Visualisierungs- und Interaktionstechniken für das Lernen komplexer Bewegungen mit HMD

Abstract

Das Aneignen komplexer motorischer Fähigkeiten in einer Virtual-Reality-Umgebung bedarf nicht nur präziser Motion-Tracking-Systeme, sondern auch einer angemessenen Visualisierung optimaler Bewegungsabfolgen und einer entsprechenden Präsentation von Echtzeit-Feedbackvarianten. Head-Mounted-Displays erzeugen für den Benutzer solcher Systeme eine realitätsnahe und daher immersive Lernumgebung. Aus diesem Grund beschreibt die vorliegende Arbeit die Entwicklung und die Analyse verschiedener Visualisierungsmethoden für das Erlernen komplexer Bewegungsabfolgen. Dabei wurden diese Methoden speziell für den Einsatz in Systemen angepasst, welche über eine Echtzeit- Bewegungserkennung verfügen und ein HMD als Ausgabegerät verwenden. Die vorliegende Arbeit präsentiert zwei verschiedene Methoden zur Beobachtung von Bewegungsabfolgen eines Avatars. Aufgrund der Komplexität ganzheitlicher Bewegungen werden vier erweiterte Visualisierungen umgesetzt, die speziell bei Drehungen und Positionen welche die Blickrichtung beeinflussen, Vorteile aufweisen. Darüber hinaus wurden drei Varianten entwickelt um Benutzer ein aktives Feedback bereitzustellen, welche in Echtzeit oder als Zusammenfassung Fehler im Bewegungsablauf visuell darstellen. Für eine autonome Steuerung der implementierten Techniken wurden zusätzlich drei Interaktionsmöglichkeiten integriert und deren Einsatz in einer VR-Lernumgebung für motorische Fähigkeiten studiert. Eine Benutzerstudie mit neun Probanden zeigt die Akzeptanz der entwickelten Visualisierungs- und Interaktionstechniken anhand einer komplexen Übung aus Taekwondo.

Learning motion skills in Virtual Reality environments requires not only a precise motion tracking system, but also adequate visualization possibilities of human motions and real-time feedback. Current head mounted displays allow users of such systems a realistic and immersive experience. For that reason, the work is presenting various visualization methods for complex motion sequences in VR in order to support the process of motion learning. The developed methods are especially adapted for use in systems equipped with a real-time motion detection system and an HMD as visual output device. The work at hand is presenting two different methods for observing complex holistic movement sequences of an avatar. Another four advanced visualization techniques are explored for viewing the training environment, which have advantages especially if the movement contains rotations that force the user to look away from the avatar. In addition, three variants have been developed to provide a visual and active user feedback, by presenting the motion error in realtime or as a summary. For autonomous control of the implemented techniques, three possibilities for interaction were integrated into the environment and analyzed for their suitability in context of motor learning. A report on a conducted study with nine users shows the acceptance of the developed visualization and interaction techniques based on a complex exercise of Taekwondo.