Anwendung und Evaluation virtueller Techniken auf Head-Mounted-Displays im Kontext von Class-A Oberflächenanalysen und -beurteilungen

Abstract

Bei der Gestaltung von Fahrzeugexterieuren und -interieuren bewerten hoch qualifizierte Experten die Ästhetik von Oberflächen und erkennen Mängel wie zum Beispiel leichte Verformungen. Solche Oberflächenuntersuchungen werden üblicherweise anhand physischer Prototypen durchgeführt, deren Herstellung einen hohen Kosten und Zeitaufwand bedeutet. Auch wenn große Fortschritte im Bereich der Rechenleistung von PCs und auf dem Gebiet der virtuellen Realität (VR) eine sehr realistische Darstellung virtueller Umgebungen ermöglichen, ist das Vertrauen in die Validität virtueller Bewertungen nach wie vor gering. Daher werden im Rahmen dieser Arbeit neuartige Darstellungsmethoden (Shader) und Techniken umgesetzt und in Probandenstudien dahingehend evaluiert, inwieweit diese die Beurteilungsgüte sowie die Akzeptanz von Oberflächenanalysen in der VR beeinflussen. Zu diesen Umsetzungen gehören der Einsatz von Perspektiv-Mannequins, ein Sitzbock in Kombination mit einem virtuellen Avatar, ein animierter Normalenshader, die Darstellung in einem Lightfield mitsamt eines umgesetzten Laserpointers, ein Material- und Variantenschalter, eine neuartige Gestensteuerung sowie ein Screen Space Ambient Occlusion (SSAO) basierter Shader, welcher für Mixed Reality Inhalte einen Schatten erzeugt. Zur Evaluierung wurde eine Reihe unterschiedlicher Probandenstudien in den Interieuren und Exterieuren verschiedener Modelle einerseits in der VR mittels eines VR Head-Mounted Displays (HMD) als auch an realen Prototypen durchgeführt, wobei die Experimente vorwiegend von Experten und Entscheidungsträger als Probanden durchgeführt wurden. Die Resultate und Erkenntnisse dieser Probandenstudien werden aufgezeigt und hinsichtlich der zugrundeliegenden Forschungsfrage analysiert, ob die heutige VR-Hardware und Software in der Automobilindustrie den Bedürfnissen der anspruchsvollen Experten entspricht und inwieweit VR im Anwendungsbereich der Oberflächenanalysen Vorteile bieten kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Experten anhand einer Teilmenge der umgesetzten Techniken in der VR in die Lage versetzt werden können, eine mit der Realität gleich hohe Beurteilungsgüte zu erreichen, wenngleich eine Oberflächenanalyse realer Exterieure insgesamt weiterhin einer Analyse in VR überlegen sein können. Durch den Einsatz von Shadern ist es möglich, die Beurteilungsgüte positiv zu beeinflussen, während Techniken wie der Sitzbock oder ein SSAO-basierter Shader zur Erzeugung von Schatten die Immersion erhöhen und Cybersickness sowie die subjektiv empfundene Arbeitsbelastung verringern können.

During the design of car exteriors and interiors, highly trained experts evaluate the aesthetics of surfaces and identifies flaws such as subtle deformations. Such surface or design reviews are usually conducted using physical prototypes which represent a high time and cost factor. Even though major progress in computational power of PCs and in the field of virtual reality (VR) allow highly realistic presentations of virtual environments, a low confidence in the validity of virtual reviews remains. Therefore, in the context of this work, novel display methods (shaders) and techniques are implemented and evaluated in user studies in order to find out to what extent they influence the assessment quality as well as the acceptance of surface analyses in VR. These implementations include perspective mannequins, a seating block in combination with a virtual avatar model, an animated shader representing the surface normals, rendering an interior with a lightfield along with an implemented laser pointer, a switch for materials and variants, a novel gesture interaction method and a screen space ambient occlusion-based shader that creates a shadow for mixed reality content. For the evaluation, a number of different user studies were conducted in the interiors and exteriors of various models in VR using a VR head-mounted display (HMD) as well as on real prototypes, with mostly experts and decision-makers as participants for the experiments. The results and findings of these user studies are laid out and analyzed with respect to the underlying research question of whether current VR hardware and software in the automotive industry meet the needs of sophisticated expert users and to what extent VR can offer advantages in the area of surface analyses. The results show that experts can indeed achieve an assessment quality that is on par with reality using a subset of the implemented techniques in VR, although a surface analysis of physical exteriors may still be superior overall to an analysis in VR. By using shaders, it is possible to positively influence the assessment quality, while techniques such as the seat buck or a SSAO-based shader for creating shadows can increase immersion and reduce cybersickness as well as the subjectively perceived workload.