Exploration in Virtual Reality: Thematic Analysis of the Natural Walking Literature and Examination of Virtual Environment Design

Research output: ThesisDoctoral Thesis

14 Downloads (Pure)

Abstract

Designing locomotion is essential for many virtual reality (VR) applications. However, when the size of the virtual environment (VE) is substantially larger than the boundaries of the tracked space in the real world, it is challenging to incorporate walking in these VR applications, known as the ‘locomotion problem.’ Redirected walking (RDW) controllers are an algorithmic solution to this locomotion problem. They can support a sense of presence by allowing users to walk through expansive VEs while being guided away from obstacles in the real world. However, these RDW controllers have limitations, including possible negative impacts on user experience (e.g., feelings of simulator sickness and additional cognitive load) and high computational costs that may result in inefficient redirection.

Consequently, RDW research is often focused on the continued development of RDW controllers. Research may use simulation-based experiments to address issues with computational times and live-user experiments to assess user experience. Therefore, this thesis aims to provide cohesion for the two research methodologies of simulation-based and live-user experiments to develop RDW controllers. This is achieved by the thematic analysis of 140 VR natural walking academic papers examining task-based instructions, locomotion techniques and modalities to develop the ‘LoCoMoTe Framework’ and ‘LoCoMoTe Dashboard’ (Chapters 2 and 3). The framework and dashboard address our first main research question: “To what extent can we effectively use the two methodological approaches of simulations and live-user experiments to support one another and advance the field of redirected walking controllers?”. This supports researchers in identifying pre-existing live-user path datasets and the context in which they were generated. It also identifies research directions for liveuser studies for the continued development of RDW controllers and creates a feedback loop between both research methodologies.

The ‘LoCoMoTe Framework’ results then inform the direction of the later half of the thesis. The second half of the thesis is focused on two VR experiments that investigate the modulation of VE design and the use of interactive attractor cues to influence user walking direction in VR. Both experiments are without specific task-based instructions to encourage exploratory navigation and how this affects perceived user experience, including autonomy, cognitive load, simulator sickness and presence. The first experiment in Chapter 4 indicated that interactive attractor cues can guide walking direction along a figure-of-eight path without impacting perceived choice, workload or simulator sickness. However, the results showed a possible saturation point in which the attractor cue is no longer effective. Too few objects in a VE may reduce feelings of intrinsic motivation. Too many objects in a VE may decrease the effectiveness of attractors for guiding individuals along an implied path. The second experiment in Chapter 5 builds upon the first experiment’s results. Interactive attractors were again shown to influence the walking direction of users in VR, with a butterfly being more effective than a deer. While the placement of objects didn’t interfere with the attractor’s effectiveness, they can positively impact the user experience regarding interest and enjoyment. The experiments thus address the second main research question:
“To what extent can we effectively design virtual reality applications to influence walking direction suitable for redirected walking controllers and allow for modulation of other attributes, such as user experience?” The results highlight the importance of VE design and behavioral subgroups and the possible effects on RDW controllers. This thesis concludes with future research recommendations for simulations and live-user experiments in RDW controllers.

_


Het ontwerpen van voortbeweging is essentieel voor veel virtual reality-toepassingen. Echter, wanneer de omvang van de virtuele omgeving aanzienlijk groter is dan de grenzen van de getrackte ruimte in de echte wereld, is het een uitdaging om lopen op te incorporeren in deze virtual reality-toepassingen, ook wel het ’voortbewegingsprobleem’ genoemd. Omgeleide loopcontrollers zijn een algoritmische oplossing voor dit bewegingsprobleem. Ze kunnen een gevoel van aanwezigheid ondersteunen door gebruikers door uitgestrekte virtuele omgevingen te laten lopen terwijl ze worden weggeleid van obstakels in de echte wereld. Deze omgeleide loopcontrollers hebben echter beperkingen, waaronder mogelijke negatieve gevolgen voor de gebruikerservaring (bijvoorbeeld gevoelens van simulator-ziekte en additionele cognitieve belasting) en hoge berekeningskosten die kunnen resulteren in inefficiënte omleiding.

Als consequentie hiervan is het onderzoek naar omgeleide loopcontrollers vaak gericht op de voortdurende ontwikkeling van omgeleide loopcontrollers. Onderzoek kan gebruik maken van simulator-gebaseerde experimenten om problemen met rekentijden aan te pakken, en experimenten met fysieke gebruikersexperimenten om de gebruikerservaring te beoordelen. Daarom doelt dit proefschrift om samenhang te bieden tussen de twee onderzoeksmethodologie¨en van simulatiegebaseerde en fysieke gebruikersexperimenten om omgeleide loopcontrollers te ontwikkelen. Dit wordt bereikt door de thematische analyse van 140 VR wetenschappelijke artikelen over natuurlijk lopen, waarin taakgebaseerde instructies, voortbewegingstechnieken en modaliteiten worden onderzocht om het ‘LoCoMoTe Framework’ en ‘LoCoMoTe Dashboard’ te ontwikkelen (hoofdstukken 2 en 3). Het LoCoMoTe framework en het dashboard richten zich op onze eerste hoofdonderzoeksvraag: “In hoeverre kunnen we de twee methodologische benaderingen van simulaties en fysieke gebruikersexperimenten effectief gebruiken om elkaar te ondersteunen en het veld van omgeleide loopcontrollers vooruit te helpen?”. Dit ondersteunt onderzoekers bij het identificeren van reeds bestaande datasets voor live gebruikers paden en de context waarin deze zijn gegenereerd. Het identificeert ook onderzoeksrichtingen voor fysieke gebruikersstudies voor de voortdurende ontwikkeling van omgeleide loopcontrollers en creëert een feedback-lus tussen beide onderzoeksmethodologieën.

De resultaten van het ‘LoCoMoTe Framework’ beïnvloeden vervolgens de richting van de tweede helft van het proefschrift. De tweede helft van het proefschrift is gericht op twee virtual reality-experimenten die de modulatie van het ontwerp van een virtuele omgeving onderzoeken en het gebruik van interactieve attractiesignalen om de looprichting van de gebruiker in virtual reality te beïnvloeden. Beide experimenten bevatten geen specifieke taakgebaseerde instructies om verkennende navigatie aan te moedigen en te zien hoe dit de waargenomen gebruikerservaring beïnvloedt, inclusief autonomie, cognitieve belasting en simulator-ziekte. Het eerste experiment in Hoofdstuk 4 gaf aan dat interactieve aantrekker-signalen de looprichting langs een achtvormig pad kunnen sturen zonder de waargenomen keuze, werklast of simulator-ziekte te beïnvloeden. De resultaten lieten echter een mogelijk verzadigingspunt zien waarbij het aantrekkingssignaal niet langer effectief is. Te weinig objecten in een virtuele omgeving kunnen gevoelens van intrinsieke motivatie verminderen. Te veel objecten in een virtuele omgeving kunnen de effectiviteit van aantrekkers verminderen om individuen langs een impliciet pad te leiden. Het tweede experiment in Hoofdstuk 5 bouwt voort op de resultaten van het eerste experiment. Opnieuw werd aangetoond dat interactieve aantrekkers de looprichting van gebruikers in virtual
reality beïnvloeden, waarbij een vlinder effectiever is dan een hert. Hoewel de plaatsing van objecten de effectiviteit van de aantrekking niet hinderde, kunnen ze wel een positieve invloed hebben op de gebruikerservaring wat betreft interesse en plezier. De experimenten richten zich dus op de tweede hoofdonderzoeksvraag: “In hoeverre kunnen we effectief virtual reality-applicaties ontwerpen om de looprichting te beïnvloeden die geschikt is voor omgeleide loopcontrollers en om modulatie van andere attributen, zoals gebruikerservaring, mogelijk te maken?” De resultaten benadrukken het belang van het ontwerpen van virtuele omgevingen en gedragsubgroepen en de mogelijke effecten op omgeleide loopcontrollers. Dit proefschrift wordt afgesloten met toekomstige onderzoeksaanbevelingen voor simulaties en fysieke gebruikersexperimenten met omgeleide loopcontrollers.
Original languageEnglish
Award date13 Jan 2025
DOIs
Publication statusPublished - 13 Jan 2025

Fingerprint

Dive into the research topics of 'Exploration in Virtual Reality: Thematic Analysis of the Natural Walking Literature and Examination of Virtual Environment Design'. Together they form a unique fingerprint.

Cite this