User experience in virtual immersion : a study of scale factors for a similar perception in a CAVE and an immersive helmet.
Expérience utilisateur en immersion virtuelle : étude de facteurs d’échelle pour une perception similaire dans un CAVE et un casque immersif.
Résumé
The topic of this PhD is "User experience in virtual immersion: a study of scale factors for a similar perception in a CAVE and in an HMD". Started in October 2019 under a cotutelle between two research laboratories, LISPEN (Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Physiques et Numériques) and IMI (Institut für Informationsmanagement im Ingenieurwesen), respectively belonging to ENSAM (Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers) in France and KIT (Karlsruhe Institute of Technology) in Germany. This work was under the supervision of Pr. MERIENNE Frédéric, Dr CHARDONNET Jean-Rémy and Pr. OVTCHAROVA Jivka. This thesis aims to compare two different devices, a CAVE Automatic Virtual Environment and Head-Mounted Displays. We started with the following statement: 'A CAVE automatic virtual environment and an immersive reality headset are two different technologies allowing immersion in a virtual environment. However, their differences may influence the user experience. To study this statement, we posed two research questions: Do a CAVE and a Head-Mounted Display offer different user experiences? And:' Is it possible to have a similar user experience with these two different technologies?'. Our objectives were to explore the CAVE-HMD differences that might influence user behavior and experience. To answer these research questions, we built experiments to focus on fundamental differences between both devices, meaning the differences coming from the device's characteristics. We carried out four experiments on four distinct features.The first experiment sought the differences in device weight. Indeed, worn weight might influence the distance perceived when walking; HMD's weight range from 500g to 1000g, while CAVE's worn weight is less than 100g. The second experiment focused on the difference between eyes-screen distances. With HMDs, screens are closer to the eyes (physically, optically, it is around two meters away), but for CAVEs, screens are physically farther. Additionally, users can move in CAVEs and thus get closer or farther from screens, changing where the virtual object is rendered compared to the screen (i.e., behind the screen, on the screen, or in front of). Moreover, our brain uses visual cues and eye reactions such as accommodation and vergence to estimate distances or size, thus, the eyes-screen distance might influence perception. The third explored the difference between FOV (field of view) and FOR (Field of regard). For HMDs, we got a 360° FOR and 110° FOV, on average, against 270° (or less) CAVEs FOR and up to 220° FOV. The head rotation in CAVEs is restricted, making some specific tasks, such as exploring a narrow environment that asks users to look around and to rotate often their views more difficult. The last one carried out focused on cybersickness, this factor is a well-documented field with HMDs devices, but not that much with CAVEs. To our knowledge, no studies have compared both systems on this specific topic. We developed an application to induce some cybersickness levels to compare both devices.Our findings show no significant difference in walk distance perceived for distances up to three meters. The HMD's weight, which is not present in the CAVE, can be ignored for an application that does not require physic displacement further than three meters. Short distances are harder to reproduce, no matter the devices, but both present accurate results for longer distances. Interestingly we did not find a significant difference in head rotation between devices, while, for the task designed, participants took more time to complete the whole application within the CAVE. User feedbacks are firmly in favour of HMDs. From these results, we provide advice and guideline on which device should be used according to the application's needs in terms of navigation, interaction, or user experience (time completion, feeling, motivation, cybersickness)
Le sujet de ce doctorat est "L'expérience utilisateur en immersion virtuelle : une étude des facteurs d'échelle pour une perception similaire dans un CAVE et dans un HMD". S’intègre dans le cadre d'une cotutelle entre deux laboratoires de recherche, le LISPEN et l'IMI, appartenant respectivement à l'ENSAM en France et au KIT en Allemagne. Ce travail a été réalisé sous la supervision du Pr. MERIENNE Frédéric, Dr CHARDONNET Jean-Rémy et Pr. OVTCHAROVA Jivka. Cette thèse a pour but de comparer deux dispositifs, les CAVEs (CAVE Automatic Virtual Environment) et les casques de réalité immersive. Nous sommes parties de l’affirmation suivante : " Un CAVE et un casque de réalité immersive sont deux technologies différentes permettant toutes deux l'immersion dans un environnement virtuel. Cependant, leurs différences pourraient influencer l'expérience de l'utilisateur. Nous avons posé deux questions de recherche : Un CAVE et un casque de réalité immersive offrent-ils des expériences utilisateur différentes ? Et : 'Est-il possible d'avoir une expérience utilisateur similaire avec ces deux technologies ?'. Pour répondre à ces questions de recherche, nous avons construit des expériences se concentrant sur les différences fondamentales entre les deux dispositifs (i.e. provenant des caractéristiques du dispositif). Nous avons réalisé quatre expériences. Le sujet de la première portait sur les différences de poids entre les dispositifs. Le poids porté peut influencer la distance parcourus perçue lors de la marche ; le poids des HMD varie entre 500 et 1000 g, tandis que le poids des lunettes porté dans un CAVE est inférieur à 100g. La deuxième expérience portait sur la différence entre les distances œil-écran. Avec les casques, les écrans sont plus proches des yeux, mais pour un CAVE, les écrans sont physiquement plus éloignés. Les utilisateurs peuvent se déplacer dans un CAVE et donc se rapprocher ou s'éloigner des écrans, ce qui modifie la façon dont est rendu l'objet virtuel par rapport à l'écran. De plus, notre cerveau utilise des indices visuels et des réactions oculaires telles que l'accommodation et la vergence pour estimer les distances ou les tailles, ainsi cette distance yeux-écran peut influencer la perception. La troisième expérience a eu pour but d’explorer la différence entre champ de vision (FOV) et champ d'observation (FOR). Pour les HMD, nous avons un FOR de 360° et un FOV de 110°, en moyenne, contre 270° pour les CAVE et jusqu'à 220° de FOV. La rotation de la tête dans les CAVE en est donc limitée, ce qui rend plus difficile certaines tâches, comme l'exploration d'un environnement étroit qui solliciteras plus de rotation. Le mal du simulateur a été le facteur étudié pour la dernière expérience, celui-ci est un domaine bien documenté avec les dispositifs HMD, mais pas autant avec les CAVE. Nous avons développé une application pour induire un certain niveau de cybersickness comparants les deux dispositifs. Nos résultats ne montrent aucune différence significative dans la distance de marche perçue pour des distances allant jusqu'à trois mètres. Par conséquent, le poids du HMD, qui n'est pas présent dans le CAVE, peut être ignoré pour une application qui ne nécessite pas de déplacement physique au-delà de trois mètres. Les courtes distances dans le cas d’un déplacement d’un objet sont plus difficiles à évaluer, quel que soit l'appareil, mais les deux présentent des résultats précis pour les distances plus longues. Il est intéressant de noter que nous n'avons pas trouvé de différence significative dans la rotation de la tête entre les appareils, alors que, les participants ont mis plus de temps à terminer l'application complète dans le CAVE. Les commentaires des utilisateurs sont unanimement en faveur des casques. A partir de ces résultats, nous fournissons des conseils et une ligne directrice sur le dispositif à utiliser en fonction des besoins de l'application en termes de navigation, d'interaction ou d'expérience utilisateur.
Origine : Version validée par le jury (STAR)