Manipulating an object in three dimensional (3D) space is widely required functionality in many computer based applications such as modeling tools and virtual simulators. The task of 3D objects manipulation consists of two steps which are first to set a reference frame and then to apply desired amount of rigid transformation with respect to the reference frame. While there are numerous ways to achieve the goal configuration of an object through manipulation, we address that there is a natural way to handle the object to get to the goal configuration in 3D space. This notion becomes important especially when we handle an object with a specific purpose in mind - for example, rotating a teapot to mimic the water-pouring action. In this paper, we propose an interaction method named as “Virtual Handle with Grabbing Metaphor (VHGM)” that helps a user to manipulate object intuitively by providing mapping protocol between 3D user input and reference frame of the virtual 3D object. We make a virtual handle with its own direction information which follows the palm direction of user’s hand holding input device. Based on the direction of handle, we map a position of the handle to a specific position on the surface of the object. This mapping process helps user to find desired transformation center in 3D space easily. The user can move the object with additional 3D input using the mapped handle as a reference frame. In this paper, we examine performance of the VHGM by comparing it with conventional interaction methods applied to generic 3D rotation, 3D docking and 3D motion mimicking tasks. From the user study, we confirmed that the VHGM achieved significantly better efficiency in performing an object manipulation task which is familiar to the people, while there was no statistically significant difference in generic rotation tasks. We expect that VHGM can be applied to many applications that simulate real tasks using hands in the virtual environment.
3차원 공간에서 객체를 조작하는 기능은 모델링, 시뮬레이션 등 다양한 컴퓨터 기반 응용프로그램에서 필요로 한다. 객체 조작은 물체의 변환 기준계를 결정하고 이를 기준으로 의도한 만큼의 변환을 수행하는 단계로 이루어진다. 객체를 움직여 목표한 위치나 포즈로 변환하는 방법은 다양하지만 본 논문에서는 3차원 공간상에서 보다 자연스럽게 객체를 조작하여 변환 결과를 얻어 낼 수 있는 방법에 대해 다루고자 한다. 이러한 개념은 특히 사용자가 특정한 목적을 가지고 객체를 조작하려 할 때 더욱 중요해진다 - 예를 들어, 주전자 모양의 객체를 움직여 물을 따르는 동작을 흉내 내는 것. 본 논문에서는 3차원 입력을 바탕으로 사용자의 의도를 파악하여 객체의 변환 중심을 매핑해주어 사용자가 변환 기준계를 결정하고 객체를 조작하는 작업을 직관적으로 수행 할 수 있도록 하는 기법인 Virtual Handle with Grabbing Metaphor(VHGM)를 제안한다. VHGM에서는 입력 장비를 쥐고 있는 사용자의 손바닥의 방향에 따라 방향성을 가지는 가상 핸들을 생성하고, 핸들의 방향성을 이용해 선택된 객체 표면의 특정 위치에 핸들을 매핑 시켜 준다. 이러한 매핑 기법을 통해 사용자는 보다 쉽게 3차원 공간 상에서 의도한 변환 중심을 찾을 수 있다. 매핑 된 핸들은 객체에 대한 변환의 기준계가 되며 사용자는 추가적인 3차원 입력을 통해 객체를 움직일 수 있다. 본 논문에서는 VHGM의 성능을 확인하기 위하여 기존의 객체 조작을 위한 인터랙션 기법들과 함께 실험을 구성하여 3차원 회전(3D Rotation), 3차원 도킹(3D Docking)과 3차원 동작 흉내(3D motion mimicking)의 작업에 대해 정량적, 정성적 성능을 확인하였다. VHGM은 일반적인 객체 조작 작업에서는 기존의 방법과 비슷하거나 통계학적 유의한 차이가 없는 성능을 보였지만, 사람에게 친숙한 일을 3차원 환경에서 수행하는 작업에서는 상대적으로 뛰어난 효율을 보여줌을 확인 할 수 있었다. 향후 VHGM은 실제 손을 이용하는 작업을 가상 공간상에서 수행하는 여러 어플리케이션에 적용 할 수 있을 것으로 기대된다.
