ElectroCutscenes: Realistic Haptic Feedback in Cutscenes of Virtual Reality Games Using Electric Muscle Stimulation

Cutscenes in Virtual Reality (VR) games enhance story telling by delivering output in the form of visual, auditory, or haptic feedback (e.g., using vibrating handheld controllers). Since they lack interaction in the form of user input, cutscenes would significantly benefit from improved feedback. We introduce the concept and implementation of ElectroCutscenes, a concept in which Electric Muscle Stimulation (EMS) is leveraged to elicit physical user movements to correspond to those of personal avatars in cutscenes of VR games while the user stays passive. Through a user study (N=22) in which users passively received kinesthetic feedback resulting in involuntarily movements, we show that ElectroCutscenes significantly increases perceived presence and realism compared to controller-based vibrotactile and no haptic feedback. Furthermore, we found preliminary evidence that combining visual and EMS feedback can evoke movements that are not actuated by either of them alone. We discuss how to enhance realism and presence of cutscenes in VR games even when EMS can partially rather than completely actuate the desired body movements

Avatar Type Affects Performance of Cognitive Tasks in Virtual Reality

Current consumer virtual reality applications typically represent the user by an avatar comprising a simple head/torso and decoupled hands. In the prior work of Steed et al. it was shown that the presence or absence of an avatar could have a significant impact on the cognitive load of the user. We extend that work in two ways. First they only used a full-body avatar with articulated arms, so we add a condition with hands-only representation similar to the majority of current consumer applications. Second we provide a real-world benchmark so as to start to get at the impact of using any immersive system. We validate the prior results: real and full body avatar performance on a memory task is significantly better than no avatar. However the hands only condition is not significantly different than either these two extremes. We discuss why this might be, in particular we discuss the potential for a individual variation in response to the embodiment level

Immersive Insights: A Hybrid Analytics System for Collaborative Exploratory Data Analysis

In the past few years, augmented reality (AR) and virtual reality (VR) technologies have experienced terrific improvements in both accessibility and hardware capabilities, encouraging the application of these devices across various domains. While researchers have demonstrated the possible advantages of AR and VR for certain data science tasks, it is still unclear how these technologies would perform in the context of exploratory data analysis (EDA) at large. In particular, we believe it is important to better understand which level of immersion EDA would concretely benefit from, and to quantify the contribution of AR and VR with respect to standard analysis workflows. In this work, we leverage a Dataspace reconfigurable hybrid reality environment to study how data scientists might perform EDA in a co-located, collaborative context. Specifically, we propose the design and implementation of Immersive Insights, a hybrid analytics system combining high-resolution displays, table projections, and augmented reality (AR) visualizations of the data. We conducted a two-part user study with twelve data scientists, in which we evaluated how different levels of data immersion affect the EDA process and compared the performance of Immersive Insights with a state-of-the-art, non-immersive data analysis system.Comment: VRST 201

Sensitivity to Rate of Change in Gains Applied by Redirected Walking

Redirected walking allows for natural locomotion in virtual environments that are larger than a user’s physical environment. The mapping between real and virtual motion is modified by scaling some aspect of motion. As a user traverses the virtual environment these modifications (or gains) must be dynamically adjusted to prevent collision with physical obstacles. A significant body of work has established perceptual thresholds on rates of absolute gain, but the effect of changing gain is little understood. We present the results of a user study on the effects of rate of gain change. A psychophysical experiment was conducted with 21 participants. Each participant completed a series of two-alternative forced choice tasks in which they determined whether their virtual motion differed from their physical motion while experiencing one of three different methods of gain change: sudden gain change, slow gain change and constant gain. Gain thresholds were determined by 3 interleaved 2-up 1-down staircases, one per condition. Our results indicate that slow gain change is significantly harder to detect than sudden gain change

Virtual reality interfaces for seamless interaction with the physical reality

In recent years head-mounted displays (HMDs) for virtual reality (VR) have made the transition from research to consumer product, and are increasingly used for productive purposes such as 3D modeling in the automotive industry and teleconferencing. VR allows users to create and experience real-world like models of products; and enables users to have an immersive social interaction with distant colleagues. These solutions are a promising alternative to physical prototypes and meetings, as they require less investment in time and material. VR uses our visual dominance to deliver these experiences, making users believe that they are in another reality. However, while their mind is present in VR their body is in the physical reality. From the user’s perspective, this brings considerable uncertainty to the interaction. Currently, they are forced to take off their HMD in order to, for example, see who is observing them and to understand whether their physical integrity is at risk. This disrupts their interaction in VR, leading to a loss of presence – a main quality measure for the success of VR experiences. In this thesis, I address this uncertainty by developing interfaces that enable users to stay in VR while supporting their awareness of the physical reality. They maintain this awareness without having to take off the headset – which I refer to as seamless interaction with the physical reality. The overarching research vision that guides this thesis is, therefore, to reduce this disconnect between the virtual and physical reality. My research is motivated by a preliminary exploration of user uncertainty towards using VR in co-located, public places. This exploration revealed three main foci: (a) security and privacy, (b) communication with physical collaborators, and (c) managing presence in both the physical and virtual reality. Each theme represents a section in my dissertation, in which I identify central challenges and give directions towards overcoming them as have emerged from the work presented here. First, I investigate security and privacy in co-located situations by revealing to what extent bystanders are able to observe general tasks. In this context, I explicitly investigate the security considerations of authentication mechanisms. I review how existing authentication mechanisms can be transferred to VR and present novel approaches that are more usable and secure than existing solutions from prior work. Second, to support communication between VR users and physical collaborators, I add to the field design implications for VR interactions that enable observers to choose opportune moments to interrupt HMD users. Moreover, I contribute methods for displaying interruptions in VR and discuss their effect on presence and performance. I also found that different virtual presentations of co-located collaborators have an effect on social presence, performance and trust. Third, I close my thesis by investigating methods to manage presence in both the physical and virtual realities. I propose systems and interfaces for transitioning between them that empower users to decide how much they want to be aware of the other reality. Finally, I discuss the opportunity to systematically allocate senses to these two realities: the visual one for VR and the auditory and haptic one for the physical reality. Moreover, I provide specific design guidelines on how to use these findings to alert VR users about physical borders and obstacles.In den letzten Jahren haben Head-Mounted-Displays (HMDs) für virtuelle Realität (VR) den Übergang von der Forschung zum Konsumprodukt vollzogen und werden zunehmend für produktive Zwecke, wie 3D-Modellierung in der Automobilindustrie oder Telekonferenzen, eingesetzt. VR ermöglicht es den Benutzern, schnell und kostengünstig, Prototypen zu erstellen und erlaubt eine immersive soziale Interaktion mit entfernten Kollegen. VR nutzt unsere visuelle Dominanz, um diese Erfahrungen zu vermitteln und gibt Benutzern das Gefühl sich in einer anderen Realität zu befinden. Während der Nutzer jedoch in der virtuellen Realität mental präsent ist, befindet sich der Körper weiterhin in der physischen Realität. Aus der Perspektive des Benutzers bringt dies erhebliche Unsicherheit in die Nutzung von HMDs. Aktuell sind Nutzer gezwungen, ihr HMD abzunehmen, um zu sehen, wer sie beobachtet und zu verstehen, ob ihr körperliches Wohlbefinden gefährdet ist. Dadurch wird ihre Interaktion in der VR gestört, was zu einem Verlust der Präsenz führt - ein Hauptqualitätsmaß für den Erfolg von VR-Erfahrungen. In dieser Arbeit befasse ich mich mit dieser Unsicherheit, indem ich Schnittstellen entwickle, die es den Nutzern ermöglichen, in VR zu bleiben und gleichzeitig unterstützen sie die Wahrnehmung für die physische Realität. Sie behalten diese Wahrnehmung für die physische Realität bei, ohne das Headset abnehmen zu müssen - was ich als nahtlose Interaktion mit der physischen Realität bezeichne. Daher ist eine übergeordenete Vision von meiner Forschung diese Trennung von virtueller und physicher Realität zu reduzieren. Meine Forschung basiert auf einer einleitenden Untersuchung, die sich mit der Unsicherheit der Nutzer gegenüber der Verwendung von VR an öffentlichen, geteilten Orten befasst. Im Kontext meiner Arbeit werden Räume oder Flächen, die mit anderen ortsgleichen Menschen geteilt werden, als geteilte Orte bezeichnet. Diese Untersuchung ergab drei Hauptschwerpunkte: (1) Sicherheit und Privatsphäre, (2) Kommunikation mit physischen Kollaborateuren, und (3) Umgang mit der Präsenz, sowohl in der physischen als auch in der virtuellen Realität. Jedes Thema stellt einen Fokus in meiner Dissertation dar, in dem ich zentrale Herausforderungen identifiziere und Lösungsansätze vorstelle. Erstens, untersuche ich Sicherheit und Privatsphäre an öffentlichen, geteilten Orten, indem ich aufdecke, inwieweit Umstehende in der Lage sind, allgemeine Aufgaben zu beobachten. In diesem Zusammenhang untersuche ich explizit die Gestaltung von Authentifizierungsmechanismen. Ich untersuche, wie bestehende Authentifizierungsmechanismen auf VR übertragen werden können, und stelle neue Ansätze vor, die nutzbar und sicher sind. Zweitens, um die Kommunikation zwischen HMD-Nutzern und Umstehenden zu unterstützen, erweitere ich das Forschungsfeld um VR-Interaktionen, die es Beobachtern ermöglichen, günstige Momente für die Unterbrechung von HMD-Nutzern zu wählen. Darüber hinaus steuere ich Methoden zur Darstellung von Unterbrechungen in VR bei und diskutiere ihre Auswirkungen auf Präsenz und Leistung von Nutzern. Meine Arbeit brachte auch hervor, dass verschiedene virtuelle Präsentationen von ortsgleichen Kollaborateuren einen Effekt auf die soziale Präsenz, Leistung und Vertrauen haben. Drittens, schließe ich meine Dissertation mit der Untersuchung von Methoden zur Verwaltung der Präsenz, sowohl in der physischen als auch in der virtuellen Realität ab. Ich schlage Systeme und Schnittstellen für den Übergang zwischen den Realitäten vor, die die Benutzer in die Lage versetzen zu entscheiden, inwieweit sie sich der anderen Realität bewusst sein wollen. Schließlich diskutiere ich die Möglichkeit, diesen beiden Realitäten systematisch Sinne zuzuordnen: die visuelle für VR und die auditive und haptische für die physische Realität. Darüber hinaus stelle ich spezifische Design-Richtlinien zur Verfügung, wie diese Erkenntnisse genutzt werden können, um VR-Anwender auf physische Grenzen und Hindernisse aufmerksam zu machen

Virtual reality interfaces for seamless interaction with the physical reality

In recent years head-mounted displays (HMDs) for virtual reality (VR) have made the transition from research to consumer product, and are increasingly used for productive purposes such as 3D modeling in the automotive industry and teleconferencing. VR allows users to create and experience real-world like models of products; and enables users to have an immersive social interaction with distant colleagues. These solutions are a promising alternative to physical prototypes and meetings, as they require less investment in time and material. VR uses our visual dominance to deliver these experiences, making users believe that they are in another reality. However, while their mind is present in VR their body is in the physical reality. From the user’s perspective, this brings considerable uncertainty to the interaction. Currently, they are forced to take off their HMD in order to, for example, see who is observing them and to understand whether their physical integrity is at risk. This disrupts their interaction in VR, leading to a loss of presence – a main quality measure for the success of VR experiences. In this thesis, I address this uncertainty by developing interfaces that enable users to stay in VR while supporting their awareness of the physical reality. They maintain this awareness without having to take off the headset – which I refer to as seamless interaction with the physical reality. The overarching research vision that guides this thesis is, therefore, to reduce this disconnect between the virtual and physical reality. My research is motivated by a preliminary exploration of user uncertainty towards using VR in co-located, public places. This exploration revealed three main foci: (a) security and privacy, (b) communication with physical collaborators, and (c) managing presence in both the physical and virtual reality. Each theme represents a section in my dissertation, in which I identify central challenges and give directions towards overcoming them as have emerged from the work presented here. First, I investigate security and privacy in co-located situations by revealing to what extent bystanders are able to observe general tasks. In this context, I explicitly investigate the security considerations of authentication mechanisms. I review how existing authentication mechanisms can be transferred to VR and present novel approaches that are more usable and secure than existing solutions from prior work. Second, to support communication between VR users and physical collaborators, I add to the field design implications for VR interactions that enable observers to choose opportune moments to interrupt HMD users. Moreover, I contribute methods for displaying interruptions in VR and discuss their effect on presence and performance. I also found that different virtual presentations of co-located collaborators have an effect on social presence, performance and trust. Third, I close my thesis by investigating methods to manage presence in both the physical and virtual realities. I propose systems and interfaces for transitioning between them that empower users to decide how much they want to be aware of the other reality. Finally, I discuss the opportunity to systematically allocate senses to these two realities: the visual one for VR and the auditory and haptic one for the physical reality. Moreover, I provide specific design guidelines on how to use these findings to alert VR users about physical borders and obstacles.In den letzten Jahren haben Head-Mounted-Displays (HMDs) für virtuelle Realität (VR) den Übergang von der Forschung zum Konsumprodukt vollzogen und werden zunehmend für produktive Zwecke, wie 3D-Modellierung in der Automobilindustrie oder Telekonferenzen, eingesetzt. VR ermöglicht es den Benutzern, schnell und kostengünstig, Prototypen zu erstellen und erlaubt eine immersive soziale Interaktion mit entfernten Kollegen. VR nutzt unsere visuelle Dominanz, um diese Erfahrungen zu vermitteln und gibt Benutzern das Gefühl sich in einer anderen Realität zu befinden. Während der Nutzer jedoch in der virtuellen Realität mental präsent ist, befindet sich der Körper weiterhin in der physischen Realität. Aus der Perspektive des Benutzers bringt dies erhebliche Unsicherheit in die Nutzung von HMDs. Aktuell sind Nutzer gezwungen, ihr HMD abzunehmen, um zu sehen, wer sie beobachtet und zu verstehen, ob ihr körperliches Wohlbefinden gefährdet ist. Dadurch wird ihre Interaktion in der VR gestört, was zu einem Verlust der Präsenz führt - ein Hauptqualitätsmaß für den Erfolg von VR-Erfahrungen. In dieser Arbeit befasse ich mich mit dieser Unsicherheit, indem ich Schnittstellen entwickle, die es den Nutzern ermöglichen, in VR zu bleiben und gleichzeitig unterstützen sie die Wahrnehmung für die physische Realität. Sie behalten diese Wahrnehmung für die physische Realität bei, ohne das Headset abnehmen zu müssen - was ich als nahtlose Interaktion mit der physischen Realität bezeichne. Daher ist eine übergeordenete Vision von meiner Forschung diese Trennung von virtueller und physicher Realität zu reduzieren. Meine Forschung basiert auf einer einleitenden Untersuchung, die sich mit der Unsicherheit der Nutzer gegenüber der Verwendung von VR an öffentlichen, geteilten Orten befasst. Im Kontext meiner Arbeit werden Räume oder Flächen, die mit anderen ortsgleichen Menschen geteilt werden, als geteilte Orte bezeichnet. Diese Untersuchung ergab drei Hauptschwerpunkte: (1) Sicherheit und Privatsphäre, (2) Kommunikation mit physischen Kollaborateuren, und (3) Umgang mit der Präsenz, sowohl in der physischen als auch in der virtuellen Realität. Jedes Thema stellt einen Fokus in meiner Dissertation dar, in dem ich zentrale Herausforderungen identifiziere und Lösungsansätze vorstelle. Erstens, untersuche ich Sicherheit und Privatsphäre an öffentlichen, geteilten Orten, indem ich aufdecke, inwieweit Umstehende in der Lage sind, allgemeine Aufgaben zu beobachten. In diesem Zusammenhang untersuche ich explizit die Gestaltung von Authentifizierungsmechanismen. Ich untersuche, wie bestehende Authentifizierungsmechanismen auf VR übertragen werden können, und stelle neue Ansätze vor, die nutzbar und sicher sind. Zweitens, um die Kommunikation zwischen HMD-Nutzern und Umstehenden zu unterstützen, erweitere ich das Forschungsfeld um VR-Interaktionen, die es Beobachtern ermöglichen, günstige Momente für die Unterbrechung von HMD-Nutzern zu wählen. Darüber hinaus steuere ich Methoden zur Darstellung von Unterbrechungen in VR bei und diskutiere ihre Auswirkungen auf Präsenz und Leistung von Nutzern. Meine Arbeit brachte auch hervor, dass verschiedene virtuelle Präsentationen von ortsgleichen Kollaborateuren einen Effekt auf die soziale Präsenz, Leistung und Vertrauen haben. Drittens, schließe ich meine Dissertation mit der Untersuchung von Methoden zur Verwaltung der Präsenz, sowohl in der physischen als auch in der virtuellen Realität ab. Ich schlage Systeme und Schnittstellen für den Übergang zwischen den Realitäten vor, die die Benutzer in die Lage versetzen zu entscheiden, inwieweit sie sich der anderen Realität bewusst sein wollen. Schließlich diskutiere ich die Möglichkeit, diesen beiden Realitäten systematisch Sinne zuzuordnen: die visuelle für VR und die auditive und haptische für die physische Realität. Darüber hinaus stelle ich spezifische Design-Richtlinien zur Verfügung, wie diese Erkenntnisse genutzt werden können, um VR-Anwender auf physische Grenzen und Hindernisse aufmerksam zu machen

A Closer Look into Recent Video-based Learning Research: A Comprehensive Review of Video Characteristics, Tools, Technologies, and Learning Effectiveness

People increasingly use videos on the Web as a source for learning. To support this way of learning, researchers and developers are continuously developing tools, proposing guidelines, analyzing data, and conducting experiments. However, it is still not clear what characteristics a video should have to be an effective learning medium. In this paper, we present a comprehensive review of 257 articles on video-based learning for the period from 2016 to 2021. One of the aims of the review is to identify the video characteristics that have been explored by previous work. Based on our analysis, we suggest a taxonomy which organizes the video characteristics and contextual aspects into eight categories: (1) audio features, (2) visual features, (3) textual features, (4) instructor behavior, (5) learners activities, (6) interactive features (quizzes, etc.), (7) production style, and (8) instructional design. Also, we identify four representative research directions: (1) proposals of tools to support video-based learning, (2) studies with controlled experiments, (3) data analysis studies, and (4) proposals of design guidelines for learning videos. We find that the most explored characteristics are textual features followed by visual features, learner activities, and interactive features. Text of transcripts, video frames, and images (figures and illustrations) are most frequently used by tools that support learning through videos. The learner activity is heavily explored through log files in data analysis studies, and interactive features have been frequently scrutinized in controlled experiments. We complement our review by contrasting research findings that investigate the impact of video characteristics on the learning effectiveness, report on tasks and technologies used to develop tools that support learning, and summarize trends of design guidelines to produce learning video

SurfaceCast: Ubiquitous, Cross-Device Surface Sharing

Real-time online interaction is the norm today. Tabletops and other dedicated interactive surface devices with direct input and tangible interaction can enhance remote collaboration, and open up new interaction scenarios based on mixed physical/virtual components. However, they are only available to a small subset of users, as they usually require identical bespoke hardware for every participant, are complex to setup, and need custom scenario-specific applications. We present SurfaceCast, a software toolkit designed to merge multiple distributed, heterogeneous end-user devices into a single, shared mixed-reality surface. Supported devices include regular desktop and laptop computers, tablets, and mixed-reality headsets, as well as projector-camera setups and dedicated interactive tabletop systems. This device-agnostic approach provides a fundamental building block for exploration of a far wider range of usage scenarios than previously feasible, including future clients using our provided API. In this paper, we discuss the software architecture of SurfaceCast, present a formative user study and a quantitative performance analysis of our framework, and introduce five example application scenarios which we enhance through the multi-user and multi-device features of the framework. Our results show that the hardware- and content-agnostic architecture of SurfaceCast can run on a wide variety of devices with sufficient performance and fidelity for real-time interaction

Forecasting the Onset of Cybersickness using Physiological Data

指導教員：Machael Vallanc