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Interactive Rendering For Projection-Based Augmented Reality Displays

Bimber, Oliver :
Interactive Rendering For Projection-Based Augmented Reality Displays.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Interactive Rendering For Projection-Based Augmented Reality Displays
Language: English
Abstract:

The rapid advances in computing and communications are dramatically changing all aspects of our lives. In particular, sophisticated 3D visualization, display, and interaction technologies are being used to complement our familiar physical world with computer-generated augmentations. These new interaction and display techniques are expected to make our work, learning, and leisure environments vastly more efficient and appealing. Within different application areas, variants of these technologies are currently being pursued in research and development efforts. Virtual Reality (VR) attempts to provide to the user a sense of spatial presence (visual, auditory, and tactile) inside computer-generated synthetic environments. Opaque head-mounted displays (HMDs) have been the traditional VR output devices for many years. A general characteristics of today’s HMDs, however, is their imbalanced ratio between heavy optics (that results in cumbersome and uncomfortable devices) and ergonomic devices with a low image quality (i.e., low resolution, small field of view and fixed focal length). To overcome some of their technological and ergonomic shortcomings and to open new application areas, the Virtual Reality community orients itself more and more away from HMDs, towards projection-based spatial displays such as immersive surround screen displays and semi-immersive embedded screen displays. Compared to HMDs, these new devices offer many advantages (e.g., a high and scalable resolution, a large and extendable field of view, an easier eye accommodation, a lower incidence of discomfort due to simulator sickness, light-weight glasses, etc.). In addition, many of them have particular characteristics (such as shape and size) that lend themselves for being employed as metaphors for application-specific functionality, thus making them easier to integrate into our everyday environments. Good examples for this are semi-immersive workbenches whose horizontal display surface lends itself towards supporting a table metaphor for the corresponding Virtual Reality setup. Augmented Reality (AR) superimposes computer-generated graphics onto the user's view of the real world. In contrast to VR, AR allows virtual and real objects to coexist within the same space. Video see-through and optical see-through HMDs are the traditional output technologies, and are still the display devices that are mainly used for Augmented Reality applications. A reorientation of the AR community towards an alternative display technology has not yet happened. Most of the developments and progress made so far are based on very specific applications and technology-tailored employment scenarios. The majority of AR achievements has found few real-world applications. This can partially be attributed to the underlying core technology of AR - including its display devices. As for many other technological domains, AR needs to provide sufficient robustness, functionality and flexibility to find acceptance and to support its seamless integration into our well-established living environments. For instance, many of our real-world items, devices, and tools are developed and tuned for effectively addressing distinct and problem-specific tasks. In contrast to this, many AR applications address specific problems still on an all-purpose technological basis - making use of technologically stagnating devices. A high demand on alternative display technologies exists that improve the shortcomings of traditional devices and open new application areas for AR. Head-attached displays have first been developed in the mid-sixties and still today own the display monopole in AR field. In contrast to VR technology, however, they have barely improved over the previous years and are still far away from being “ultimate displays“. The presented projection-based AR (PBAR) concept aims to combine the technological and ergonomic advantages of the well established projection-based Virtual Reality with the application potentials of Augmented Reality. Thus, it strives for opening new application areas for AR. It proposes -taking pattern from the evolution of VR- to detach the display technology from the user to embed it into the real environment instead. However, it is not intended to substitute other display concepts, such as head-attached displays, but rather to present an application-specific alternative. This thesis introduces the projection-based AR concept, presents proof-of-concept prototypes, explaines interactive rendering techniques for PBAR displays, and describes appropriate interaction techniques and applications for PBAR devices.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Fortschritt im Computer- und Kommunikationstechnologieumfeld verändert auf dramatische Weise alle Aspekte unseres Lebens. Es werden vor allem neuartige 3D Visualisierungen, Ausgabe- und Interaktionstechnologien dazu genutzt, unsere gewohnte physikalische Umwelt mit von Computern generierten Erweiterungen zu ergänzen. Von diesen neuen Interaktions- und Ausgabeparadigmen wird erwartet, dass sie unser Arbeits-, Lern- und Freizeitumfeld sehr viel effizienter und ansprechender gestalten. Innerhalb verschiedener Anwendungsgebiete werden derzeit Varianten dieser Technologien für die Forschungs- und Entwicklungsarbeit eingesetzt. Die Virtuelle Realität (VR) versucht, dem Benutzer eine gewisse räumliche Präsenz (visuell, akustisch und taktil) innerhalb eines vom Computer erzeugten synthetischen Umfelds zu bieten. Sogenannte Head-Mounted Displays (HMDs) waren viele Jahre lang die traditionellen VR Ausgabegeräte. Einer der Nachteile heutiger HMDs ist jedoch ihr unausgewogenes Verhältnis zwischen gewichtiger und großer Optik (was qualitativ hochwertige, aber globige und unbequeme Geräte zur Folge hat) und ergonomischen Geräten mit einer schlechten Bildqualität (d.h. niedrige Auflösung, kleines Blickfeld und festem Fokus). Um einige dieser technologischen und ergonomischen Nachteile zu beheben, und um neue Anwendungsgebiete zu ermöglichen, distanzierten sich die VR Anwender und Entwickler immer mehr von HMDs, und bewegten sich hin zu projektions-basierten Displays, wie etwa immersive Displays, die in der Lage sind, den Benutzer vollständig in synthetische Umgebungen einzuschließen, oder semi-immersive Displays, die in die reale Umgebung eingebettet werden können. Im Vergleich zu HMDs, haben diese neuen Geräte viele Vorteile (z.B. eine hohe und skalierbare Auflösung, ein großes, erweiterbares Blickfeld, eine bessere Fokussierungsunterstützung der Augen, ein geringeres Auftreten von Unbehagen aufgrund der sogenannten Simulationskrankheit, leichte Gläser, usw.). Außerdem haben viele dieser Geräte spezielle Eigenschaften (wie Größe und Form), die sich dazu eignen, als Metaphern für applikationsspezifische Funktionalität angewandt zu werden. Manche Variationen lassen sich dadurch leichter in unser tägliches Umfeld integrieren. Ein gutes Beispiel dafür sind semi-immersive Workbenches, deren horizontale Ausgabefläche sich zur Unterstützung einer Tischmetaphor eignet. Die erweiterte Realität (engl. Augmented Reality – AR) überlagert computergenerierte Grafik auf die Ansicht der realen Welt des Benutzers. Im Gegensatz zu VR können bei AR virtuelle und reale Objekte gleichzeitig innerhalb des selben dreidimensionalen Raumes koexistieren. Video-basierte und optische HMDs sind dabei die traditionellen Ausgabetechnologien, und seit Jahrzehnten die Displaygeräte, die überwiegend für AR Applikationen verwendet werden. Eine Umorientierung von AR Anwendern und Entwicklern auf eine alternative Displaytechnologie (wie es auch im VR Umfeld der Fall war) hat bis jetzt noch nicht stattgefunden. Die meisten der derzeitigen AR Entwicklungen und Systeme haben bisher nur wenige realistische Anwendungen gefunden. Das kann zum Teil auf die eingesetzte Basistechnologie - einschließlich der Ausgabegeräte- zurückgeführt werden. Genauso wie viele andere Technologien muss AR ausreichend robust, funktionell und flexibel sein, um wirklich Anwendung zu finden, und um nahtlos in unser gut etabliertes Lebensumfeld integriert werden zu können. Zum Beispiel sind viele unserer Alltagsgeräte danach ausgerichtet worden, spezielle und problemspezifische Aufgaben zu erfüllen. Im Gegensatz dazu versuchen viele AR Anwendungen spezifische Probleme auf einer allgemeinen, im Generellen immer gleich bleibenden technologischen Basis zu lösen. Deswegen besteht ein gewisser Bedarf an alternativen Displaytechnologien, die die Nachteile der traditionellen Geräte umgehen, und neue Anwendungsfelder für AR schaffen. Kopfgebundene Displays sind Mitte der sechziger Jahre erstmals zum Einsatz gekommen, und besitzen noch heute das Displaymonopol im AR Umfeld. Im Gegensatz zur Weiterentwicklung der VR Technologie, sind HMDs in den letzten Jahrzehnten nur wenig fortgeschritten, und man kann heute wohl kaum von „ultimativen Displays“ sprechen. Der in dieser Arbeit vorgestellte projektions-basierte AR (PBAR) Ansatz strebt an, die technologischen und ergonomischen Vorteile der weiterentwickelten und etablierten projektions-basierten VR mit dem Anwendungspotential von Augmented Reality zu vereinen. Dabei sollen neue Anwendungsfelder für AR erschlossen werden. Dieser Ansatz schlägt vor (nach dem Muster der Evolution von VR), die Displaytechnologie vom Benutzer zu trennen und sie anstelle in die Arbeitsumgebung zu integrieren. Allerdings sei erwähnt, dass nicht versucht wird, andere Displaykonzepte (wie z.B. Kopfgebundene Ansätze) völlig zu ersetzen, sondern anwendungsspezifische Alternativen zu bieten. Diese Arbeit führt ein projektions-basiertes AR Konzept ein. Sie stellt Proof-of-Concept Prototypen vor, erklärt interaktive Renderingtechniken für PBAR Displays, und beschreibt angemessene Interaktionstechniken und Anwendungen für PBAR Geräte.German
Uncontrolled Keywords: Augmented Reality, Display Technologie
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Augmented Reality, Display TechnologieEnglish
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/000270
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2701
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. R. and Mühlhäuser, Prof. Dr. M. and Weihe, Prof. Dr. K.
Advisors: Encarnação, Prof. Dr.- J. L. and Fuchs, Prof. Dr. H.
Refereed: 15 October 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/270
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