Navigationsunterstützung mit Hilfe des Datenhandschuhs

Ein Projekt der
Fachhochule Dortmund, Fachbereich Informatik
und des
Leibniz-Instituts für Arbeitsforschung an der TU Dortmund (IfADo)

Im Rahmen einer Diplomarbeit wurde der Datenhandschuh als navigationsunterstützendes Eingabegerät im virtuellen Raum untersucht. Anhand einer Applikation sollte getestet werden, ob und unter welchen Voraussetzungen der Datenhandschuh den Navigationsanforderungen des virtuellen Prototypings gerecht wird.

Grundlage der Arbeit bildete die Untersuchung des Einsatzes isometrischer Eingabegeräte in der VR-Navigation. Es konnte festgestellt werden, dass die Handhabung solcher Geräte einen negativen Einfluss auf die Immersion des Anwenders in die virtuelle Umgebung hat. Als Hauptproblem erwies sich dabei die Integration aller Navigationsfunktionen in einem einzelnen zu steuernden Element, das eine gezielte Manipulation der Perspektive in einer Translations- oder Rotationsachse fast unmöglich macht. Die identifizierten Störfaktoren motivierten und schufen die Basis für die Entwicklung einer Applikation zur Navigationsunterstützung mit Integration des Datenhandschuhs.

Bei der Festlegung des Pflichtenheftes stellte sich die Frage, mit welcher Funktionalität der Datenhandschuh als navigierendes Medium in der virtuellen Welt eingesetzt werden kann. Hierzu wurde aus den Ergebnissen der konkreten Problembeschreibung hergeleitet, dass Methoden zur Translation und Rotation beim Navigieren streng voneinander getrennt sein sollten. Entsprechend wurden zwei auf diese Funktionsbereiche spezialisierte grafische Interaktionselemente entwickelt: ein Würfel zur Steuerung der Orientierung und eine einblendbare Navigationskarte zur Steuerung der Translation.

Die Funktionsweise des Würfels ist so gewählt, dass es möglich ist, ihn mit dem Datenhandschuh entlang einer gewählten Achse rotieren zu lassen, um damit synchron die Orientierung des Betrachters im Raum zu manipulieren.

Im Laufe erster Nutzertest und -befragungen stellte sich heraus, dass die mangelnde Stabilität des Trackingsystems die Handhabung des Würfels mit dem Datenhandschuh wesentlich erschwerte. Daraus wurde der Schluss gezogen, dass die Rotation des Würfels nicht in Abhängigkeit einer vollständigen und damit komplex strukturierten Greifbewegung erfolgen sollte, sondern in Abhängigkeit der zuverlässiger zu bestimmenden Position der Daumenspitze. Aber auch bei einer solchen Vereinfachung der Manipulation war das Fehlen eines taktilen Feedbacks zu berücksichtigen, das sich etwa in einem Durchfassen oder einem unbeabsichtigten Berühren des Würfels auswirkte und äußerst sensible Erkennungsmechanismen erforderte.

Im ständigen Abgleich mit den Erkenntnissen aus weiteren Praxistests und der Weiterentwicklung des Algorithmus ergab sich ein Würfel, der als Steuerungselement den Anforderungen einer exakten Manipulation der Orientierung entspricht. Es ist jedoch eine präzise und bewusste Vorgehensweise des Anwenders notwendig, um ein angestrebtes Rotationsergebnis zu erreichen. Dies führte insbesondere bei ungeübten Probanden zu einem leichten Verkrampfen der Handmuskulatur, die sich jedoch mit zunehmender Vertrautheit mit dem System legte. Eine Einarbeitungsphase, wie sie bei isometrischen Eingabegeräten unerlässlich ist, bleibt auch hier nicht aus.

Übersicht über die Naviationselemente (1 = Drehrichtungsanzeiger, 2 = grafischer Datenhandschuh, 3 = Zielhilfe, 4 = Navigationskarte, 5 = Navigationswürfel, 6 = Zoom-Icons, 7 = Aktivierungs-Icon).

Die Entscheidung für den Einsatz einer Navigationskarte als Steuerelement der Translationen basiert auf der Betrachtung konventioneller Hilfsmittel zur Navigation. Die Wegfindung eines Navigators in einer realen Umgebung wird durch Karten wesentlich vereinfacht. Das symbolische Zeigen auf das Ziel in der Karte wurde als Geste kopiert und mit der Funktionalität des Handschuhs verbunden. Durch diese Zeigegeste findet eine Translation durch den virtuellen Raum in einer virtuellen Karte statt. Das sofortige Erreichen des Zieles ist der Vorteil dieser VR-Navigationsmethode. Diese Interaktion des Datenhandschuhs mit der Navigationskarte hat sich als relativ unproblematisch herausgestellt. Auch hier hat sich die Abbildung der Positionsdaten des Zeigefingers als einem Teilsegment des grafischen Datenhandschuhs auf eine Translation im virtuellen Szenario als sehr exakt erwiesen.

Als nachteilig erwies sich wiederum das unpräzise Verhalten des Trackingsystems, was aber durch Restriktionen in der Kollisionserkennung kompensiert werden konnte. Daneben war eine Lösung zur Kompensation von perspektivischer Verzerrung bei der Einschätzung der Entfernung von der virtuellen Karte zu entwickeln, die ein punktgenaues Zielen erschwerte. Dieses Problem wurde mit einer Zielhilfe, deren Funktionsweise im weiteren Sinne einem Laserpointer gleicht, behoben.

Insgesamt konnten die an die Navigationsunterstützung gestellten Anforderungen erfüllt werden. Die Aufteilung von Rotation und Translation auf zwei unterschiedliche Interaktionselemente macht ein Navigieren durch den virtuellen Raum sehr intuitiv, da deutlich zu erkennen ist, welchem Prinzip die Interaktionselemente unterliegen. Die Bewegungsänderungen entsprechen genau den Erwartungen des Anwenders, da keine unbeabsichtigten Rotationen oder Translationen den Navigationsprozess beeinflussen.

Abschließend ist zu bemerken, dass ein Erleben der VR-Welt ohne tischgebundene Eingabegeräte ein wesentlich intuitiveres Interagieren möglich machen würde und dem Anwender eine höhere Immersion böte. Trotz einer damit einhergehenden Einarbeitungsphase zeigt die Interaktion des Datenhandschuhs mit Elementen der virtuellen Umgebung, dass tischgebundene Eingabegeräte eher eine technologische Zwischenlösung darstellen und in Zukunft durch tischungebundene ersetzt werden.

• Michael Stark
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Hofberg, D. (2002). Navigationsunterstützung im virtuellen Raum mit Hilfe des Datenhandschuhs. Dortmund, Fachhochschule, Fachbereich Informatik, Diplomarbeit.