The effect of priming on physics perception in small-scale virtual environments

Abstract. For humans, it is difficult to understand how physics would work in an environment in which they are not the size they normally are, but their size has been altered. A good way to experience it is in a simulated virtual environment run by a computer, and with a virtual reality headset. What humans think physics and the environment should look and feel like often differs from what would happen in a similar situation. This thesis focuses on whether priming the participants’ experience in a virtual environment before altering their size affects their perception of physics, specifically, rigid body dynamics. The hypothesis is, that priming would make participants feel that real-life physics is how objects in virtual reality should act, instead of how small-scale phenomena are usually depicted in media. To test the hypothesis experimentally, a VR environment was developed. This environment contained many different perception clues to inform the participants they have been shrunk tenfold and that this environment corresponds to reality. In the experiment, the representation of rigid body dynamics played a huge part as it affects how participants perceive the environment when interacting with physically simulated objects and items. More specifically, the participants experienced two different physics representations; one in which objects behaved similarly to what would be realistic at that scale, and another one closer to what is usually shown in movies and television. The participants were surveyed, and their answers were analyzed, giving insights into their physics perception in the virtual environment. The study found that priming the participant gave them a point of comparison to real life. They felt that it helped them choose the correct scenario when they were presented with scenarios with realistic physics and physics usually seen in movies and other media. Although they felt that the priming helped, the participants nevertheless considered the physics representation corresponding to movies and television to be the more realistic one. This was further confirmed by statistically comparing the results of this study to a similar, previous study in which no priming process was utilized.Perehdytyksen vaikutus fysiikan havainnointiin pienen mittakaavan virtuaaliympäristöissä. Tiivistelmä. Ihmisille on vaikeaa havainnoida fysikaalisia ilmiöitä, kuten kiinteiden kappaleiden liikeratoja, tavallisista poikkeavissa mittakaavoissa. Paras tapa kokea se on tietokoneen simuloimassa virtuaaliympäristössä virtuaalitodellisuuslasien luoman immersiivisen kokemuksen kautta. Se, mikä vastaa ympäristöön ja fysikaalisiin ilmiöihin liittyviä ennakko-odotuksia voi monin tavoin poiketa todellisuudesta. Esimerkiksi kymmenen kertaa pienemmässä mittakaavassa realistisesti kuvatut kappaleiden liikeradat näyttäytyvät ihmisille äkillisinä kiihtyvyyksinä ja lyhyinä lentoratoina, kuten aiemmassa tutkimuksessa on osoitettu. Sen sijaan, epärealistiset fysikaaliset mallit joissa liikeradat vastaavat normaalia mittakaavaa suhteessa käyttäjään itseensä vaikuttaisi näyttäytyvän realistisena simuloidusta mittakaavasta huolimatta. Tässä opinnäytetyössä pyritään selvittämään, voiko virtuaalitodellisuusjärjestelmän käyttäjiä perehdyttää fysikaalisten ilmiöiden suhteen siten, että se muuttaisi heidän käsitystään simuloitujen fysikaalisten ilmöiden suhteen virtuaaliympäristössä. Työssä kuvataan tutkimus jossa koehenkilöille esitettiin perehdytysvaihe jossa havainnollistettiin erilaisten esineiden liikeratoja jonka jälkeen heidän tuli valita oikea fysiikkamalli realistisen ja väärän mallin välillä. Tätä tarkoitusta varten kehitettiin virtuaalitodellisuusympäristö, jossa oli lukuisia erilaisia havaintovihjeitä, joiden tarkoitus oli havainnollistaa käyttäjälle fyysisesti simuloitujen kappaleiden liikeratoja. Koehenkilöt käsittelivät fyysisesti simuloituja esineitä kahdessa eri mittakaavassa realistisessa painovoimassa. Tämän jälkeen he käsittelivät simuloituja esineitä sekä realistisessa, että epärealistisessa painovoimassa, jonka jälkeen heidän tuli valita kumpi simulaatioista vastasi paremmin todellisuutta. Tutkimuksessa havaittiin, että koehenkilöiden perehdytys näyttäytyi heille hyödyllisenä antaen vertailukohdan todellisuuteen. Vastausten mukaan he kokivat, että perehdytys auttoi heitä valitsemaan oikean fysiikkamallin. Tästä huolimatta epärealistinen fysiikkamalli näyttäytyi heille todellisempana merkittävästi useammin kuin realistisesti simuloitu malli. Tämä voitiin vahvistaa myös vertaamalla tilastollisesti tässä tutkimuksessa kerättyä aineistoa aiempaan vastaavaan tutkimukseen jossa perehdytysvaihetta ei ollut. Tästä voidaan päätellä, että koeasettelussa käytetty perehdytysmenetelmä ei pystynyt muuttamaan koehenkilöiden ennakkokäsityksiä fysikaalisten ilmöiden havainnoimisessa

Size and distance estimation in virtual reality

Abstract. Interest in virtual reality (VR) has been on the rise in the recent few years. However, it is difficult to create virtual environments which provide realistic perception of scale for their users. We wanted to study how humans perceive scale in VR and ways to improve VR scale perception. We did a pilot test to see how design choices affect distance and height estimation in VR. For pilot tests we had nine test participants. Based on the experience gathered from the pilot test, we designed the main test. For the main test we had 44 participants. The main test showed similar results for distance estimating as earlier studies. Humans underestimated distances and heights in VR. Having a familiar size object cue, a VR model of a milk carton, next to the object improved height estimations.Koon ja etäisyyden arviointi virtuaalitodellisuudessa. Tiivistelmä. Kiinnostus virtuaalitodellisuuteen (VT) on ollut kasvavaa muutaman viime vuoden aikana. On kuitenkin vaikeaa tehdä virtuaalinen ympäristö, joka luo käyttäjilleen luonnollisen aistimuksen mittakaavasta. Halusimme tutkia, miten ihmiset hahmottavat skaalaa VR:ssä ja kuinka sitä voi parantaa. Teimme pilottitestejä, jotta näkisimme kuinka erilaiset suunnittelupäätökset vaikuttavat etäisyyden ja korkeuden arviointiin virtuaalitodellisuudessa. Pilottitesteissä oli yhdeksän osallistujaa. Pilottitestien pohjalta teimme laajemman testin, jossa hyödynsimme pilottitesteistä saatuja kokemuksia. Laajemmassa testissä oli 44 osallistujaa. Tämä testi tuotti samankaltaisia tuloksia etäisyyden arvioinnissa kuin aikaisemmat tutkimukset. Ihmiset aliarvioivat etäisyyksiä ja korkeuksia virtuaalitodellisuudessa. Kun esineen vieressä oli tunnetun kokoinen esine, maitopurkin virtuaalimalli, korkeuden arviointi parani