TY - THES A1 - Kulik, Alexander T1 - User Interfaces for Cooperation N2 - This thesis suggests cooperation as a design paradigm for human-computer interaction. The basic idea is that the synergistic co-operation of interfaces through concurrent user activities enables increased interaction fluency and expressiveness. This applies to bimanual interaction and multi-finger input, e.g., touch typing, as well as the collaboration of multiple users. Cooperative user interfaces offer more interaction flexibility and expressivity for single and multiple users. Part I of this thesis analyzes the state of the art in user interface design. It explores limitations of common approaches and reveals the crucial role of cooperative action in several established user interfaces and research prototypes. A review of related research in psychology and human-computer interaction offers insights to the cognitive, behavioral, and ergonomic foundations of cooperative user interfaces. Moreover, this thesis suggests a broad applicability of generic cooperation patterns and contributes three high-level design principles. Part II presents three experiments towards cooperative user interfaces in detail. A study on desktop-based 3D input devices, explores fundamental benefits of cooperative bimanual input and the impact of interface design on bimanual cooperative behavior. A novel interaction technique for multitouch devices is presented that follows the paradigm of cooperative user interfaces and demonstrates advantages over the status quo. Finally, this thesis introduces a fundamentally new display technology that provides up to six users with their individual perspectives of a shared 3D environment. The system creates new possibilities for the cooperative interaction of multiple users. Part III of this thesis builds on the research results described in Part II, in particular, the multi-user 3D display system. A series of case studies in the field of collaborative virtual reality provides exemplary evidence for the relevance and applicability of the suggested design principles. N2 - Die vorliegende Arbeit betrachtet Kooperation als Gestaltungsparadigma für Mensch-Maschine Schnittstellen. Dabei geht es um Kooperation im Sinne paralleler Aktivitäten und deren synergetischer Kombination mit dem Ziel einer flüssigen und effektiven Computerarbeit. Dieses Interaktionsmuster ist für zweihändige Eingaben und die Nutzung mehrerer Finger, z.B. beim Maschinenschreiben, genauso anwendbar wie für die Zusammenarbeit mehrerer Nutzer. Kooperative Benutzungsschnittstellen bieten Einzelpersonen sowie Gruppen von Nutzern mehr Flexibilität und Ausdrucksmöglichkeiten. Teil I dieser Arbeit betrachtet den Stand von Forschung und Technik zu diesem Thema. Dabei werden Limitierungen etablierter Benutzungsschnittstellen untersucht als auch das Potential und die Bedeutung kooperativer Interaktion. Auf Grundlage von Forschungsergebnissen aus der Psychologie, den Bewegungswissenschaften und der Forschung zu Mensch-Maschine Schnittstellen werden kognitive und ergonomische Grundlagen kooperativer Benutzungsschnittstellen abgeleitet. Darüber hinaus werden generische Kooperationsmuster diskutiert und die Anforderungen an kooperative Benutzungsschnittstellen in drei Gestaltungsprinzipien zusammengefasst. Teil II dieser Arbeit stellt drei Forschungsarbeiten zur Entwicklung und Untersuchung kooperativer Benutzungsschnittstellen vor. In Kapitel 8 wird zweihändige Kooperation am Beispiel tischbasierter 3D Eingabegeräte untersucht. Kapitel 9 stellt eine neue Multitouch Interaktionstechnik vor, die dem Paradigma kooperativer Benutzungsschnittstellen folgt und klare Vorteile gegenüber einer etablierten Technik aufweist. Kapitel 10 präsentiert die Entwicklung und Untersuchung einer neuen 3D Projektionstechnologie, die bis zu sechs Personen individuelle Perspektiven auf eine gemeinsame virtuelle Umgebung bietet. Daraus ergeben sich völlig neue Möglichkeiten für die kooperative Interaktion mehrerer Nutzer mit dreidimensionalen Daten. Teil III dieser Arbeit baut auf den Ergebnissen der in Teil II beschriebenen Experimente auf. Fallstudien aus dem Bereich der virtuellen Realität für mehrere Nutzer, belegen die Relevanz und Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Gestaltungsprinzipien KW - Human-Computer Interaction (HCI) KW - Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) KW - Kollaborative Arbeit KW - User Interfaces and Interaction Techniques KW - Computer Supported Collaborative Work KW - Bimanual Interaction KW - 3D User Interfaces and Interaction Techniques KW - Display Technoloy, Collaboration, Virtual Reality Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20161202-27207 ER - TY - THES A1 - Moehring, Mathias T1 - Realistic Interaction with Virtual Objects within Arm's Reach N2 - 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. N2 - 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. KW - Virtuelle Realität KW - Interaktion KW - Mensch-Maschine-Interaktion KW - Medieninformatik Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20130301-18592 ER - TY - THES A1 - Salzmann, Holger T1 - Collaboration in Co-located Automotive Applications N2 - Virtual reality systems offer substantial potential in supporting decision processes based purely on computer-based representations and simulations. The automotive industry is a prime application domain for such technology, since almost all product parts are available as three-dimensional models. The consideration of ergonomic aspects during assembly tasks, the evaluation of humanmachine interfaces in the car interior, design decision meetings as well as customer presentations serve as but a few examples, wherein the benefit of virtual reality technology is obvious. All these tasks require the involvement of a group of people with different expertises. However, current stereoscopic display systems only provide correct 3D-images for a single user, while other users see a more or less distorted virtual model. This is a major reason why these systems still face limited acceptance in the automotive industry. They need to be operated by experts, who have an advanced understanding of the particular interaction techniques and are aware of the limitations and shortcomings of virtual reality technology. The central idea of this thesis is to investigate the utility of stereoscopic multi-user systems for various stages of the car development process. Such systems provide multiple users with individual and perspectively correct stereoscopic images, which are key features and serve as the premise for the appropriate support of collaborative group processes. The focus of the research is on questions related to various aspects of collaboration in multi-viewer systems such as verbal communication, deictic reference, embodiments and collaborative interaction techniques. The results of this endeavor provide scientific evidence that multi-viewer systems improve the usability of VR-applications for various automotive scenarios, wherein co-located group discussions are necessary. The thesis identifies and discusses the requirements for these scenarios as well as the limitations of applying multi-viewer technology in this context. A particularly important gesture in real-world group discussions is referencing an object by pointing with the hand and the accuracy which can be expected in VR is made evident. A novel two-user seating buck is introduced for the evaluation of ergonomics in a car interior and the requirements on avatar representations for users sitting in a car are identified. Collaborative assembly tasks require high precision. The novel concept of a two-user prop significantly increases the quality of such a simulation in a virtual environment and allows ergonomists to study the strain on workers during an assembly sequence. These findings contribute toward an increased acceptance of VR-technology for collaborative development meetings in the automotive industry and other domains. N2 - Virtual-Reality-Systeme sind ein innovatives Instrument, um mit Hilfe computerbasierter Simulationen Entscheidungsprozesse zu unterstützen. Insbesondere in der Automobilbranche spielt diese Technologie eine wichtige Rolle, da heutzutage nahezu alle Fahrzeugteile in 3D konstruiert werden. Im Entwicklungsbereich der Automobilindustrie werden Visualisierungssysteme darüber hinaus bei der Untersuchung ergonomischer Aspekte von Montagevorgängen, bei der Bewertung der Mensch-Maschine-Schnittstelle im Fahrzeuginterieur, bei Designentscheidungen sowie bei Kundenpräsentationen eingesetzt. Diese Entscheidungsrunden bedürfen der Einbindung mehrerer Experten verschiedener Fachbereiche. Derzeit verfügbare stereoskopische Visualisierungssysteme ermöglichen aber nur einem Nutzer eine korrekte Stereosicht, während sich für die anderen Teilnehmer das 3D-Modell verzerrt darstellt. Dieser Nachteil ist ein wesentlicher Grund dafür, dass derartige Systeme bisher nur begrenzt im Automobilbereich anwendbar sind. Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der Untersuchung der Anwendbarkeit stereoskopischer Mehrbenutzer-Systeme in verschiedenen Stadien des automobilen Entwicklungsprozesses. Derartige Systeme ermöglichen mehreren Nutzern gleichzeitig eine korrekte Stereosicht, was eine wesentliche Voraussetzung für die Zusammenarbeit in einer Gruppe darstellt. Die zentralen Forschungsfragen beziehen sich dabei auf die Anforderungen von kooperativen Entscheidungsprozessen sowie den daraus resultierenden Aspekten der Interaktion wie verbale Kommunikation, Gesten sowie virtuelle Menschmodelle und Interaktionstechniken zwischen den Nutzern. Die Arbeit belegt, dass stereoskopische Mehrbenutzersysteme die Anwendbarkeit virtueller Techniken im Automobilbereich entscheidend verbessern, da sie eine natürliche Kommunikation zwischen den Nutzern fördern. So ist die Unterstützung natürlicher Gesten beispielsweise ein wichtiger Faktor und es wird dargelegt, welche Genauigkeit beim Zeigen mit der realen Hand auf virtuelle Objekte erwartet werden kann. Darüber hinaus werden Anforderungen an virtuelle Menschmodelle anhand einer Zweibenutzer-Sitzkiste identifiziert und untersucht. Diese Form der Simulation, bei der die Nutzer nebeneinander in einem Fahrzeugmodell sitzen, dient vor allem der Bewertung von Mensch-Maschine-Schnittstellen im Fahrzeuginterieur. Des Weiteren wird das neue Konzept eines Mehrbenutzer-Werkzeugs in die Arbeit mit einbezogen, da hier verdeutlicht wird wie die Simulation von Montagevorgängen in virtuellen Umgebungen mit passivem haptischem Feedback zu ergonomischen Verbesserungen entsprechender Arbeitsvorgänge in der Realität beitragen kann. Diese Konzepte veranschaulichen wie VR-Systeme zur Unterstützung kollaborativer Prozesse in der Automobilbranche und darüber hinaus eingesetzt werden können. T2 - Zusammenarbeit in virtuellen Gruppenszenarien in der automobilen Entwicklung KW - Virtuelle Realität KW - Immersion KW - Simulation KW - Computergraphik KW - Virtual Reality KW - Computer Graphics KW - Interaction Techniques KW - Collaboration Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20100712-15102 ER - TY - THES A1 - Lux, Christopher T1 - A Data-Virtualization System for Large Model Visualization N2 - Interactive scientific visualizations are widely used for the visual exploration and examination of physical data resulting from measurements or simulations. Driven by technical advancements of data acquisition and simulation technologies, especially in the geo-scientific domain, large amounts of highly detailed subsurface data are generated. The oil and gas industry is particularly pushing such developments as hydrocarbon reservoirs are increasingly difficult to discover and exploit. Suitable visualization techniques are vital for the discovery of the reservoirs as well as their development and production. However, the ever-growing scale and complexity of geo-scientific data sets result in an expanding disparity between the size of the data and the capabilities of current computer systems with regard to limited memory and computing resources. In this thesis we present a unified out-of-core data-virtualization system supporting geo-scientific data sets consisting of multiple large seismic volumes and height-field surfaces, wherein each data set may exceed the size of the graphics memory or possibly even the main memory. Current data sets fall within the range of hundreds of gigabytes up to terabytes in size. Through the mutual utilization of memory and bandwidth resources by multiple data sets, our data-management system is able to share and balance limited system resources among different data sets. We employ multi-resolution methods based on hierarchical octree and quadtree data structures to generate level-of-detail working sets of the data stored in main memory and graphics memory for rendering. The working set generation in our system is based on a common feedback mechanism with inherent support for translucent geometric and volumetric data sets. This feedback mechanism collects information about required levels of detail during the rendering process and is capable of directly resolving data visibility without the application of any costly occlusion culling approaches. A central goal of the proposed out-of-core data management system is an effective virtualization of large data sets. Through an abstraction of the level-of-detail working sets, our system allows developers to work with extremely large data sets independent of their complex internal data representations and physical memory layouts. Based on this out-of-core data virtualization infrastructure, we present distinct rendering approaches for specific visualization problems of large geo-scientific data sets. We demonstrate the application of our data virtualization system and show how multi-resolution data can be treated exactly the same way as regular data sets during the rendering process. An efficient volume ray casting system is presented for the rendering of multiple arbitrarily overlapping multi-resolution volume data sets. Binary space-partitioning volume decomposition of the bounding boxes of the cube-shaped volumes is used to identify the overlapping and non-overlapping volume regions in order to optimize the rendering process. We further propose a ray casting-based rendering system for the visualization of geological subsurface models consisting of multiple very detailed height fields. The rendering of an entire stack of height-field surfaces is accomplished in a single rendering pass using a two-level acceleration structure, which combines a minimum-maximum quadtree for empty-space skipping and sorted lists of depth intervals to restrict ray intersection searches to relevant height fields and depth ranges. Ultimately, we present a unified rendering system for the visualization of entire geological models consisting of highly detailed stacked horizon surfaces and massive volume data. We demonstrate a single-pass ray casting approach facilitating correct visual interaction between distinct translucent model components, while increasing the rendering efficiency by reducing processing overhead of potentially invisible parts of the model. The combination of image-order rendering approaches and the level-of-detail feedback mechanism used by our out-of-core data-management system inherently accounts for occlusions of different data types without the application of costly culling techniques. The unified out-of-core data-management and virtualization infrastructure considerably facilitates the implementation of complex visualization systems. We demonstrate its applicability for the visualization of large geo-scientific data sets using output-sensitive rendering techniques. As a result, the magnitude and multitude of data sets that can be interactively visualized is significantly increased compared to existing approaches. KW - Computer Graphics KW - Visualisation KW - Volume Rendering KW - Large Data Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20130725-19855 ER - TY - THES A1 - Springer, Jan P. T1 - Multi-Frame Rate Rendering N2 - Multi-frame rate rendering is a parallel rendering technique that renders interactive parts of a scene on one graphics card while the rest of the scene is rendered asynchronously on a second graphics card. The resulting color and depth images of both render processes are composited, by optical superposition or digital composition, and displayed. The results of a user study confirm that multi-frame rate rendering can significantly improve the interaction performance. Multi-frame rate rendering is naturally implemented on a graphics cluster. With the recent availability of multiple graphics cards in standalone systems the method can also be implemented on a single computer system where memory bandwidth is much higher compared to off-the-shelf networking technology. This decreases overall latency and further improves interactivity. Multi-frame rate rendering was also investigated on a single graphics processor by interleaving the rendering streams for the interactive elements and the rest of the scene. This approach enables the use of multi-frame rate rendering on low-end graphics systems such as laptops, mobile phones, and PDAs. Advanced multi-frame rate rendering techniques reduce the limitations of the basic approach. The interactive manipulation of light sources and their parameters affects the entire scene. A multi-GPU deferred shading method is presented that splits the rendering task into a rasterization and lighting pass and assigns the passes to the appropriate image generators such that light manipulations at high frame rates become possible. A parallel volume rendering technique allows the manipulation of objects inside a translucent volume at high frame rates. This approach is useful for example in medical applications, where small probes need to be positioned inside a computed-tomography image. Due to the asynchronous nature of multi-frame rate rendering artifacts may occur during migration of objects from the slow to the fast graphics card, and vice versa. Proper state management allows to almost completely avoid these artifacts. Multi-frame rate rendering significantly improves the interactive manipulation of objects and lighting effects. This leads to a considerable increase of the size for 3D scenes that can be manipulated compared to conventional methods. N2 - Multi-Frame Rate Rendering ist eine parallele Rendertechnik, die interaktive Teile einer Szene auf einer separaten Graphikkarte berechnet. Die Abbildung des Rests der Szene erfolgt asynchron auf einer anderen Graphikkarte. Die resultierenden Farb- und Tiefenbilder beider Darstellungsprozesse werden mittels optischer Überlagerung oder digitaler Komposition kombiniert und angezeigt. Die Ergebnisse einer Nutzerstudie zeigen, daß Multi-Frame Rate Rendering die Interaktion für große Szenen deutlich beschleunigt. Multi-Frame Rate Rendering ist üblicherweise auf einem Graphikcluster zu implementieren. Mit der Verfügbarkeit mehrerer Graphikkarten für Einzelsysteme kann Multi-Frame Rate Rendering auch für diese realisiert werden. Dies ist von Vorteil, da die Speicherbandbreite um ein Vielfaches höher ist als mit üblichen Netzwerktechnologien. Dadurch verringern sich Latenzen, was zu verbesserter Interaktivität führt. Multi-Frame Rate Rendering wurde auch auf Systemen mit einer Graphikkarte untersucht. Die Bildberechnung für den Rest der Szene muss dazu in kleine Portionen aufgeteilt werden. Die Darstellung erfolgt dann alternierend zu den interaktiven Elementen über mehrere Bilder verteilt. Dieser Ansatz erlaubt die Benutzung von Multi-Frame Rate Rendering auf einfachen Graphiksystemen wie Laptops, Mobiltelefonen and PDAs. Fortgeschrittene Multi-Frame Rate Rendering Techniken erweitern die Anwendbarkeit des Ansatzes erheblich. Die interaktive Manipulation von Lichtquellen beeinflußt die ganze Szene. Um diese Art der Interaktion zu unterstützen, wurde eine Multi-GPU Deferred Shading Methode entwickelt. Der Darstellungsvorgang wird dazu in einen Rasterisierungs- und Beleuchtungsschritt zerlegt, die parallel auf den entsprechenden Grafikkarten erfolgen können. Dadurch kann die Beleuchtung mit hohen Bildwiederholraten unabhängig von der geometrischen Komplexität der Szene erfolgen. Außerdem wurde eine parallele Darstellungstechnik für die interaktive Manipulation von Objekten in hochaufgelösten Volumendaten entwickelt. Dadurch lassen sich zum Beispiel virtuelle Instrumente in hochqualitativ dargestellten Computertomographieaufnahmen interaktiv positionieren. Aufgrund der inhärenten Asynchronität der beiden Darstellungsprozesse des Multi-Frame Rate Rendering Ansatzes können Artifakte während der Objektmigration zwischen den Graphikkarten auftreten. Eine intelligente Zustandsverwaltung in Kombination mit Prediktionstechniken kann diese Artifakte fast gänzlich verhindern, so dass Benutzer diese im allgemeinen nicht bemerken. Multi-Frame Rate Rendering beschleunigt die interaktive Manipulation von Objekten und Beleuchtungseffekten deutlich. Dadurch können deutlich umfangreichere virtuelle Szenarien bearbeitet werden als mit konventionellen Methoden. T2 - Multi-Frame Rate Rendering KW - Virtuelle Realität KW - Multi-Frame Rate Rendering KW - Multi-Frame Rate Composition KW - Interaction Fidelity KW - Visual Quality KW - Parallel Rendering Methods Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20081127-14395 ER - TY - THES A1 - Riehmann, Patrick T1 - Advanced Visual Interfaces for Informed Decision-Making N2 - This thesis presents new interactive visualization techniques and systems intended to support users with real-world decisions such as selecting a product from a large variety of similar offerings, finding appropriate wording as a non-native speaker, and assessing an alleged case of plagiarism. The Product Explorer is a significantly improved interactive Parallel Coordinates display for facilitating the product selection process in cases where many attributes and numerous alternatives have to be considered. A novel visual representation for categorical and ordered data with only few occurring values, the so-called extended areas, in combination with cubic curves for connecting the parallel axes, are crucial for providing an effective overview of the entire dataset and to facilitate the tracing of individual products. The visual query interface supports users in quickly narrowing down the product search to a small subset or even a single product. The scalability of the approach towards a large number of attributes and products is enhanced by the possibility of setting some constraints on final attributes and, therefore, reducing the number of considered attributes and data items. Furthermore, an attribute repository allows users to focus on the most important attributes at first and to bring in additional criteria for product selection later in the decision process. A user study confirmed that the Product Explorer is indeed an excellent tool for its intended purpose for casual users. The Wordgraph is a layered graph visualization for the interactive exploration of search results for complex keywords-in-context queries. The system relies on the Netspeak web service and is designed to support non-native speakers in finding customary phrases. Uncertainties about the commonness of phrases are expressed with the help of wildcard-based queries. The visualization presents the alternatives for the wildcards in a multi-column layout: one column per wildcard with the other query fragments in between. The Wordgraph visualization displays the sorted results for all wildcards at once by appropriately arranging the words of each column. A user study confirmed that this is a significant advantage over simple textual result lists. Furthermore, visual interfaces to filter, navigate, and expand the graph allow interactive refinement and expansion of wildcard-containing queries. Furthermore, this thesis presents an advanced visual analysis tool for assessing and presenting alleged cases of plagiarism and provides a three-level approach for exploring the so-called finding spots in their context. The overview shows the relationship of the entire suspicious document to the set of source documents. An intermediate glyph-based view reveals the structural and textual differences and similarities of a set of finding spots and their corresponding source text fragments. Eventually, the actual fragments of the finding spot can be shown in a side-by-side view with a novel structured wrapping of both the source, as well as the suspicious text. The three different levels of detail are tied together by versatile navigation and selection operations. Reviews with plagiarism experts confirm that this tool can effectively support their workflow and provides a significant improvement over existing static visualizations for assessing and presenting plagiarism cases. The three main contributions of this research have a lot in common aside from being carefully designed and scientifically grounded solutions to real-world decision problems. The first two visualizations facilitate the decision for a single possibility out of many alternatives, whereas the latter ones deal with text at varying levels of detail. All visual representations are clearly structured based on horizontal and vertical layers contained in a single view and they all employ edges for depicting the most important relationships between attributes, words, or different levels of detail. A detailed analysis considering the context of the established decision-making literature reveals that important steps of common decision models are well-supported by the three visualization systems presented in this thesis. KW - Informatik KW - Visualisierung KW - Information Visualization KW - Preferential Choice KW - Text-based Visualization KW - Plagiarism Visualization KW - Product Search Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20150907-24542 PB - Patrick Riehmann ER - TY - THES A1 - Schollmeyer, Andre T1 - Efficient and High-Quality Rendering of Higher-Order Geometric Data Representations N2 - Computer-Aided Design (CAD) bezeichnet den Entwurf industrieller Produkte mit Hilfe von virtuellen 3D Modellen. Ein CAD-Modell besteht aus parametrischen Kurven und Flächen, in den meisten Fällen non-uniform rational B-Splines (NURBS). Diese mathematische Beschreibung wird ebenfalls zur Analyse, Optimierung und Präsentation des Modells verwendet. In jeder dieser Entwicklungsphasen wird eine unterschiedliche visuelle Darstellung benötigt, um den entsprechenden Nutzern ein geeignetes Feedback zu geben. Designer bevorzugen beispielsweise illustrative oder realistische Darstellungen, Ingenieure benötigen eine verständliche Visualisierung der Simulationsergebnisse, während eine immersive 3D Darstellung bei einer Benutzbarkeitsanalyse oder der Designauswahl hilfreich sein kann. Die interaktive Darstellung von NURBS-Modellen und -Simulationsdaten ist jedoch aufgrund des hohen Rechenaufwandes und der eingeschränkten Hardwareunterstützung eine große Herausforderung. Diese Arbeit stellt vier neuartige Verfahren vor, welche sich mit der interaktiven Darstellung von NURBS-Modellen und Simulationensdaten befassen. Die vorgestellten Algorithmen nutzen neue Fähigkeiten aktueller Grafikkarten aus, um den Stand der Technik bezüglich Qualität, Effizienz und Darstellungsgeschwindigkeit zu verbessern. Zwei dieser Verfahren befassen sich mit der direkten Darstellung der parametrischen Beschreibung ohne Approximationen oder zeitaufwändige Vorberechnungen. Die dabei vorgestellten Datenstrukturen und Algorithmen ermöglichen die effiziente Unterteilung, Klassifizierung, Tessellierung und Darstellung getrimmter NURBS-Flächen und einen interaktiven Ray-Casting-Algorithmus für die Isoflächenvisualisierung von NURBSbasierten isogeometrischen Analysen. Die weiteren zwei Verfahren beschreiben zum einen das vielseitige Konzept der programmierbaren Transparenz für illustrative und verständliche Visualisierungen tiefenkomplexer CAD-Modelle und zum anderen eine neue hybride Methode zur Reprojektion halbtransparenter und undurchsichtiger Bildinformation für die Beschleunigung der Erzeugung von stereoskopischen Bildpaaren. Die beiden letztgenannten Ansätze basieren auf rasterisierter Geometrie und sind somit ebenfalls für normale Dreiecksmodelle anwendbar, wodurch die Arbeiten auch einen wichtigen Beitrag in den Bereichen der Computergrafik und der virtuellen Realität darstellen. Die Auswertung der Arbeit wurde mit großen, realen NURBS-Datensätzen durchgeführt. Die Resultate zeigen, dass die direkte Darstellung auf Grundlage der parametrischen Beschreibung mit interaktiven Bildwiederholraten und in subpixelgenauer Qualität möglich ist. Die Einführung programmierbarer Transparenz ermöglicht zudem die Umsetzung kollaborativer 3D Interaktionstechniken für die Exploration der Modelle in virtuellenUmgebungen sowie illustrative und verständliche Visualisierungen tiefenkomplexer CAD-Modelle. Die Erzeugung stereoskopischer Bildpaare für die interaktive Visualisierung auf 3D Displays konnte beschleunigt werden. Diese messbare Verbesserung wurde zudem im Rahmen einer Nutzerstudie als wahrnehmbar und vorteilhaft befunden. N2 - In computer-aided design (CAD), industrial products are designed using a virtual 3D model. A CAD model typically consists of curves and surfaces in a parametric representation, in most cases, non-uniform rational B-splines (NURBS). The same representation is also used for the analysis, optimization and presentation of the model. In each phase of this process, different visualizations are required to provide an appropriate user feedback. Designers work with illustrative and realistic renderings, engineers need a comprehensible visualization of the simulation results, and usability studies or product presentations benefit from using a 3D display. However, the interactive visualization of NURBS models and corresponding physical simulations is a challenging task because of the computational complexity and the limited graphics hardware support. This thesis proposes four novel rendering approaches that improve the interactive visualization of CAD models and their analysis. The presented algorithms exploit latest graphics hardware capabilities to advance the state-of-the-art in terms of quality, efficiency and performance. In particular, two approaches describe the direct rendering of the parametric representation without precomputed approximations and timeconsuming pre-processing steps. New data structures and algorithms are presented for the efficient partition, classification, tessellation, and rendering of trimmed NURBS surfaces as well as the first direct isosurface ray-casting approach for NURBS-based isogeometric analysis. The other two approaches introduce the versatile concept of programmable order-independent semi-transparency for the illustrative and comprehensible visualization of depth-complex CAD models, and a novel method for the hybrid reprojection of opaque and semi-transparent image information to accelerate stereoscopic rendering. Both approaches are also applicable to standard polygonal geometry which contributes to the computer graphics and virtual reality research communities. The evaluation is based on real-world NURBS-based models and simulation data. The results show that rendering can be performed directly on the underlying parametric representation with interactive frame rates and subpixel-precise image results. The computational costs of additional visualization effects, such as semi-transparency and stereoscopic rendering, are reduced to maintain interactive frame rates. The benefit of this performance gain was confirmed by quantitative measurements and a pilot user study. KW - Rendering KW - CAD KW - NURBS KW - Computer-Aided Design KW - Isogeometric Analysis KW - Graphics hardware Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20181120-38234 ER - TY - THES A1 - Beck, Stephan T1 - Immersive Telepresence Systems and Technologies N2 - Modern immersive telepresence systems enable people at different locations to meet in virtual environments using realistic three-dimensional representations of their bodies. For the realization of such a three-dimensional version of a video conferencing system, each user is continuously recorded in 3D. These 3D recordings are exchanged over the network between remote sites. At each site, the remote recordings of the users, referred to as 3D video avatars, are seamlessly integrated into a shared virtual scenery and displayed in stereoscopic 3D for each user from his or her perspective. This thesis reports on algorithmic and technical contributions to modern immersive telepresence systems and presents the design, implementation and evaluation of the first immersive group-to-group telepresence system in which each user is represented as realistic life-size 3D video avatar. The system enabled two remote user groups to meet and collaborate in a consistent shared virtual environment. The system relied on novel methods for the precise calibration and registration of color- and depth- sensors (RGBD) into the coordinate system of the application as well as an advanced distributed processing pipeline that reconstructs realistic 3D video avatars in real-time. During the course of this thesis, the calibration of 3D capturing systems was greatly improved. While the first development focused on precisely calibrating individual RGBD-sensors, the second stage presents a new method for calibrating and registering multiple color and depth sensors at a very high precision throughout a large 3D capturing volume. This method was further refined by a novel automatic optimization process that significantly speeds up the manual operation and yields similarly high accuracy. A core benefit of the new calibration method is its high runtime efficiency by directly mapping from raw depth sensor measurements into an application coordinate system and to the coordinates of its associated color sensor. As a result, the calibration method is an efficient solution in terms of precision and applicability in virtual reality and immersive telepresence applications. In addition to the core contributions, the results of two case studies which address 3D reconstruction and data streaming lead to the final conclusion of this thesis and to directions of future work in the rapidly advancing field of immersive telepresence research. N2 - In modernen 3D-Telepresence-Systemen werden die Nutzer realistisch dreidimensional repräsentiert und können sich in einer gemeinsamen virtuellen Umgebung treffen. Da sich die Nutzer gegenseitig realistisch sehen können, werden Limitierungen von herkömmlichen zweidimensionalen Videokonferenzsystemen überwunden und neue Möglichkeiten für die Kollaboration geschaffen. Für die Realisierung eines immersiven Telepresence-Systems wird jeder Nutzer kontinuierlich in 3D aufgenommen und als sogenannter 3D-Video-Avatar rekonstruiert. Die 3D-Video-Avatare werden über eine Netzwerkverbindung zwischen den entfernten Orten ausgetauscht, auf jeder Seite in eine gemeinsame virtuelle Szene integriert und für jeden Nutzer perspektivisch korrekt dreidimensional angezeigt. Diese Arbeit trägt algorithmisch und technisch zur aktuellen Forschung im Bereich 3D-Telepresence bei und präsentiert das Design, die Implementierung und die Evaluation eines neuen immersiven Telepresence-Systems. Benutzergruppen können sich dadurch zum ersten Mal von unterschiedlichen Orten in einer konsistenten gemeinsamen virtuellen Umgebung treffen und als realistische lebensgroße 3D-Video-Avatare sehen. Das System basiert auf neu entwickelten Methoden, welche die präzise Kalibrierung und Registrierung von mehreren Farb- und Tiefenkameras in ein gemeinsames Koordinatensystem ermöglichen, sowie auf einer neu entwickelten verteilten Prozesskette, welche die realistische Rekonstruktion von 3D-Video-Avataren in Echtzeit ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kalibrierung von 3D-Aufnahmesystemen, die auf mehreren Farb- und Tiefenkameras basieren, deutlich verbessert. Eine erste Entwicklung konzentrierte sich auf die präzise Kalibrierung und Registrierung ein- zelner Tiefenkameras. Eine wesentliche Neuentwicklung ermöglicht es, mehrere Farb- und Tiefenkameras mit sehr hoher Genauigkeit innerhalb eines großen 3D-Aufnahmebereichs volumetrisch zu kalibrieren und in ein übergeordnetes Koordinatensystem zu registrieren. Im Laufe der Arbeit wurde die notwendige Nutzerinteraktion durch ein automatisches Optimierungsverfahren deutlich verringert, was die Kalibrierung von 3D-Aufnahmesystemen innerhalb weniger Minuten mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Ein wesentlicher Vorteil dieser neuen volumetrischen Kalibrierungsmethode besteht darin, dass gemessene Tiefenwerte direkt in das Koordinatensystem der Anwendung und in das Koordinatensystem der korrespondierenden Farbkamera abgebildet werden. Insbesondere sind während der Anwendungslaufzeit keine Berechnungen zur Linsenentzerrung nötig, da diese bereits implizit durch die volumetrische Kalibrierung ausgeglichen sind. Das in dieser Arbeit entwickelte immersive Telepresence-System hebt sich von verwandten Arbeiten ab. Der durch das System geschaffene virtuelle Begegnungsraum ermöglicht natürliche Interaktionsformen, wie zum Beispiel Gestik oder Mimik, und bietet gleichzeitig etablierte Interaktionstechniken der Virtuellen Realität, welche die gemeinsame Exploration und Analyse von 3D-Inhalten unterstützen. Die in dieser Arbeit neu entwickelte Kalibrierungsmethode stellt eine effiziente Lösung hinsichtlich Genauigkeit und Flexibilität für Virtual-Reality- und moderne 3D-Telepresence-Anwendungen dar. Zusätzlich zu den vorgestellten Entwicklungen tragen die Ergebnisse zweier Fallstudien im Bereich 3D-Rekonstruktion und Netzwerkübertragungzu dieser Arbeit bei und unterstützen Vorschläge und Ausblicke für zukünftige Entwicklungen im fortschreitenden Gebiet der 3D-Telepresence-Forschung. KW - Virtuelle Realität KW - Telepräsenz KW - Mensch-Maschine-Kommunikation KW - Tiefensensor KW - Camera Calibration KW - Depth Camera KW - 3D Telepresence KW - Virtual Reality Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20190218-38569 ER - TY - JOUR A1 - Kreskowski, Adrian A1 - Rendle, Gareth A1 - Fröhlich, Bernd T1 - Efficient Direct Isosurface Rasterization of Scalar Volumes JF - Computer Graphics Forum N2 - In this paper we propose a novel and efficient rasterization-based approach for direct rendering of isosurfaces. Our method exploits the capabilities of task and mesh shader pipelines to identify subvolumes containing potentially visible isosurface geometry, and to efficiently extract primitives which are consumed on the fly by the rasterizer. As a result, our approach requires little preprocessing and negligible additional memory. Direct isosurface rasterization is competitive in terms of rendering performance when compared with ray-marching-based approaches, and significantly outperforms them for increasing resolution in most situations. Since our approach is entirely rasterization based, it affords straightforward integration into existing rendering pipelines, while allowing the use of modern graphics hardware features, such as multi-view stereo for efficient rendering of stereoscopic image pairs for geometry-bound applications. Direct isosurface rasterization is suitable for applications where isosurface geometry is highly variable, such as interactive analysis scenarios for static and dynamic data sets that require frequent isovalue adjustment. KW - Rendering KW - Rastergrafik KW - Visualisierung KW - Maschinelles Sehen KW - isosurface KW - rendering KW - rasterization Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20230525-63835 UR - https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/cgf.14670 VL - 2022 IS - Volume 4, Issue 7 SP - 215 EP - 226 PB - Wiley Blackwell CY - Oxford ER -