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A. Mossel:
"Robust Wide-Area Tracking and Intuitive 3D Interaction for Mixed Reality Environments";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): H. Kaufmann, M. Billinghurst; Institute of Software Technology and Interactive Systems, 2014; Rigorosum: 17.11.2014.

Mischrealitäten, als durch den Computer simulierte dreidimensionale Umgebungen, sind
seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung. In jüngster Zeit hat das Aufkommen von
leistungsfähigen und kostengünstigen Recheneinheiten sowie Ein- und Ausgabegeräten zu
gesteigerten Bemühungen geführt, Mischrealitäten verstärkt in Alltagssituationen einzusetzen.
Dies jedoch führt zu einer Vielzahl von Herausforderungen, da für deren Entwicklung
robuste Techniken und Kenntnisse in Lokalisation, Visualisierung, Interaktion und
optional Verteilung erforderlich sind.
Der wissenschaftliche Beitrag dieser Dissertation umfasst neue Techniken und Algorithmen
für Lokalisation, Interaktion und Anwendungsentwicklung von Mischrealitäten. Im
ersten Teil dieser Arbeit wird ein neues Lokalisierungssystem vorgestellt, das in Innenräumen
auf Distanzen von bis zu 90m die 3D Position von mit visuellen Markierungspunkten
ausgestatteten Objekten bestimmen kann. Das System ist hierbei sowohl während Kamerakalibrierung
wie auch Lokalisierung robust gegenüber visuellen Störein üssen der
Umgebung, wie beispielsweise statischen und bewegten Lichtquellen sowie Verdeckungen.
Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Mensch-Maschine-Interaktion in
dreidimensionalen Systemen, speziell in mobilen Mischrealitäten mit berührungssensitiven
Bildschirmen. Um die Schwächen bestehender 3D Interaktionstechniken zu beheben,
werden die neuen Algorithmen DrillSample für Objektselektion, sowie 3DTouch und
Homer-S für Objektmanipulation vorgestellt. Die drei Techniken zielen alle auf leicht
verständlich und einfach zu bedienende Interaktionen ab, indem sie notwendige BenutzerInneneingaben
reduzieren und die Position sowie Orientierung des mobilen Endgeräts
miteinbeziehen. Dadurch können mit lediglich einem Finger präzise teilweise oder gänzlich
verdeckte Objekte ausgewählt werden, und entweder ohne Finger oder mit einem
bzw. zwei Fingern Objekte verschoben, gedreht und skaliert werden. Im dritten Teil dieser
Arbeit wird das neue Softwareframework ARTIFICe vorgestellt, das die Erkenntnisse
der ersten beiden Teile einbezieht und der einfachen Erstellung von hochwertigen Mischrealit
äten dient. Es stellt der BenutzerIn hierfür eine übersichtliche Benutzerober äche
zur Verfügung, über die man auf Techniken und Hardwareschnittstellen für Lokalisation,
Interaktion, Visualisierung und Verteilung zugreifen kann.
Der vorgestellte wissenschaftliche Beitrag zielt darauf ab, die Erstellung und Bedienung
von Mischrealitäten im Alltag zu vereinfachen und zu fördern.

Mixed reality has been a focus of research for many years and has recently gained particular
importance with the emergence of powerful, low-cost input- and output devices as
well as processing platforms that foster the applicability of virtual simulations for everyday
usage. However, this leads to signi cant challenges since the creation of compelling
mixed reality environments requires knowledge and robust techniques in the areas tracking,
visualization, interaction and in the non-obligatory areas distribution and authoring.
This thesis focuses on the development of novel techniques and algorithms to contribute
to the solution of fundamental problems in the areas of tracking, interaction, and application
development of mixed reality systems. Firstly, a novel system for wide-area optical
tracking in unconstrained indoor environments is presented that is capable of stereo
camera calibration and model-based tracking of rigid-body targets in environments with
poor illumination, static and moving ambient light sources, occlusions and harsh conditions,
such as fog. The experimental results demonstrate the system's capabilities to
track targets up to 90m and its applicability to act as a mixed reality tracking system
as well as a general purpose measurement tool for future (underground) surveying tasks,
such as autonomous machine guidance. Secondly, we investigated concepts for intuitive
3D interaction in virtual environments, speci cally in one-handed handheld mixed reality.
To address the shortcomings of state-of-the-art 3D selection and manipulation
techniques, the novel algorithms DrillSample for selection, and 3DTouch and HOMER-S
for manipulation are proposed. All three approaches aim at reducing the necessary input
through the user's ngers to provide easy to understand and straightforward interaction.
Therefore, they incorporate the 6-degree-of-freedom pose that is obtained through
optical tracking, resulting in a one- nger interaction for precise selection of partly or
fully occluded objects with high visual similarity. Thirdly, the novel software framework
ARTIFICe is presented that facilitates the development of compelling mixed reality environments.
It aims at minimizing the initial hurdles of application development as it
is inexpensive and provides a powerful graphical interface to easily access and author
tracking, interaction, visualization and distribution.
With the presented contribution, we aim at leveraging the applicability of mixed reality
into unconstrained everyday environments that are used by non-experts.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_230676.pdf