diese Arbeit ein neuartiges druckbasiertes taktiles Feedback an den Fingerspitzen. Alternativ wird ein vibrotaktiles Feedback am gleichen Ort realisiert und visuelles Feedback durch die Einfärbung der griffbeteiligten Fingersegmente umgesetzt. Die verschiedenen Feedbackansätze werden in der Benutzerstudie verglichen. Dabei wird Greiffeedback als Voraussetzung identifiziert, um den Greifzustand zu beurteilen. Taktiles Feedback verbessert dabei die Interaktion unabhängig vom eingesetzten Display. Das merklich stärkere Vibrationsfeedback kann während der Interaktion störend wirken. Die vorgestellten Interaktionsverbesserungen und Hardwareerweiterungen ermöglichen es, mit virtuellen Objekten auf realistische und zuverlässige Art zu interagieren. Indem die Arbeit Realismus und Verlässlichkeit gleichzeitig adressiert, bereitet sie den Boden für die virtuelle Untersuchung von Mensch-Objekt Interaktionen und ermöglicht so einen breiteren Einsatz virtueller Techniken in der Automobilindustrie und in anderen Bereichen.

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Moehring, Mathias: Realistic Interaction with Virtual Objects within Arm's Reach. 2013.

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