Intelligent modeling of human movement behavior during virtual crowd interaction in Immersive virtual environments

Abstract

Στην καθημερινότητά μας αλληλεπιδράμε με άλλους ανθρώπους σε διάφορες περιπτώσεις, όπως όταν πηγαίνουμε στην εργασία, όταν περπατάμε ή συναντάμε φίλους, όταν διασχίζουμε το δρόμο κ.α. Με την χρήση σύγχρονων τεχνολογιών και μηχανών γραφικών (game engines) αυτές οι προαναφερθείς καθημερινές δραστηριότητες μπορούν να αναδημιουργηθούν σε εικονικό χώρο. Κύριος σκοπός αυτής της έρευνας είναι η δημιουργία πειραμάτων και η αποδόμηση της συμπεριφοράς του εμβυθισμένου χρήστη, προκειμένου να κατανοηθούν τα βασικά στοιχεία τα οποία επηρεάζουν την εμπειρία του/της, μέσα σε εικονικό πλήθος. Η πρώτη μελέτη (Study 1) της διατριβής διερευνά τρεις παραμέτρους: πυκνότητα, ταχύτητα και κατεύθυνση για να κατανοηθεί αν ένα εικονικό πλήθος το οποίο κινείται επηρεάζει την συμπεριφορά βάδισης του χρήστη. Στους συμμετέχοντες (που πήραν μέρος στο πείραμα) δόθηκε η οδηγία να διασχίσουν μια εικονική διάβαση σε μια εικονική μεγαλούπολη (metropolitan city) ενώ ήταν περιτριγυρισμένοι από εικονικό πλήθος το οποίο ήταν προγραμματισμένο να περπατήσει προς την ίδια κατεύθυνση. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης η πυκνότητα και η ταχύτητα του εικονικού πλήθους μπορούν να επηρεάσουν την ταχύτητα βάδισης των συμμετεχόντων. Επιπλέον, σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η αύξηση της ταχύτητας βάδισης του εικονικού πλήθους οδηγεί σε μια αύξηση της ταχύτητας των συμμετεχόντων. Η ταχύτητα τους (συμμετεχόντων) επίσης αυξήθηκε όταν εκτέθηκαν στην συνθήκη χαμηλής πυκνότητας (του πλήθους). Τέλος, οι συμμετέχοντες είχαν σημαντικά μεγαλύτερη ταχύτητα όταν εκτέθηκαν σε συνθήκες χαμηλής πυκνότητας και ευθείας πορείας και χαμηλής πυκνότητας, υψηλής ταχύτητας και ευθείας πορείας. Η δεύτερη μελέτη (Study 2) της διατριβής διερευνά τον συντονισμό της κίνησης των συμμετεχόντων, κατά τη διάρκεια αλληλεπίδρασης με εικονικό πλήθος, ένα συνηθισμένο τύπο αλληλεπίδρασης (συντονισμός κίνησης) στον οποίο συμμετέχουν καθημερινά οι άνθρωποί όταν περπατούν σε πραγματικά περιβάλλοντα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που πάρθηκαν από την παρούσα μελέτη, οι συμμετέχοντες παρουσίασαν μια σαφή απροθυμία στο να βαδίσουν με τον ίδιο τρόπο που βάδιζαν οι εικονικοί χαρακτήρες. Πιο συγκεκριμένα, βάδιζαν πιο αργά και επομένως χρειάστηκαν περισσότερο χρόνο για να ολοκληρώσουν τη δοκιμασία. Ακολούθησαν μεγαλύτερες τροχιές, έκαναν λιγότερο ομαλές κινήσεις (σε σχέση με τους χαρακτήρες), άφηναν μεγαλύτερη απόσταση από τους εικονικούς χαρακτήρες και γενικά εκτέλεσαν τις κινήσεις τους με διαφορετικό τρόπο. Παρόλα αυτά, μετά από μελέτη των αποτελεσμάτων και των σχέσεων μεταξύ των κινήσεων των συμμετεχόντων και των εικονικών χαρακτήρων, η ταχύτητα, ο χρόνος, η κατεύθυνση και η απόσταση από τους κοντινούς χαρακτήρες φάνηκε ότι ήταν αξιοσημείωτα συσχετισμένες. Η τρίτη μελέτη (Study 3) της διατριβής διερευνά τις επιδράσεις της απτικής ανατροφοδότησης στην κινησιολογική συμπεριφορά του χρήστη. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης, η πρόσθια απτική ανατροφοδότηση επηρέασε σημαντικά της ταχύτητα των συμμετεχόντων σε σχέση με την έλλειψη (no tactile feedback) και οπίσθια απτική ανατροφοδότηση. Η μπροστινή και η πλαϊνή απτική ανατροφοδότηση ελάττωσε την ταχύτητα των συμμετεχόντων όταν διέσχιζαν την εικονική διάβαση, επομένως χρειάστηκαν περισσότερο χρόνο για να ολοκληρώσουν τη δοκιμασία. Επίσης, προέκυψαν κάποια σημαντικά αποτελέσματα κατά τη διερεύνηση της τυχαίας απτικής ανατροφοδότησης.

In our daily life we interact with other people on a number of different occasions, like when going to work or shopping, walking or meeting with friends, crossing roads, etc. With the use of modern display technologies and game engines, such daily activities can be recreated in a virtual space providing people the ability to observe such behaviors and characteristics of human crowds in virtual environments. Overall the main purpose of such research is the creation of specific experiments and the decomposition of the behavior and possible responses of the immersed user, in order to understand the main elements that influence his/her experience, inside a virtual crowd. The first study (Study 1) of this thesis investigates three parameters density, speed and direction to understand if a user's movement behavior is affected by a moving virtual crowd. The participants (of this study) were instructed to cross a virtual crosswalk in a virtual metropolitan city, while surrounded by a virtual crowd that was pre-scripted to walk towards the opposite sidewalk. After consideration of the results of our study, it can be said that the density and speed parameters of the virtual crowd can be used to manipulate the walking speed of participants. Moreover, the results obtained in this experiment indicated specifically that an increase in the speed of the virtual crowd corresponds to an increase in the speeds of participants. The participant’s speed was also increased when he was exposed to a low-density virtual crowd. Study 2 investigates the movement coordination of participants, during immersive crowd interactions, a usual type of interaction that people encounter on a daily basis when walking in real environments. According to the results obtained from this study, participants reveal a clear disinclination to walk their path similar to the way the simulated characters did. More specifically, the participants tend to move slower, spending more time to accomplish the task. It is shown that they follow longer paths, they perform less-smooth motions, allowing more distance between themselves and the nearby virtual pedestrians. Moreover, participants perform their movements differently from the simulated characters. Nevertheless, after examining the relationships between the participants’ movement behaviors and those of the simulated characters, the speed, time, direction, and distance measurements from the nearby pedestrians were remarkably associated. Study 3 explored further how the tactile feedback affects the participants that were immersed in a virtual reality scenario and asked to walk while being surrounded by a moving virtual crowd. Significant results were found, related with the participants’ speed as they walked across the virtual crosswalk. Specifically, the generated tactile feedback at the front of the tactile vest seems to significantly affect the participants’ speed in contrast to the absence of tactile feedback and the condition where the tactile feedback was generated at the back of the side of the tactile vest.