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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-102334
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2020/10233/


Human Gait in Virtual Reality : Analyses & Changes of Gait during Locomotion in Immersive Virtual Environments

Menschlicher Gang in der virtuellen Realität : Analysen & Veränderungen des Gangs während der Fortbewegung in immersiven virtuellen Umgebungen

Janeh, Omar

pdf-Format:
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Freie Schlagwörter (Englisch): Virtual Reality , 3D User Interfaces , Rehabilitation , Gait , Parkinson’s Disease
Basisklassifikation: 54.73 , 54.08
Institut: Informatik
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Steinicke, Frank (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.01.2020
Erstellungsjahr: 2019
Publikationsdatum: 22.01.2020
Kurzfassung auf Englisch: Bipedal walking is generally considered to be the most natural and common locomotion technique for humans in the physical world, and the most presence-enhancing form of locomotion in virtual reality (VR). However, there are significant differences in the way people walk in VR compared to their walking behaviour in the real world.

Understanding real walking in virtual environments (VEs) is important for immersive experiences, allowing users to move through VEs in the most intuitive natural way. Previous studies have shown that basic implementations of real walking in virtual spaces, in which head-tracked movements are mapped isometrically to a VE, are not estimated as entirely natural. Instead, users estimate a virtual walking velocity as more natural when it is slightly increased compared to the user's physical locomotion. Indeed, these findings have been reported in most cases only for young persons, in particular, students, whereas older adults are clearly underrepresented in such studies. However, it appears reasonable to assume that more and more people at different ages will have access to VR, and might use this technology in application scenarios such as physiotherapy, rehabilitation or training. In this context, due to its high personal and economical impact, gait disturbances have become a
main focus of interest in Parkinson’s disease research. Therapeutic options of medication or deep brain surgery are limited, therefore physical training strategies have evolved to be a focus of interest to improve gait and freezing of gait.

This dissertation focuses on three aspects: (i) analyses and evaluation of the differences of gait parameters between a real and virtual environments, and furthermore investigation of how walking in VEs during (non-)isometric mappings varies across generations, i.e., healthy younger and older adults, with the goal to understand the perceptual and motor differences. (ii) Analyses of changes in velocity over time while walking within a VE and the real world with and without additional cognitive task. In particular, we performed a controlled user study to investigate locomotion adaptation over time due to prolonged exposure to these conditions. (iii) Study and treatment of gait asymmetry. In particular, we developed different virtual walking manipulation techniques to overcome the pathological spatial asymmetry of Parkinson’s disease patients with respect to step length.
Kurzfassung auf Deutsch: In der realen Welt wird das Laufen auf zwei Beinen als die natürlichste und verbreitetste Fortbewegung angesehen. In der virtuellen Realität (VR) gilt sie als die Fortbewegungsart, die das Gefühl von Presence am meisten verstärkt. Jedoch gibt es große Unterschiede zwischen der Art, wie Menschen in VR laufen, und ihrem Laufverhalten in der wirklichen Welt.

Für immersive VR-Experiences ist es wichtig, reales Laufen in virtuellen Umgebungen (Virtual Environments, VEs) zu verstehen, um den Nutzern eine möglichst natürliche Fortbewegung durch die VE zu ermöglichen. Vorherige Studien haben gezeigt, dass einfache Implementierungen von realem Laufen in virtuellen Räumen, bei denen mittels Kopf-Tracking gemessene Bewegungen isometrisch auf eine VE gemappt werden, sich nicht komplett natürlich anfühlen. Stattdessen schätzen Nutzer die virtuelle Laufgeschwindigkeit als natürlicher ein, wenn sie im Vergleich zu der physischen Fortbewegung des Nutzers leicht erhöht ist. Diese Beobachtungen wurden jedoch größtenteils nur bei jungen Menschen gemacht, insbesondere bei Studierenden, wohingegen ältere Erwachsene in solchen Studien deutlich unterrepräsentiert sind. Man kann jedoch annehmen, dass mehr und mehr Menschen unterschiedlichen Alters Zugang zu VR erhalten und diese Technologie auch im Rahmen von Anwendungsszenarien wie Physiotherapie, Rehabilitation und Training nutzen werden. In diesem Zusammenhang sind Gangstörungen aufgrund der enormen persönlichen und wirtschaftlichen Auswirkungen in den Fokus der Parkinson-Forschung gerückt. Die Möglichkeiten einer Therapie durch Medikamente oder tiefe Hirnchirurgie sind beschränkt, weshalb Strategien für körperliches Training, mit denen das Gangbild und das Einfrieren des Gangs verbessert werden sollen, zum Forschungsschwerpunkt geworden sind.

Diese Dissertation konzentriert sich auf drei Aspekte: (i) Analyse und Bewertung der Gangparameter, die sich zwischen realen und virtuellen Umgebungen unterscheiden, sowie die Frage, wie sich Laufen in VEs aufgrund (nicht-)isometrischer Mappings zwischen den Generationen - also jüngeren und älteren Erwachsenen - unterscheidet. Ziel ist hier, die perzeptuellen und motorischen Unterschiede zu verstehen. (ii) Analyse von allmählichen Veränderungen der Geschwindigkeit beim Laufen innerhalb einer VR und in der realen Welt mit und ohne kognitive Aufgabe. Insbesondere wurde eine kontrollierte Nutzerstudie durchgeführt, um allmähliche Anpassungen der Fortbewegung zu untersuchen, wenn die Nutzer diesen Bedingungen länger ausgesetzt sind. (iii) Untersuchung und Behandlung der Gangasymmetrie. Insbesondere wurden unterschiedliche Techniken entwickelt, den Gang virtuell zu manipulieren, um die pathologische räumliche Asymmetrie von Parkinson-Patienten in Bezug auf die Schrittlänge auszugleichen.

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