Immersive analysis of multi-scalar field point clouds

Abstract

Point cloud data is increasingly used as a digital representation of three-dimensional objects in the real world. As acquisition devices become more commonly available (some smartphones now include Light Detection and Ranging (LiDAR) sensors), “intelligent” buildings provide growing amounts of multi-variate data and the size of the resulting point clouds continues to increase, novel techniques for visualization and exploration of the data within its spatial context are required. Traditional tools for this purpose rely on two-dimensional desktop environments which often pose challenges such as a steep learning curve and difficulties in correctly conveying spatial context. Recent research has explored the use of Virtual Reality (VR) for a more immersive exploration of point clouds. This project introduces an immersive VR environment, which provides the ability to explore multiple scalar fields associated with point cloud data using two distinct visualization methods. Additionally, users can annotate the point cloud with a virtual painting device while navigating with natural walking movement by means of an omnidirectional treadmill. This functionality can be used for manual classification of objects in the point cloud as well as for generation of artificial scalar data where none is available. A pilot study is then conducted to assess user satisfaction and system usability. Punktwolkendaten haben sich als weit verbreitete digitale Darstellung von dreidimensionalen Objekten etabliert, da Erfassungsgeräte zunehmend leicht zugänglich werden (manche Smartphones enthalten nun Light Detection and Ranging (LiDAR)-Sensoren). “Intelligente” Gebäude erzeugen immer mehr multivariate Daten und die Größe der resultierenden Punktwolken steigt immer weiter an; diese Entwicklung erfordert neue Methoden zur Visualisierung und Erforschung der Daten in ihrem räumlichen Kontext. Traditionelle Werkzeuge zur Visualisierung von Punktwolken basieren auf zweidimensionalen Desktop-Umgebungen, die oft Herausforderungen wie eine steile Lernkurve und Schwierigkeiten bei der Vermittlung des dreidimensionalen räumlichen Kontextes mit sich bringen. In der aktuellen Forschung wird Virtual Reality (VR) als eine immersivere Lösung für die Erkundung von und Interaktion mit Punktwolken untersucht. Diese Arbeit stellt ein VR-basiertes System vor, das es den Nutzern ermöglicht, mehrere Skalarfelder, die mit Punktwolken-Daten assoziiert sind, mittels zweier verschiedener Visualisierungsmethoden zu erkunden. Darüber hinaus bietet das System eine Funktion zur interaktiven Annotation der Punktwolken mittels eines virtuellen Malwerkzeugs, während Nutzer sich mit natürlichen Gehbewegungen fortbewegen. Dies wird ermöglicht durch die Integration eines omnidirektionalen Laufbandes. Die Annotationsfunktionalität kann sowohl zur manuellen Klassifikation von Objekten in einer Punktwolke als auch zum Generieren künstlicher skalarer Daten genutzt werden, wenn solche nicht zur Verfügung stehen. Abschließend wird eine Pilotstudie durchgeführt, um die Benutzerfreundlichkeit und die Zufriedenheit der Nutzer mit dem System zu bewerten.