Virtual humanoids and presence in virtual environments

Valvoda, Jakob T.; Bischof, Christian

doi:2014

Virtual humanoids and presence in virtual environments = Virtuelle Humanoide und Präsenz in Virtuellen Umgebungen

Valvoda, Jakob T. (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jakob T. Valvoda

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangVIII, 163 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Bischof, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-09-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-20144
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/52341/files/Valvoda_Jakob.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Virtuelle Realität (Genormte SW) ; Immersion <Virtuelle Realität> (Genormte SW) ; Computersimulation (Genormte SW) ; Avatar <Informatik> (Genormte SW) ; Künstlicher Mensch (Genormte SW) ; Kinematik (Genormte SW) ; Präsenz <Philosophie> (Genormte SW) ; Informatik (frei) ; Virtual Reality (frei) ; Simulation (frei) ; Avatar (frei) ; Kinematics (frei) ; Presence (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004

Kurzfassung
Das Kernthema dieser Arbeit behandelt die Simulation von virtuellen Humanoiden und die Evaluierung ihrer Nutzung als Avatare in virtuellen Umgebungen. Die Arbeit befasst sich unter anderem mit Simulationsmethoden, die den Einsatz von virtuellen Humanoiden in virtuellen Umgebungen ermöglichen. Den Hauptbestandteil allerdings bilden die experimentellen Untersuchungen der Zusammenhänge zwischen Benutzern und ihren Avataren. Die sich daraus ergebende Schlussfolgerung besagt, dass virtuelle Humanoide vorteilhaft in einer Vielzahl von typischen Interaktionsszenarien eingesetzt werden können. Notwendige Technologien zur interaktiven Simulation von virtuellen Humanoiden in virtuellen Umgebungen werden in dieser Arbeit detailliert behandelt. Das hierfür entwickelte VRZula-System wird in seiner Gesamtheit beschrieben und die einzelnen Hauptmerkmale werden ausführlich behandelt. Insbesondere werden die Aspekte der mehrschichtigen, aus funktionaler Anatomie abgeleiteten Datenstruktur, die Kapselung der abstrakten Daten vor den Simulationsalgorithmen und die gezielte Steuerung und Regelung der Modifikation der Basisdaten beschrieben. Dieser strukturierte und grundlegende Ansatz führt zu einem System für virtuelle Humanoide, welches erweiterbar und flexibel in seiner Nutzung ist. So ist das System in der Lage, umfangreich modellierte virtuelle Humanoide in verteilten virtuellen Umgebungen zu simulieren. VRZula integriert nicht nur eine Vielzahl von Ansätzen zur Darstellung von virtuellen Humanoiden, sondern auch Strategien zur Simulation der Kinematik und der Physiologie. Grundlegende Verbesserungen werden in den Bereichen der Deformation der Muskulatur, der Synchronisation multimodaler Repräsentationsdaten, dem Aufbau von Bewegungsgraphen und dem Ganzkörper-Tracking präsentiert. Das VRZula-System wird im Rahmen dieser Arbeit für die experimentelle Überprüfung von mehreren Hypothesen verwendet, welche den Einsatz von virtuellen Humanoiden in virtuellen Umgebungen hinterfragen. Es werden zwei zielgerichtete Studien vorgestellt, welche den Einfluss von virtuellen Humanoiden auf das Empfinden der Präsenz näher untersuchen. Die Studien haben gezeigt, dass mit synchroner Kinematik ausgestattete Avatare in der Lage sind, die Benutzerkinematik dermaßen zu beeinflussen, dass optimale Bewegungen im Virtuellen entstehen. Auch wenn die zusätzlichen, durch die Verwendung von exozentrischen Avataren induzierten mentalen Aufmerksamkeitsprozesse zu einer Verringerung des Präsenz-Empfindens in kopfferenen virtuellen Umgebungen führen, konnte die starke Identifikation der Benutzer mit ihren Avataren gezeigt werden. Darüber hinaus wurden Korrelationen zwischen Präsenz-Metriken und physiologischen Reaktionen ermittelt. Die beiden vorgestellten Studien bilden die Grundlage für eine ausführliche Diskussion der Verwendung virtueller Humanoide als Avatare in typischen Interaktionsszenarien. Navigationsaufgaben und insbesondere Manipulationsaufgaben werden in diesem Zusammenhang als vorteilhafte Nutzungsszenarien identifiziert. Eine Empfehlung zur Verwendung von Avataren mit synchroner Kinematik wird aufgrund der erarbeiteten Erkenntnisse ausgesprochen. Das entwickelte VRZula-System und die vorgestellten Experimente bereichern den derzeitigen Kenntnisstand bezüglich virtueller Humanoide und unterstützen ausdrücklich ihre Anwendung in virtuellen Umgebungen. Die zentrale Rolle von virtuellen Humanoiden als die grundlegende Technologie für zukünftige Interaktionsmethoden in fortschrittlichen virtuellen Umgebungen wird durch diese Arbeit verdeutlicht.

The broad range of methods for virtual humanoids and their evaluation as avatars in virtual environments is handled in this thesis. The enabling methods, as well as experimental evaluations are the main contributions of the thesis. The central conclusion of the work can be summed up as the fact that virtual humanoids are beneficial for a number of interaction scenarios typically found in virtual environments. The thesis presents the technology required for an interactive simulation of virtual humanoids in virtual environments. It presents the VRZula toolkit and its main features, mainly a layered data structure derived from functional anatomy, separation of data and simulation algorithms, and the control and propagation of modifications to the data. This elementary approach leads to an extendible and flexible system for virtual humanoids. The toolkit is capable of simulating even sophisticated models of virtual humanoids in complex distributed virtual environments. It integrates a variety of current approaches to the representation of virtual humanoids, as well as methods for kinematic and physiology simulation. Substantial improvements and novel approaches are introduced in the areas of deformation of musculature, multimodal representation and synchronization, construction of motion graphs, and synchronous body tracking. Within the scope of this work, the VRZula toolkit is used for the evaluation of several hypotheses regarding the application of virtual humanoids in virtual environments. The two studies presented contribute to the understanding of the influence of virtual humanoids on the sensation of presence. It has been shown that avatars equipped with synchronous kinematics affect the real motion of the user and optimize the kinematics in the virtual world. Even though the mental and attentional resources bound to the exocentric virtual body representation led to a decrease of presence scores in room-mounted virtual environments, a strong identification of the user with the avatar has been shown. In addition, correlations between presence scores and physiological, as well as performance measures have been found. The results of the two studies are the basis of the evaluation of virtual humanoids used as avatars in typical interaction scenarios of virtual environments, and identify beneficial areas of application in certain navigation tasks and most manipulation scenarios. The use of avatars equipped with synchronous kinematics is clearly recommended. The VRZula toolkit developed within this work and the experimental evaluations have contributed to the prevailing knowledge on virtual humanoids and their application in virtual environments. The thesis demonstrates that virtual humanoids are the central methodology in future interaction techniques of sophisticated virtual environments.

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