Immersive Virtual Reality Games for Societal Impact: Physical Activity, Active Aging, and Social Interaction

Abstract

Many of today’s challenges are tightly connected to a rapid digitalization, which is accelerating societal developments significantly. However, while technological advancements may bear the risk of amplifying societal challenges, they can also help to solve these challenges. With the goal of tackling societal challenges, this dissertation targets the United Nations’ third sustainable development goal of “good health and well-being - ensure healthy lives and promote well-being for all at all ages”. To this end, this dissertation takes a Human-Computer Interaction (HCI) perspective and focuses on designing, developing, and evaluating technology-based solutions, specifically immersive virtual reality (VR) games, to help address three societal challenges of today’s world: (i) physical activity, (ii) active aging, and (iii) social interaction.

In the last decades, VR-head-mounted displays (HMDs) have experienced rapid improvements in performance, accessibility, and affordability. Especially, games have become a major application area of this technology since its immersive nature is an ideal fit for delivering engaging and playful experiences. Immersive VR games do not only entertain users but also have enormous potential for addressing pressing societal challenges due to their immersive, spatial, and motivating characteristics. However, our understanding of how to design and develop these games for such purposes is still limited. Accordingly, this dissertation presents research contributions on how immersive VR games can help address the three outlined societal challenges.

Overall, in this dissertation, we examine the spectrum of immersive VR games, from single-user experiences to multi-user environments, and address diverse target groups, including younger and older adults, as well as older adults with different degrees of dementia. As a first societal challenge, we focus on how immersive VR games can support physical activity. We provide an up-to-date overview, envision new training opportunities, and offer empirical insights into the benefits of using real-time continuous cues and various game elements. Following this, we show how VR games can support active aging by designing age-appropriate cognitive and physical exercises, considering requirements of older adults with dementia, evaluating the impact of augmented interactions, and analyzing advantages and disadvantages of different exergaming technologies. Lastly, we showcase how immersive VR games can support social interaction. We demonstrate their potential for creating social gaming environments, provide a theoretical understanding and uncover research gaps of asymmetric multiplayer immersive VR games, use asymmetric game design and resulting interdependences to bridge the gap between players of different mediums, and explore how existing social ties influence the experience of asymmetric multiplayer immersive VR games. The dissertation concludes with a discussion of the main contributions, the key lessons learned, and the future research directions. Our work establishes a foundation for future research in the field of HCI and promotes the use of immersive VR games to foster a positive societal impact for individuals of all ages and conditions.

Viele der heutigen Herausforderungen sind eng mit einer rasanten Digitalisierung verbunden, die gesellschaftliche Entwicklungen erheblich beschleunigt. Technologische Fortschritte bergen zwar das Risiko, gesellschaftliche Herausforderungen zu verstärken, können aber auch zu deren Lösungen beitragen. Mit dem Ziel, gesellschaftliche Herausforderungen anzugehen, adressiert diese Dissertation das dritte Ziel für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen: “Gute Gesundheit und Wohlbefinden – ein gesundes Leben gewährleisten und das Wohlbefinden für alle in jedem Alter fördern”. Diese Dissertation adoptiert eine HCI-Perspektive und konzentriert sich auf die Gestaltung, Entwicklung und Evaluierung technologiebasierter Lösungen, insbesondere immersiver VR-Spiele, um drei gesellschaftliche Herausforderungen der heutigen Welt anzugehen: (i) körperliche Aktivität, (ii) aktives Altern und (iii) soziale Interaktion.

In den letzten Jahrzehnten haben sich VR-HMDs rasant in Bezug auf Leistung, Zugänglichkeit und Erschwinglichkeit entwickelt. Insbesondere Spiele sind zu einem wichtigen Anwendungsbereich dieser Technologie geworden, da ihre immersive Natur ideal ist, um fesselnde und spielerische Erfahrungen zu vermitteln. Immersive VR-Spiele dienen jedoch nicht nur der Unterhaltung der Nutzer, sondern besitzen aufgrund ihrer immersiven, räumlichen und motivierenden Eigenschaften auch ein enormes Potenzial, um drängende gesellschaftliche Herausforderungen anzugehen. Dennoch ist unser Verständnis dafür, wie diese Spiele für solche Zwecke gestaltet und entwickelt werden können, sehr begrenzt. Diese Dissertation präsentiert Forschungsbeiträge, die zeigen, wie immersive VR-Spiele dazu beitragen können, die drei skizzierten gesellschaftlichen Herausforderungen anzugehen.

Insgesamt untersuchen wir in dieser Dissertation das Spektrum immersiver VR-Spiele, von Einzelspieler-Erfahrungen bis hin zu Mehrbenutzerumgebungen, und sprechen verschiedene Zielgruppen an, darunter jüngere und ältere Erwachsene sowie ältere Erwachsene mit unterschiedlichen Demenzgraden. Zunächst konzentrieren wir uns darauf, wie immersive VR-Spiele körperliche Aktivität unterstützen können. Wir geben einen aktuellen Überblick, stellen neue Trainingsmöglichkeiten vor und bieten empirische Einblicke in die Vorteile von kontinuierlichem Feedback in Echtzeit und anderen Spielelementen. Anschließend zeigen wir, wie immersive VR-Spiele das aktive Altern unterstützen können, indem wir altersgerechte kognitive und körperliche Übungen entwickeln, die Anforderungen älterer Menschen mit Demenz erforschen, die Auswirkungen augmentierter Interaktionen untersuchen und die Vor- und Nachteile verschiedener Exergaming-Technologien analysieren. Schließlich zeigen wir, wie immersive VR-Spiele die soziale Interaktion unterstützen können. Wir demonstrieren ihr Potenzial für soziale Spielumgebungen, vermitteln ein theoretisches Verständnis für und decken Forschungslücken bei asymmetrischen immersiven VR-Mehrspieler-Spielen auf, nutzen asymmetrisches Spieldesign und daraus resultierende Interdependenzen für das gemeinsame Spielen über verschiedene Medien, und untersuchen, wie bestehende soziale Bindungen die Erfahrung asymmetrischer immersiver VR-Mehrspieler-Spiele beeinflussen. Die Dissertation endet mit einer Diskussion der wichtigsten gewonnenen Erkenntnisse und der offenen Fragestellungen für zukünftige Forschung. Unsere Arbeit stellt eine Grundlage für zukünftige Forschung im Bereich der Mensch-Computer-Interaktion dar und zeigt das Potenzial des Einsatzes immersiver VR-Spiele, um eine positive gesellschaftliche Wirkung für Menschen jeden Alters und jeder Lebenslage zu erzielen.