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Dynamisches Objektverhalten in Virtuellen Umgebungen

Fröhlich, Torsten :
Dynamisches Objektverhalten in Virtuellen Umgebungen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Ein Simulationssystem für Autonome Objekte - PDF
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Modellierung von Simulationen mit Autonomen Objekten - PDF
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Integration multidimensionaler Interaktionsgeräte - PDF
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Anwendungen und Zusammenfassung - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dynamisches Objektverhalten in Virtuellen Umgebungen
Language: German
Abstract:

Virtuelle Welten waren in den vergangenen Jahren wegen der hohen Kosten Forschungslaboren vorbehalten und der Öffentlichkeit anlässlich zeitlich begrenzter Ausstellungen und Messen zugänglich. Mit der dramatischen Leistungssteigerung der Personal Computer in den letzten Jahren rückt nun die Anwendung von Virtueller Realität im öffentlichen Raum, etwa in Museen, Freizeitparks in den Bereich des Möglichen. Damit das vielversprechende didaktische Potential dieses neuen Mediums genutzt werden kann, müssen Virtuelle Welten einfacher zu handhaben sein und lebendiger werden. Dies ist das Ziel der vorliegenden Arbeit. Zunächst werden eine Reihe von gängigen VR-Systeme darauf hin untersucht, ob und wie sie die Modellierung von lebendigen Virtuellen Welten unterstützen und wie Interaktionsgeräte angebunden werden. Bei der Untersuchung stellt sich heraus, daß sogenanntes statisches Verhalten teilweise unterstützt wird, die Simulation von dynamischem Objektverhalten einer großen Zahl von Objekten bleibt dagegen der Anwendung überlassen. Die Entwicklung von hoch dynamischen Virtuellen Welten ist damit sehr aufwendig. Die Anbindung von Interaktionsgeräten wie Trackingsystemen, Datenhandschuhen, usw. ist unzureichend. Die Geräteabstraktion ist nicht komplett und ein Defekt an einem Gerät führt typischerweise zum Neustart des VR-Systems. Daher wird zunächst ein Simulationssystem vorgestellt, welches dynamisches Objektverhalten einer großen Zahl von Objekten ermöglicht. Zentrales Konzept, sind die sogenannten Autonomen Objekte deren Verhalten durch Feature-Objekte konfiguriert wird. Die gesamte Konfiguration des Systems, inklusive Programmcode kann modifiziert werden, während das VR-System läuft, ohne einen zeitaufwendigen Neustart zu erfordern. Bei der Programmierung von Objektverhalten wird nicht auf interpretierte Skriptsprachen ausgewichen; es kann in wesentlich performanteren Sprachen wie C/C++ entwickelt werden. Durch die Möglichkeit, die Simulation auf mehrere Prozesse zu verteilen, kann moderne Multiprozessor-Hardware ausgenutzt werden. Darauf aufbauend wird eine Hierarchie von Features vorgestellt, die von Grundkonzepten der Interaktion, wie exklusive Kontrolle und Subskription von Information, bis zu einem Benutzermodell entwickelt wird. Eine neuartige grafische Notation erleichtert die visuelle Darstellung von dynamischem Objektverhalten. Anschließend widmet sich die Arbeit der Anbindung von Interaktionsgeräten. Es wird ein System vorgestellt, welches den gleichzeitigen Zugriff mehrerer VR-Applikationen auf Geräte ermöglicht, die an Rechner irgendwo im Netzwerk angeschlossen sind. Neuartige Fehlertolerante Kommunikationsprotokolle ermöglichen die für die Applikation transparente Behandlung von Fehlern und die Minimierung der Latenz bei der Interaktion von Virtuellen Umgebungen. Das System ist ebenfalls vollständig zur Laufzeit konfigurierbar, sodaß auch hier ein Neustart vermieden werden kann. Anhand dreier Anwendungen werden die Einsatzmöglichkeiten des Systems demonstriert: In einer transatlantischen Virtuellen Umgebung trainieren zwei Astronauten gemeinsam die Reparatur des Hubble Teleskops. Die Visuelle Simulation von Europas größtem Aquarium erlaubt das Eintauchen in Unterwasserwelten, die mit bis zu 1000 Fischen bevölkert sind. Am Beispiel des Domes von Siena wird dargestellt, wie Autonome Objekte zur Modellierung interaktiver Geschichten eingesetzt werden können.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Virtual worlds have been developed and operated exclusively in research laboratories and have been accessible to the public only during exhibitions and trade shows. The dramatic increase of performance of personal computers in the recent years is now drawing appliances in public spaces like museums, theme parks into the realm of possibility. In order to exploit the didactical potential of this new media, virtual worlds need to be handled easily and become much more lively. This is the goal of the present thesis. At first, popular VR-systems are analyzed for their support of modelling lively virtual worlds and how these systems integrate interaction devices. It emerged that so called static behavior is supported by some systems but the simulation of dynamic object behavior is left generally to the application. Hence, the development of highly dynamic virtual worlds is a lavish task. The integration of interaction devices, such as tracking systems, data gloves, etc. is insufficient. The device abstraction is not complete and a defect at one of the devices typically makes a relaunch of the VR-system inevitable. Therefore, first of all a simulation system is presented which facilitates dynamic object behavior for a large number of objects. The central concept is constituted by the so called Autonomous Objects whose behavior is configured by Feature Objects. The whole behavior configuration, including program code can be modified during the runtime of the VR-system, without requiring a time-consuming relaunch. Behavior is not implemented by dodging into script languages; it can be developed by much more performant programming languages like C/C++. By parallelizing the simulation on several processes, modern multi-processor hardware can be utilized. The next part of the thesis is dedicated to the integration of interaction devices. A system is presented which allows concurrent access of multiple VR-applications to devices connected to host computers anywhere in the network. Novel, fault-tolerant communication protocols are invented which handle errors completely transparent for the application and minimize transmission latencies. Again, the system can be configured completely during runtime, a relaunch is avoided. Possible fields of application are demonstrated by three examples: Two astronauts train together the repair of the Hubble Space Telescope in a transatlantic shared virtual environment. The visual simulation of Europe's largest aquarium allows to dive into underwater worlds inhabited by up to 1000 fishes. The virtual cathedral of Siena exemplifies how Autonomous Objects can be set in to model interactive stories.English
Uncontrolled Keywords: autonomous behavior, interaction devices, hardware abstraction, client-server, runtime configuration
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
autonomous behavior, interaction devices, hardware abstraction, client-server, runtime configurationEnglish
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: Fachbereich Informatik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000262
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2628
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Encarnacao, Prof. Dr. Jose Luis and Müller, Prof. Dr. Stefan
Advisors: Encarnacao, Prof. Dr. Jose Luis
Refereed: 4 October 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/262
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