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Titel: Walking in Virtual Reality : Perceptually-inspired Interaction Techniques for Locomotion in Immersive Environments
Sonstige Titel: Laufen in Virtueller Realität : Wahrnehmungs-inspirierte Interaktionstechniken für die Fortbewegung in immersiven Umgebungen
Sprache: Englisch
Autor*in: Langbehn, Eike
Schlagwörter: Redirected Walking; Walking-in-Place
GND-Schlagwörter: Virtuelle Realität; Cyberspace; Fortbewegung; Wahrnehmung; Laufen; Interaktion
Erscheinungsdatum: 2019
Tag der mündlichen Prüfung: 2019-10-17
Zusammenfassung: 
Natural walking is often considered one of the most advantageous locomotion techniques for virtual reality (VR). In comparison to other techniques, it reduces VR sickness, provides enhanced spatial knowledge, supports wayfinding, and increases the user’s sense of presence. However, natural walking in VR is limited by the available tracking space in the real world, which is only up to a few square meters in common room-scale setups.
Locomotion techniques such as walking-in-place or redirected walking aim to combine the advantages of natural walking with the unconstrained exploration of large-scale virtual environments (VEs). These techniques leverage human movements and exploit perceptual limitations to support the sensation of infinite walking. Because of this, we consider this kind of locomotion techniques as perceptually-inspired in the scope of this work. For instance, it is possible to slightly rotate the user’s view in one direction while she walks on a straight path in the virtual world. Most likely, she will subconsciously compensate for the rotation by walking on a circular arc to the opposite direction in the real world. So far, a circle with a radius of 10m - 25m is necessary in the physical world for undetectable infinite straight walking in the virtual world. For most situations, this physical space is not available for tracking.
The main goal of this dissertation is to achieve natural unconstrained locomotion in VEs. This includes a detailed understanding of perceptual aspects of locomotion and the design of novel perceptually-inspired locomotion techniques. Contributions of this work are (i) a deeper knowledge about spatial perception and its effects on locomotion, (ii) a better understanding of perceptual detection thresholds for redirected walking, and (iii) evaluation of novel locomotion techniques, ranging from seated and standing to room-scale VR experiences.
For part (i), the effects of artificial visual blur particularly on distance and speed estimation
were evaluated, to understand how much of the perceptual discrepancies between real and virtual worlds might be explained by visual blur, and to find out if this can be leveraged for locomotion.
Other aspects, such as the effects of the type of environment, existence of visual body feedback, and presence of other avatars on dominant scale estimation were investigated.
For part (ii), perceptual detection thresholds for redirected walking in different situations were estimated that go beyond previous experiments. It was found that there only is a small difference in detection thresholds when redirection is performed with and without a visual self-representation.
The type of environment still has a larger impact on thresholds. In the next step, it was shown that sensitivity to bending of already curved paths is lower than for bending of straight paths. This result was extended in another experiment in which transcranial direct-current stimulation was applied to participants who were walking on curved paths. Additionally, it was shown that subtle repositioning and reorientation during eye blinks is a very effective method to further improve redirected walking on curved paths.
For part (iii), novel locomotion techniques that are based on findings of the previous parts
were built and evaluated regarding criteria such as usability, VR sickness, sense of presence, spatial knowledge, and effectiveness. A turning technique based on dynamic rotation gains, a novel approach to walking-in-place, a scale-based walking technique, and a redirected walking technique based on curved paths were introduced. Additionally, this redirected walking technique was compared to virtual travel techniques and support for multiple users was designed. Finally, the combination of several subtle redirection techniques and their integration with gameplay and narration of a VR experience was demonstrated.

Natürliches Gehen wird oft als die vorteilhafteste Fortbewegungstechnik für Virtual Reality (VR) betrachtet. Im Vergleich zu anderen Techniken reduziert es die VR Krankheit, stellt erweitertes räumliches Wissen bereit, unterstützt die Wegfindung und erhöht das Präsenzgefühl der Benutzer*in. Natürliches Gehen in VR ist jedoch limitiert durch den zur Verfügung stehenden Trackingbereich in der realen Welt, welcher in üblichen VR Setups für Zimmergröße nur bis zu einige Quadratmeter groß ist.
Fortbewegungstechniken wie Walking-in-Place oder Redirected Walking zielen darauf ab die Vorteile von Natürlichem Gehen mit unbeschränktem Erkunden von sehr großen virtuellen Umgebungen (VEs) zu kombinieren. Diese Techniken verwenden menschliche Bewegungen und nutzen Limitationen der menschlichen Wahrnehmung aus um den Eindruck von unendlichem Gehen zu vermitteln. Deswegen betrachten wir im Rahmen dieser Arbeit diese Art von Fortbewegungstechniken als wahrnehmungs-inspiriert. Zum Beispiel ist es möglich, das Sichtfeld der Benutzer*in leicht in eine Richtung zu drehen, während sie auf einem geraden Pfad in der virtuellen Welt läuft.
Daraufhin wird sie sehr wahrscheinlich unterbewusst die Rotation kompensieren, indem sie in der realen Welt auf einem kreisförmigen Bogen in die entgegengesetzte Richtung läuft. Bisher ist ein Kreis mit einem Radius von 10m - 25m in der physischen Welt erforderlich, damit die Benutzer*in in der virtuellen Welt unendlich geradeaus läuft und die Manipulation nicht bemerkt. In den meisten Situationen ist ein so großer physischer Raum nicht verfügbar. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, natürliche unbeschränkte Fortbewegung in virtuellen Umgebungen zu erreichen. Dies beinhaltet ein detailliertes Verständnis der Wahrnehmungsaspekte von Fortbewegung und das Design von neuartigen wahrnehmungs-inspirierten Fortbewegungstechniken. Beiträge dieser Arbeit sind (i) ein tieferes Verständnis von räumlicher Wahrnehmung und ihrer Effekte auf Fortbewegung, (ii) ein besseres Verständnis von Wahrnehmungsschwellen für Redirected Walking und (iii) die Evaluation von neuartigen Fortbewegungstechniken für VR Erfahrungen im Sitzen, Stehen und auf Zimmergröße.
Für Teil (i) wurden die Effekte von visuellem Weichzeichnen auf Distanz- und Geschwindigkeitseinschätzung evaluiert, um zu verstehen wieviel der Wahrnehmungsunterschiede zwischen realer und virtueller Welt durch visuelle Unschärfe erklärt werden können, und um heraus zu finden ob dies für Fortbewegung genutzt werden kann. Andere Aspekte, wie die Effekte des Umgebungstyps, der Existenz von visuellem Körperfeedback und der Präsenz von anderen Avataren auf die Einschätzung des dominanten Maßstabs, wurden ebenfalls untersucht.
Für Teil (ii) wurden Wahrnehmungsschwellen für Redirected Walking in verschiedenen Situationen ermittelt, die über frühere Experiment hinaus gehen. Es stellte sich heraus, dass es nur einen geringen Unterschied bei den Wahrnehmungsschwellen gibt in Abhängigkeit davon, ob eine visuelle Selbstrepräsentation vorhanden ist oder nicht. Der Umgebungstyp hat noch einen größeren Einfluss auf die Grenzwerte. Im nächsten Schritt wurde gezeigt, dass die Sensitivität für das Biegen von bereits gekrümmten Pfaden geringer ist als für das Biegen von geraden Pfaden. Dieses Ergebnis wurde in einem anderen Experiment erweitert, in welchem transkranielle Stimulation auf Versuchsteilnehmer*innen angewandt wurde, die auf gekrümmten Pfaden liefen. Zusätzlich wurde gezeigt, dass subtile Repositionierung und Reorientierung während des Blinzelns eine sehr effektive Methode ist um Redirected Walking auf gekrümmten Pfaden weiter zu verbessern.
Für Teil (iii) wurden neuartige Fortbewegungstechniken, die auf den Ergebnissen der vorhergehenden Teile basieren, entwickelt und bezüglich Kriterien wie Usability, VR Krankheit, Präsenzgefühl, räumliches Wissen und Effektivität evaluiert. Eine Drehtechnik, die auf dynamischen Rotationsverstärkungen basiert, ein neuartiger Ansatz für Walking-in-Place, eine skalierungs-basierte Fortbewegungstechnik und eine Redirected Walking Technik, die auf gekrümmten Pfaden basiert, wurden eingeführt. Zusätzlich wurde diese Redirected Walking Technik mit virtuellen Fortbewegungstechniken verglichen und Mehrbenutzer*innen-Unterstützung wurde entworfen.
Schließlich wurde eine Kombination von verschiedenen subtilen Redirection Techniken und deren Integration mit Gameplay und Narration einer VR Erfahrung demonstriert.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6074
URN: urn:nbn:de:gbv:18-101142
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Steinicke, Frank (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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