Group Navigation in Multi-User Virtual Reality

  • Multi-user virtual reality systems enable collocated as well as distributed users to perform collaborative activities in immersive virtual environments. A common activity in this context is to move from one location to the next as a group to explore the environment together. The simplest solution to realize these multi-user navigation processes is to provide each participant with a technique forMulti-user virtual reality systems enable collocated as well as distributed users to perform collaborative activities in immersive virtual environments. A common activity in this context is to move from one location to the next as a group to explore the environment together. The simplest solution to realize these multi-user navigation processes is to provide each participant with a technique for individual navigation. However, this approach entails some potentially undesirable consequences such as the execution of a similar navigation sequence by each participant, a regular need for coordination within the group, and, related to this, the risk of losing each other during the navigation process. To overcome these issues, this thesis performs research on group navigation techniques that move group members together through a virtual environment. The presented work was guided by four overarching research questions that address the quality requirements for group navigation techniques, the differences between collocated and distributed settings, the scalability of group navigation, and the suitability of individual and group navigation for various scenarios. This thesis approaches these questions by introducing a general conceptual framework as well as the specification of central requirements for the design of group navigation techniques. The design, implementation, and evaluation of corresponding group navigation techniques demonstrate the applicability of the proposed framework. As a first step, this thesis presents ideas for the extension of the short-range teleportation metaphor, also termed jumping, for multiple users. It derives general quality requirements for the comprehensibility of the group jumping process and introduces a corresponding technique for two collocated users. The results of two user studies indicate that sickness symptoms are not affected by user roles during group jumping and confirm improved planning accuracy for the navigator, increased spatial awareness for the passenger, and reduced cognitive load for both user roles. Next, this thesis explores the design space of group navigation techniques in distributed virtual environments. It presents a conceptual framework to systematize the design decisions for group navigation techniques based on Tuckman's model of small-group development and introduces the idea of virtual formation adjustments as part of the navigation process. A quantitative user study demonstrates that the corresponding extension of Multi-Ray Jumping for distributed dyads leads to more efficient travel sequences and reduced workload. The results of a qualitative expert review confirm these findings and provide further insights regarding the complementarity of individual and group navigation in distributed virtual environments. Then, this thesis investigates the navigation of larger groups of distributed users in the context of guided museum tours and establishes three central requirements for (scalable) group navigation techniques. These should foster the awareness of ongoing navigation activities as well as facilitate the predictability of their consequences for all group members (Comprehensibility), assist the group with avoiding collisions in the virtual environment (Obstacle Avoidance), and support placing the group in a meaningful spatial formation for the joint observation and discussion of objects (View Optimization). The work suggests a new technique to address these requirements and reports on its evaluation in an initial usability study with groups of five to ten (partially simulated) users. The results indicate easy learnability for navigators and high comprehensibility for passengers. Moreover, they also provide valuable insights for the development of group navigation techniques for even larger groups. Finally, this thesis embeds the previous contributions in a comprehensive literature overview and emphasizes the need to study larger, more heterogeneous, and more diverse group compositions including the related social factors that affect group dynamics. In summary, the four major research contributions of this thesis are as follows: - the framing of group navigation as a specific instance of Tuckman's model of small-group development - the derivation of central requirements for effective group navigation techniques beyond common quality factors known from single-user navigation - the introduction of virtual formation adjustments during group navigation and their integration into concrete group navigation techniques - evidence that appropriate pre-travel information and virtual formation adjustments lead to more efficient travel sequences for groups and lower workloads for both navigators and passengers Overall, the research of this thesis confirms that group navigation techniques are a valuable addition to the portfolio of interaction techniques in multi-user virtual reality systems. The conceptual framework, the derived quality requirements, and the development of novel group navigation techniques provide effective guidance for application developers and inform future research in this area.show moreshow less
  • Multi-User-Virtual-Reality-Systeme ermöglichen es lokalen und räumlich getrennten Benutzer*innen, kollaborative Aktivitäten in einer immersiven virtuellen Umgebung auszuüben. Eine grundlegende Aufgabe in diesem Zusammenhang ist die Navigation von einem Ort zum nächsten als Gruppe, um die Umgebung gemeinsam zu erkunden. Die einfachste Lösung zur Realisierung dieserMulti-User-Virtual-Reality-Systeme ermöglichen es lokalen und räumlich getrennten Benutzer*innen, kollaborative Aktivitäten in einer immersiven virtuellen Umgebung auszuüben. Eine grundlegende Aufgabe in diesem Zusammenhang ist die Navigation von einem Ort zum nächsten als Gruppe, um die Umgebung gemeinsam zu erkunden. Die einfachste Lösung zur Realisierung dieser Mehrbenutzer*innen-Navigationsprozesse besteht darin, jedem*jeder Teilnehmer*in eine Technik zur individuellen Navigation zur Verfügung zu stellen. Dieser Ansatz führt jedoch zu einigen potenziell unerwünschten Begleiterscheinungen, wie zum Beispiel der Ausführung einer ähnlichen Navigationssequenz durch jede*n Teilnehmer*in, einem regelmäßigen Koordinationsbedarf innerhalb der Gruppe und damit verbunden der Gefahr, sich während des Navigationsprozesses zu verlieren. Zur Überwindung dieser Problematiken erforscht die vorliegende Arbeit Gruppennavigationstechniken, die alle Gruppenmitglieder gemeinsam durch eine virtuelle Umgebung bewegen. Die vorgestellten Beiträge wurden von vier übergreifenden Forschungsfragen geleitet, welche sich mit Qualitätsanforderungen an Gruppennavigationstechniken, den Unterschieden zwischen lokaler und räumlich getrennter Teilnahme, der Skalierbarkeit von Gruppennavigation und der Eignung von Einzel- und Gruppennavigationstechniken für verschiedene Szenarien befassen. Die vorliegende Arbeit nähert sich diesen Fragen durch die Einführung eines allgemeinen konzeptionellen Frameworks sowie die Spezifikation zentraler Anforderungen an den Entwurf von Gruppennavigationstechniken. Die Entwicklung, Implementierung und Evaluation entsprechender Gruppennavigationstechniken demonstrieren die Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Frameworks. In einem ersten Schritt stellt diese Arbeit Ideen zur Erweiterung der Teleportationsmetapher über kurze Distanzen, auch Jumping genannt, für mehrere Benutzer*innen vor. Sie leitet allgemeine Qualitätsanforderungen zur Verständlichkeit des Gruppen-Jumpings ab und präsentiert eine entsprechende Technik für zwei lokale Benutzer*innen. Die Ergebnisse zweier Benutzungsstudien zeigen keine Einflüsse des aktiven oder passiven Jumpings auf Symptome der Simulatorkrankheit und bestätigen eine erhöhte Planungsgenauigkeit für den*die Navigator*in, ein verbessertes räumliches Verständnis für den*die Passagier*in und eine reduzierte kognitive Belastung für beide Rollen. Danach untersucht diese Arbeit den Gestaltungsraum von Gruppennavigationstechniken in verteilten virtuellen Umgebungen. Basierend auf Tuckmans Modell der Kleingruppenentwicklung stellt sie ein konzeptionelles Framework zur Systematisierung der Designentscheidungen für Gruppennavigationstechniken vor und führt die Idee der virtuellen Formationsanpassungen als Teil des Navigationsprozesses ein. Eine quantitative Benutzungsstudie zeigt, dass eine entsprechende Erweiterung des Multi-Ray Jumpings für räumlich getrennte Dyaden zu effizienteren Navigationsabläufen und geringeren wahrgenommenen Arbeitslasten führt. Die Ergebnisse eines qualitativen Expert-Reviews bestätigen diese Erkenntnisse und liefern weitere Einsichten bezüglich der Komplementarität von Einzel- und Gruppennavigation in verteilten virtuellen Umgebungen. Anschließend untersucht diese Arbeit die Navigation größerer Gruppen räumlich getrennter Benutzer*innen im Kontext von Museumsführungen und stellt drei zentrale Anforderungen für (skalierbare) Gruppennavigationstechniken auf. Diese sollen das Bewusstsein für laufende Navigationsaktivitäten fördern sowie die Vorhersehbarkeit ihrer Konsequenzen für alle Gruppenmitglieder erleichtern (Verständlichkeit), der Gruppe bei der Vermeidung von Kollisionen in der virtuellen Umgebung assistieren (Hindernisvermeidung) und die Platzierung der Gruppe in einer sinnvollen räumlichen Formation für die gemeinsame Betrachtung und Diskussion von Objekten unterstützen (Blickoptimierung). Die Arbeit stellt eine neue Technik zur Adressierung dieser Anforderungen vor, welche in einer initialen Usability-Studie mit Gruppen von fünf bis zehn (teilweise simulierten) Benutzer*innen evaluiert wurde. Die Ergebnisse zeigen eine einfache Erlernbarkeit für den*die Navigator*in und eine hohe Verständlichkeit für Passagier*innen. Darüber hinaus liefern sie wertvolle Erkenntnisse zur Entwicklung von Gruppennavigationstechniken für noch größere Gruppenstärken. Abschließend bettet diese Arbeit die bisherigen Beiträge in einen umfassenden Literaturüberblick ein und betont den Bedarf zukünftiger Forschungsarbeiten zu größeren, heterogeneren und diverseren Gruppenkompositionen. Dies beinhaltet ebenfalls die Betrachtung der damit verbundenen sozialen Faktoren sowie deren Einfluss auf die Gruppendynamik. Zusammengefasst lauten die vier wichtigsten Forschungsbeiträge dieser Arbeit wie folgt: - die Einordnung von Gruppennavigationsprozessen als spezifische Instanz von Tuckmans Modell der Kleingruppenentwicklung - die Ableitung zentraler Anforderungen an effektive Gruppennavigationstechniken zusätzlich zu aus Einzelnavigationskontexten bekannten Qualitätsfaktoren - die Einführung von virtuellen Formationsanpassungen als Teil der Gruppennavigation und deren Integration in konkrete Gruppennavigationstechniken - Nachweise, dass geeignet gewählte Vorschaumechanismen sowie virtuelle Formationsanpassungen zu effizienteren Navigationssequenzen für die Gruppe und geringeren wahrgenommenen Arbeitslasten für Navigator*innen und Passagier*innen führen Insgesamt bestätigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Gruppennavigationstechniken eine wertvolle Ergänzung zum Portfolio der Interaktionstechniken in Multi-User-Virtual-Reality-Systemen sind. Das konzeptionelle Framework, die abgeleiteten Qualitätsanforderungen und die Entwicklung entsprechender Gruppennavigationstechniken bilden eine relevante Wissensbasis für Anwendungsentwickler*innen und informieren zukünftige Forschung in diesem Gebiet.show moreshow less

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Metadaten
Document Type:Doctoral Thesis
Author:Dr. Tim WeißkerORCiD
DOI (Cite-Link):https://doi.org/10.25643/bauhaus-universitaet.4530Cite-Link
URN (Cite-Link):https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:wim2-20211124-45305Cite-Link
Referee:Prof. Dr. Bernd FröhlichGND, Prof. Doug A. BowmanORCiDGND
Advisor:Prof. Dr. Bernd FröhlichGND
Language:English
Date of Publication (online):2021/11/23
Date of first Publication:2021/11/23
Date of final exam:2021/11/22
Release Date:2021/11/24
Publishing Institution:Bauhaus-Universität Weimar
Granting Institution:Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Medien
Institutes and partner institutions:Fakultät Medien / Professur Medieninformatik
Pagenumber:148
Tag:Collaborative Virtual Environments; Group Navigation; Human-Computer Interaction; Multi-User Virtual Reality
GND Keyword:Virtuelle Realität; Mensch-Maschine-Kommunikation
Dewey Decimal Classification:000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 000 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
BKL-Classification:54 Informatik
Licence (German):License Logo Creative Commons 4.0 - Namensnennung-Nicht kommerziell-Keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)