Immersion of walking in a virtual environment:Comparative research for physical locomotion techniques

Abstract

Virtual reality (VR) has increased its popularity due to improvements in VR technology and ex-tensive research over 25 years conducted using such technology. Physical locomotion devices have been shown to improve subjective user experience of presence defined as sense of “be-ing there” in the virtual environment (VE) compared to artificial locomotion techniques. This the-sis explores how these physical locomotion techniques used for walking interaction affect im-mersion and presence experienced in a VE. This study examines levels of immersion using three locomotion techniques which are omnidirectional treadmill, omnidirectional slide mill and natural walking. Immersion is examined from both objective and perceptual perspectives, creat-ing a less common multidisciplinary study combining differing perspectives from past re-search. This study used a custom-made virtual environment developed during this study using Unity and C# programming language. This environment was designed to represent a realistic Nordic Forest with crossing paths and a set of landmarks with combination of visual, audio and olfac-tory stimulus. The sample size collected for this thesis was 53 participants in total. The results were received using Kruskal-Wallis non-parametric statistical test combined with post-hoc Dunn’s test for pairwise multiple comparisons between the groups. The results of this study reveal that slide mill as a locomotion technique produces a signifi-cantly lower score for presence and perceptual immersion. This finding indicates that natural walk as a locomotion technique produces the highest results for these subjective user experi-ences which is in line with past research. On the other hand, this study did not find any statisti-cally significant differences on average presence questionnaire results between the groups of natural walk and omnidirectional treadmill. At the same time the omnidirectional treadmill result-ed in a higher score for experienced realism subscale despite using older HMD with less per-formant PC compared to the other two conditions. This discovery indicates that despite this the treadmill managed to produce sufficient user experience comparable to natural walking. These results shine light towards the direction that locomotion techniques influence subjective user-experiences with omnidirectional treadmill being the most immersive after natural walking.

Virtuaalinen todellisuus on kasvattanut suosiotaan teknologisen kehityksen sekä yli 25 vuoden takaisen kattavan tutkimuksen seurauksena. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet fyysistä lii-kettä hyödyntävien liikkumistapojen parantavan käyttäjien kokemaa läsnäoloa ja uppoutumisen tasoa virtuaalisissa ympäristöissä. Tämä diplomityö tutkii, miten erilaiset kävelytekniikat vaikut-tavat koettuun uppoutumisen (perceptual immersion) ja läsnäolon tunteeseen (presence) virtuaa-lisessa ympäristössä liikuttaessa. Tutkimuksessa on käytössä kolme liikkumistapaa, jotka ovat aktiivinen sekä passiivinen kävelymatto ja luonnollinen kävely. Tässä tutkimuksessa uppoutu-mista (immersion) tutkitaan sekä objektiivisesta teknologian näkökulmasta (system-level immer-sion), että subjektiivisesta käyttäjän kokemuksen (perceptual immersion) näkökulmasta. Tutki-muksen teoreettinen viitekehys tutkii immersion tasoa kahdesta näkökulmasta liittäen ne toisiin-sa ja yhdistäen aiempien tutkimusten tuloksia. Tässä tutkimuksessa käytettiin räätälöityä virtuaalista ympäristöä, jonka kehittäminen tapah-tui tämän diplomityön rinnalla. Ympäristö rakennettiin Unityllä ja C# ohjelmointikielellä ja sen on tarkoitus esittää realistista pohjoismaista metsää. Tässä ympäristössä hyödynnetään visuaali-sia, audio sekä hajuärsykkeitä osana muistin ja tilan hahmottamiseen keskittyvää tutkimusta. Tähän työhön kerätty otoskoko on 53 henkilöä, joilta kerätyt tulokset analysoitiin Kruskal-Wallis merkitsevyystestillä sekä Dunnin post-hoc testillä. Saadut tulokset paljastavat, että passiivinen kävelymatto (slide mill) tuottaa keskimäärin merkittävästi heikomman läsnäolon ja uppoutumisen tunteen verrattuna luonnolliseen kävelyyn. Luonnollinen kävely tuottaa keskimäärin parhaan tuloksen, mikä on linjassa aiempien tutkimus-ten kanssa. Merkittäviä eroja luonnollisen kävelyn ja aktiivisen kävelymaton (treadmill) välillä ei tunnistettu, mikä voi kertoa aktiivisen kävelymaton olevan paras tekniikka, mikäli virtuaalisissa ympäristöissä halutaan liikkua pidempiä matkoja. Samaan aikaan aktiivinen kävelymatto tuotti korkeamman tuloksen, vaikka se hyödynsi heikompia virtuaalitodellisuuslaseja kuin kaksi muuta liikkumistapaa. Tämä puolestaan voi kertoa siitä, että kävelytekniikka saattaa vaikuttaa käyttä-jäkokemukseen enemmän kuin tässä tutkimuksessa hyödynnettyjen virtuaalilasien kuvanlaatu. Nämä tulokset osoittavat, että liikkumistavat vaikuttavat subjektiivisiin käyttäjäkokemuksiin.