Walking with virtual humans : understanding human response to virtual humanoids' appearance and behaviour while navigating in immersive VR

In this thesis, we present a set of studies whose results have allowed us to analyze how to improve the realism, navigation, and behaviour of the avatars in an immersive virtual reality environment. In our simulations, participants must perform a series of tasks and we have analyzed perceptual and behavioural data. The results of the studies have allowed us to deduce what improvements are needed to be incorporated to the original simulations, in order to enhance the perception of realism, the navigation technique, the rendering of the avatars, their behaviour or their animations. The most reliable technique for simulating avatars’ behaviour in a virtual reality environment should be based on the study of how humans behave within the environment. For this purpose, it is necessary to build virtual environments where participants can navigate safely and comfortably with a proper metaphor and, if the environment is populated with avatars, simulate their behaviour accurately. All these aspects together will make the participants behave in a way that is closer to how they would behave in the real world. Besides, the integration of these concepts could provide an ideal platform to develop different types of applications with and without collaborative virtual reality such as emergency simulations, teaching, architecture, or designing. In the first contribution of this thesis, we carried out an experiment to study human decision making during an evacuation. We were interested to evaluate to what extent the behaviour of a virtual crowd can affect individuals' decisions. From the second contribution, in which we studied the perception of realism with bots and humans performing just locomotion or varied animations, we can conclude that the combination of having human-like avatars with animation variety can increase the overall realism of a crowd simulation, trajectories and animation. The preliminary study presented in the third contribution of this thesis showed that realistic rendering of the environment and the avatars do not appear to increase the perception of realism in the participants, which is consistent with works presented previously. The preliminary results in our walk-in-place contribution showed a seamless and natural transition between walk-in-place and normal walk. Our system provided a velocity mapping function that closely resembles natural walk. We observed through a pilot study that the system successfully reduces motion sickness and enhances immersion. Finally, the results of the contribution related to locomotion in collaborative virtual reality showed that animation synchronism and footstep sound of the avatars representing the participants do not seem to have a strong impact in terms of presence and feeling of avatar control. However, in our experiment, incorporating natural animations and footstep sound resulted in smaller clearance values in VR than previous work in the literature. The main objective of this thesis was to improve different factors related to virtual reality experiences to make the participants feel more comfortable in the virtual environment. These factors include the behaviour and appearance of the virtual avatars and the navigation through the simulated space in the experience. By increasing the realism of the avatars and facilitating navigation, high scores in presence are achieved during the simulations. This provides an ideal framework for developing collaborative virtual reality applications or emergency simulations that require participants to feel as if they were in real life.En aquesta tesi, es presenta un conjunt d'estudis els resultats dels quals ens han permès analitzar com millorar el realisme, la navegació i el comportament dels avatars en un entorn de realitat virtual immersiu. En les nostres simulacions, els participants han de realitzar una sèrie de tasques i hem analitzat dades perceptives i de comportament mentre les feien. Els resultats dels estudis ens han permès deduir quines millores són necessàries per a ser incorporades a les simulacions originals, amb la finalitat de millorar la percepció del realisme, la tècnica de navegació, la representació dels avatars, el seu comportament o les seves animacions. La tècnica més fiable per simular el comportament dels avatars en un entorn de realitat virtual hauria de basar-se en l'estudi de com es comporten els humans dins de l¿entorn virtual. Per a aquest propòsit, és necessari construir entorns virtuals on els participants poden navegar amb seguretat i comoditat amb una metàfora adequada i, si l¿entorn està poblat amb avatars, simular el seu comportament amb precisió. Tots aquests aspectes junts fan que els participants es comportin d'una manera més pròxima a com es comportarien en el món real. A més, la integració d'aquests conceptes podria proporcionar una plataforma ideal per desenvolupar diferents tipus d'aplicacions amb i sense realitat virtual col·laborativa com simulacions d'emergència, ensenyament, arquitectura o disseny. En la primera contribució d'aquesta tesi, vam realitzar un experiment per estudiar la presa de decisions durant una evacuació. Estàvem interessats a avaluar en quina mesura el comportament d'una multitud virtual pot afectar les decisions dels participants. A partir de la segona contribució, en la qual estudiem la percepció del realisme amb robots i humans que realitzen només una animació de caminar o bé realitzen diverses animacions, vam arribar a la conclusió que la combinació de tenir avatars semblants als humans amb animacions variades pot augmentar la percepció del realisme general de la simulació de la multitud, les seves trajectòries i animacions. L'estudi preliminar presentat en la tercera contribució d'aquesta tesi va demostrar que la representació realista de l¿entorn i dels avatars no semblen augmentar la percepció del realisme en els participants, que és coherent amb treballs presentats anteriorment. Els resultats preliminars de la nostra contribució de walk-in-place van mostrar una transició suau i natural entre les metàfores de walk-in-place i caminar normal. El nostre sistema va proporcionar una funció de mapatge de velocitat que s'assembla molt al caminar natural. Hem observat a través d'un estudi pilot que el sistema redueix amb èxit el motion sickness i millora la immersió. Finalment, els resultats de la contribució relacionada amb locomoció en realitat virtual col·laborativa van mostrar que el sincronisme de l'animació i el so dels avatars que representen els participants no semblen tenir un fort impacte en termes de presència i sensació de control de l'avatar. No obstant això, en el nostre experiment, la incorporació d'animacions naturals i el so de passos va donar lloc a valors de clearance més petits en RV que treballs anteriors ja publicats. L'objectiu principal d'aquesta tesi ha estat millorar els diferents factors relacionats amb experiències de realitat virtual immersiva per fer que els participants se sentin més còmodes en l'entorn virtual. Aquests factors inclouen el comportament i l'aparença dels avatars i la navegació a través de l'entorn virtual. En augmentar el realisme dels avatars i facilitar la navegació, s'aconsegueixen altes puntuacions en presència durant les simulacions. Això proporciona un marc ideal per desenvolupar aplicacions col·laboratives de realitat virtual o simulacions d'emergència que requereixen que els participants se sentin com si estiguessin en la vida realPostprint (published version

VR-assisted architectural design in a heritage site: the Sagrada Família case study

Virtual Reality (VR) simulations have long been proposed to allow users to explore both yet-to-built buildings in architectural design, and ancient, remote or disappeared buildings in cultural heritage. In this paper we describe an on-going VR project on an UNESCO World Heritage Site that simultaneously addresses both scenarios: supporting architects in the task of designing the remaining parts of a large unfinished building, and simulating existing parts that define the environment that new designs must conform to. The main challenge for the team of architects is to advance towards the project completion being faithful to the original Gaudí’s project, since many plans, drawings and plaster models were lost. We analyze the main requirements for collaborative architectural design in such a unique scenario, describe the main technical challenges, and discuss the lessons learned after one year of use of the system.Peer ReviewedPostprint (published version

Amplification of co-presence in group visits to virtual houses with graphical representations from video games

An individual can observe one’s surrounding space. The space can contain various elements (e.g., objects, furniture), which in turn convey visual information to the individual, giving the sense of being present within the space. The space can be filled by additional individuals who also aim to observe their surroundings. The human ability to observe and interact with the surrounding elements plays a vital role in creating a feeling of being socially present and connected in a physical space, also know as co-presence. In the virtual world, similar sensations of co-presence are often conveyed through graphical representations. These representations, along with other methods aimed at enhancing co-presence (such as interfaces designed to foster a sense of shared presence), have been extensively researched and utilized in single player and multiplayer video games. The present study explores the application of some of those strategies to enhance the feeling of co-presence among individuals during virtual group house tours, which is a relevant application scenario to the real estate industry and architectural participatory design. To this aim, a tool was developed and evaluated in a user study involving 33 participants. The findings indicate that all the implemented strategies effectively enhance the sense of co-presence within the virtual environment and encourage meaningful collaborative interactions.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Comprehensive review on controller for leader-follower robotic system

985-1007This paper presents a comprehensive review of the leader-follower robotics system. The aim of this paper is to find and elaborate on the current trends in the swarm robotic system, leader-follower, and multi-agent system. Another part of this review will focus on finding the trend of controller utilized by previous researchers in the leader-follower system. The controller that is commonly applied by the researchers is mostly adaptive and non-linear controllers. The paper also explores the subject of study or system used during the research which normally employs multi-robot, multi-agent, space flying, reconfigurable system, multi-legs system or unmanned system. Another aspect of this paper concentrates on the topology employed by the researchers when they conducted simulation or experimental studies

Combining motion planning with social reward sources for collaborative human-robot navigation task design

Across the human history, teamwork is one of the main pillars sustaining civilizations and technology development. In consequence, as the world embraces omatization, human-robot collaboration arises naturally as a cornerstone. This applies to a huge spectrum of tasks, most of them involving navigation. As a result, tackling pure collaborative navigation tasks can be a good first foothold for roboticists in this enterprise. In this thesis, we define a useful framework for knowledge representation in human-robot collaborative navigation tasks and propose a first solution to the human-robot collaborative search task. After validating the model, two derived projects tackling its main weakness are introduced: the compilation of a human search dataset and the implementation of a multi-agent planner for human-robot navigatio

Enhanced Virtuality: Increasing the Usability and Productivity of Virtual Environments

Mit stetig steigender Bildschirmauflösung, genauerem Tracking und fallenden Preisen stehen Virtual Reality (VR) Systeme kurz davor sich erfolgreich am Markt zu etablieren. Verschiedene Werkzeuge helfen Entwicklern bei der Erstellung komplexer Interaktionen mit mehreren Benutzern innerhalb adaptiver virtueller Umgebungen. Allerdings entstehen mit der Verbreitung der VR-Systeme auch zusätzliche Herausforderungen: Diverse Eingabegeräte mit ungewohnten Formen und Tastenlayouts verhindern eine intuitive Interaktion. Darüber hinaus zwingt der eingeschränkte Funktionsumfang bestehender Software die Nutzer dazu, auf herkömmliche PC- oder Touch-basierte Systeme zurückzugreifen. Außerdem birgt die Zusammenarbeit mit anderen Anwendern am gleichen Standort Herausforderungen hinsichtlich der Kalibrierung unterschiedlicher Trackingsysteme und der Kollisionsvermeidung. Beim entfernten Zusammenarbeiten wird die Interaktion durch Latenzzeiten und Verbindungsverluste zusätzlich beeinflusst. Schließlich haben die Benutzer unterschiedliche Anforderungen an die Visualisierung von Inhalten, z.B. Größe, Ausrichtung, Farbe oder Kontrast, innerhalb der virtuellen Welten. Eine strikte Nachbildung von realen Umgebungen in VR verschenkt Potential und wird es nicht ermöglichen, die individuellen Bedürfnisse der Benutzer zu berücksichtigen. Um diese Probleme anzugehen, werden in der vorliegenden Arbeit Lösungen in den Bereichen Eingabe, Zusammenarbeit und Erweiterung von virtuellen Welten und Benutzern vorgestellt, die darauf abzielen, die Benutzerfreundlichkeit und Produktivität von VR zu erhöhen. Zunächst werden PC-basierte Hardware und Software in die virtuelle Welt übertragen, um die Vertrautheit und den Funktionsumfang bestehender Anwendungen in VR zu erhalten. Virtuelle Stellvertreter von physischen Geräten, z.B. Tastatur und Tablet, und ein VR-Modus für Anwendungen ermöglichen es dem Benutzer reale Fähigkeiten in die virtuelle Welt zu übertragen. Des Weiteren wird ein Algorithmus vorgestellt, der die Kalibrierung mehrerer ko-lokaler VR-Geräte mit hoher Genauigkeit und geringen Hardwareanforderungen und geringem Aufwand ermöglicht. Da VR-Headsets die reale Umgebung der Benutzer ausblenden, wird die Relevanz einer Ganzkörper-Avatar-Visualisierung für die Kollisionsvermeidung und das entfernte Zusammenarbeiten nachgewiesen. Darüber hinaus werden personalisierte räumliche oder zeitliche Modifikationen vorgestellt, die es erlauben, die Benutzerfreundlichkeit, Arbeitsleistung und soziale Präsenz von Benutzern zu erhöhen. Diskrepanzen zwischen den virtuellen Welten, die durch persönliche Anpassungen entstehen, werden durch Methoden der Avatar-Umlenkung (engl. redirection) kompensiert. Abschließend werden einige der Methoden und Erkenntnisse in eine beispielhafte Anwendung integriert, um deren praktische Anwendbarkeit zu verdeutlichen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass virtuelle Umgebungen auf realen Fähigkeiten und Erfahrungen aufbauen können, um eine vertraute und einfache Interaktion und Zusammenarbeit von Benutzern zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglichen individuelle Erweiterungen des virtuellen Inhalts und der Avatare Einschränkungen der realen Welt zu überwinden und das Erlebnis von VR-Umgebungen zu steigern