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Latency Reduction for Real-Time Rendering and its Application to VR Training Scenarios

  • Virtual reality is a growing field of interest as it provides a particular intuitive way of user-interaction. However, there are still open technical issues regarding latency — the delay between interaction and display reaction — and the trade-off between visual quality and frame-rate of real-time graphics, especially when taking visual effects like specular and semi-transparent surfaces and volumes into account. One solution, a distributed rendering setup, is presented in this thesis, in which the image synthesis is divided into an accurate but costly physically based rendering thread with a low refresh rate and a fast reprojection thread to remain a responsive interactivity with a high frame-rate. Two novel reprojection techniques are proposed that cover reflections and refractions produced by surface ray-tracing as well as volumetric light transport generated by volume ray-marching. The introduced setup can enhance the VR experience within several domains. In this thesis, three innovative training applications have been realized to investigate the added value of virtual reality to the three learning stages of observation, interaction and collaboration. For each stage an interdisciplinary curriculum, currently taught with traditional media, was transferred to a VR setting in order to investigate how virtual reality is capable of providing a natural, flexible and efficient learning environment
  • Virtual Reality ist ein ein Bereich wachsenden Interesses, da es eine besonders intuitive Art der Benutzerinteraktion darstellt. Noch immer wird nach Lösungen zu technischen Problemstellungen gesucht, wie etwa der Latenz zwischen der Nutzereingabe und der Reaktion der Darstellung oder dem Kompromiss zwischen der visuellen Qualität und der erreichten Framerate. Dies gilt insbesondere für visuelle Effekte auf spekularen und halbtransparenten Oberflächen und in Volumen. Eine Lösung stellt das in dieser Arbeit vorgestellte verteilte Rendersystem dar, in dem die Bildsynthese in einen präzisen, aber kostenaufwändigen physikbasierten Renderthread mit niedriger Bildwiederholrate und einen schnellen Reprojektionsthread mit hoher Bildwiederholrate aufgeteilt wird, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit und Interaktivität erhalten bleiben. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Reprojektionsverfahren vorgestellt, die einerseits Reflexionen und Refraktionen auf geraytracten Oberflächen und andererseits volumetrische Lichtausbreitung beim Raymarching abdecken. Das vorgestellte Setup kann in verschiedenen Gebieten zum Einsatz kommen um das VR Erlebnis zu verbessern. Im Zuge dieser Arbeit wurden drei innovative Trainingsanwendungen umgesetzt, um den Mehrwert von Virtual Reality im Bezug auf drei Stufen des Lernens zu untersuchen: Beobachtung, Interaktion und Zusammenarbeit. Für jede Stufe wurde ein interdisziplinäres Curriculum, das bislang mit traditionellen Medien unterrichtet wurde, in eine VR Umgebung übertragen, um zu untersuchen, wie gut sich virtuelle Realität als eine natürliche, flexible und effiziente Lernmethode eignet.

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Metadaten
Author:Gerrit Lochmann
URN:urn:nbn:de:kola-21985
Referee:Stefan Müller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2021/05/19
Date of publication:2021/05/19
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Date of final exam:2020/09/04
Release Date:2021/05/19
Number of pages:121
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Informatik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG