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This thesis presents frameworks, algorithms, and techniques in order to make the application of virtual reality for virtual prototyping feasible. Virtual assembly simulation is focused on in particular. The contributions are in the following areas: high-level specification of virtual environments, efficient interaction metaphors and frameworks, real-time collision detection and response, physically-based simulation, tracking, and virtual prototyping application development. A framework for authoring virtual environments is proposed. The main premise for the proposed framework is that it should be easy for non-computer scientists to author virtual environments. Therefore, the concept of actions, events, inputs, and objects is introduced. These entities can be combined to virtual environments by the event-based approach. Collision detection is one of the enabling technologies for all kinds of physically-based simulation and for virtual prototyping. This thesis proposes a collision detection pipeline as a framework for collision detection modules. Subsequently, several algorithms for all stages of the collision detection pipeline are developed and evaluated. Interaction in virtual environments comprises many different aspects: device handling, processing input data, navigation, interaction paradigms, and physically-based object behavior. For all of them, techniques, frameworks, or algorithms are presented in this thesis, with a particular emphasis on their application to virtual prototyping. Finally, virtual prototyping is discussed in general, while the virtual assembly simulation application is described in more detail. All frameworks and algorithms have been implemented in the commercial VR system Virtual Design II. |
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Diese Dissertation präsentiert Rahmenkonzepte, Algorithmen und Techniken, um Virtuelle Realität nutzbringend für die virtuelle Prototypisierung einsetzen zu können. Insbesondere wird die virtuelle Montagesimulation berücksichtigt. Beiträge zu folgenden Gebieten werden geleistet: Spezifikation von virtuellen Umgebungen auf hoher Ebene, effiziente Interaktionsmetaphern und -konzepte, Kollisionserkennung und -behandlung in Echtzeit, physikalisch-basierte Simulation, Tracking, Entwicklung von Anwendungen für virtuelle Prototypen. Zunächst wird ein Rahmenkonzept für die Erstellung von virtuellen Umgebungen vorgestellt. Mit diesem Konzept können auch Nicht-Informatiker leicht virtuelle Umgebungen ohne Programmieren oder Programmierkenntnisse erstellen. Dazu werden die Konzepte einer Aktion, eines Ereignisses, einer Eingabe und eines Objektes eingeführt. Diese Entitäten können mittels einer Ereignis-basierten Sprache zu komplexen virtuellen Umgebungen kombiniert werden. Da Kollisionserkennung eine der notwendigen Voraussetzungen für alle Arten von physikalisch-basierter Simulation und für virtuelle Umgebungen ist, wird dann eine Kollisionserkennungs-Pipeline vorgestellt. Für alle Stufen dieser Pipeline werden verschiedene Algorithmen entwickelt und evaluiert. Daraufhin werden folgende Aspekte der Interaktion in virtuellen Umgebungen behandelt: Geräteabfrage, Verarbeitung der Eingabedaten, Navigation, Interaktionsparadigmen und physikalisch-basiertes Objektverhalten. Für alle diese werden Algorithmen entwickelt und Rahmenkonzepte entwickelt. Schließlich wird virtuelles Prototyping allgemein diskutiert; diese Diskussion wird dann konkretisiert am Beispiel der virtuellen Montagesimulation. Alle in dieser Arbeit entwickelten Algorithmen und Rahmenkonzepte wurden in das inzwischen kommerzielle VR-System Virtual Design I integriert. | German |
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