An expandable walking in place platform

Abstract

The control of locomotion in 3D virtual environments should be an ordinary task, from the user point-of-view. Several navigation metaphors have been explored to control locomotion naturally, such as: real walking, the use of simulators, and walking in place. These have proven that the more natural the approach used to control locomotion, the more immerse the user will feel inside the virtual environment. Overcoming the high cost and complexity for the use of most approaches in the field, we introduce a walking in place platform that is able to identify orientation, speed for displacement, as well as lateral steps, of a person mimicking walking pattern. The detection of this information is made without use of additional sensors attached to user body. Our device is simple to mount, inexpensive and allows almost natural use, with lazy steps, thus releasing the hands for other uses. Also, we explore and test a passive, tactile surface for safe use of our platform. The platform was conceived to be utilized as an interface to control navigation in virtual environments, and augmented reality. Extending our device and techniques, we have elaborated a redirection walking metaphor, to be used together with a cave automatic virtual environment. Another metaphor allowed the use of our technique for navigating in point clouds for tagging of data. We tested the use of our technique associated with two different navigation modes: human walking and vehicle driving. In the human walking approach, the virtual orientation inhibits the displacement when sharp turns are made by the user. In vehicle mode, the virtual orientation and displacement occur together, more similar to a vehicle driving approach. We applied tests to detect preferences of navigation mode and ability to use our device to 52 subjects. We identified a preference for the vehicle driving mode of navigation. The use of statistics revealed that users learned easily the use of our technique for navigation. Users were faster walking in vehicle mode; but human mode allowed precise walking in the virtual test environment. The tactile platform proved to allow safe use of our device, being an effective and simple solution for the field. More than 200 people tested our device: UFRGS Portas Abertas in 2013 and 2014, which was a event to present to local community academic works; during 3DUI 2014, where our work was utilized together with a tool for point cloud manipulation. The main contributions of our work are a new approach for detection of walking in place, which allows simple use, with naturalness of movements, expandable for utilization in large areas (such as public spaces), and that efficiently supply orientation and speed to use in virtual environments or augmented reality, with inexpensive hardware.

O controle da locomoção em ambientes virtuais 3D deveria ser uma tarefa simples, do ponto de vista do usuário. Durante os anos, metáforas para navegação têm sido exploradas para permitir o controle da locomoção naturalmente, tais como: caminhada real; uso de simuladores e imitação de caminhada. Estas técnicas provaram que, quanto mais natural à abordagem utilizada para controlar a locomoção, mais imerso o usuário vai se sentir dentro do ambiente virtual. Superando o alto custo e complexidade de uso da maioria das abordagens na área, introduzimos uma plataforma para caminhada no lugar, (usualmente reportado como wal king in place), que é capaz de identificar orientação, velocidade de deslocamento, bem como passos laterais, de uma pessoa imitando a caminhada. A detecção desta informação é feita sem o uso de sensores presos no corpo dos usuários, apenas utilizando a plataforma. Nosso dispositivo é simples de montar, barato e permite seu uso por pessoas comuns de forma quase natural, com passos pequenos, assim deixando as mãos livres para outras tarefas. Nós também exploramos e testamos uma superfície táctil passiva para utilização segura de nossa plataforma. A plataforma foi concebida para ser utilizada como uma interface para navegação em ambientes virtuais. Estendendo o uso de nossa técnica e dis positivo, nós elaboramos uma metáfora para caminhada redirecionada, para ser utilizada em conjunto com cavernas de projeção, (usualmente reportado como Cave automatic vir tual environment (CAVE)). Criamos também uma segunda metáfora para navegação, a qual permitiu o uso de nossa técnica para navegação em nuvem de pontos, auxiliando no processo de etiquetagem destes, como parte da competição para o 3D User Interface que ocorreu em Minessota, nos Estados Unidos, em 2014. Nós testamos o uso da técnica e dispositivos associada com duas nuances de navegação: caminhada humana e controle de veiculo. Na abordagem caminhada humana, a taxa de mudança da orientação gerada pelo usuário ao utilizar nosso dispositivo, inibia o deslocamento quando curvas agudas eram efetuadas. No modo veículo, a orientação e o deslocamento ocorriam conjuntamente quando o usuário utilizava nosso dispositivo e técnicas, similarmente ao processo de controle de direção de um veículo. Nós aplicamos testes para determinar o modo de navegação de preferencia para uti lização de nosso dispositivo, em 52 sujeitos. Identificamos uma preferencia pelo modo de uso que se assimila a condução de um veículo. Testes estatísticos revelaram que os usuários aprenderam facilmente a usar nossa técnica para navegar em ambientes virtuais. Os usuários foram mais rápidos utilizando o modo veículo, mas o modo humano garantiu maior precisão no deslocamento no ambiente virtual. A plataforma táctil provou permi tir o uso seguro de nosso dispositivo, sendo uma solução efetiva e simples para a área. Mais de 200 pessoas testaram nosso dispositivo e técnicas: no evento Portas Abertas da UFRGS em 2013 e 2014, um evento onde são apresentados para a comunidade local os trabalhos executados na universidade; e no 3D User Interface, onde nossa técnica e dis positivos foram utilizados em conjunto com uma ferramenta de seleção de pontos numa competição. As principais contribuições do nosso trabalho são: uma nova abordagem para de tecção de imitação de caminhada, a qual permite um uso simples, com naturalidade de movimentos, expansível para utilização em áreas grandes, como espaços públicos e que efetivamente captura informações de uso e fornece orientação e velocidade para uso em ambientes virtuais ou de realidade aumentada, com uso de hardware barato.