ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТА ПРИСУТСТВИЯ НА ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАДАЧ В ИММЕРСИВНЫХ ВИРТУАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ

ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТА ПРИСУТСТВИЯ НА ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАДАЧ В ИММЕРСИВНЫХ ВИРТУАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ

Мошкин Никита

магистрант, Поволжский государственный технологический университет,

РФ, г. Йошкар-Ола

INFLUENCE OF PRESENCE EFFECT ON TASKS PERFORMANCE IN IMMERSIVE VIRTUAL EDUCATIONAL ENVIRONMENTS

Nikita Moshkin

master's student, Volga State Technological University,

Russia, Yoshkar-Ola

АННОТАЦИЯ

Описаны ключевые факторы, влияющие на проявление у человека, находящегося в виртуальной образовательной среде, эффекта присутствия. Данные факторы разделяются на объективные и субъективные. Объективные – те факторы, определяющиеся как технологические решения в виртуальной среде, а также обобщаются под термином «погружение»; субъективные факторы состоят из мотивационных, когнитивных и эмоциональных факторов. Их можно обобщить как (иммерсивный) обучающий потенциал. Для определения влияния эффекта присутствия в виртуальной иммерсивной среде проведено экспериментальное исследование по прохождению лабиринта в виртуальной среде с использованием шлема виртуальной реальности и без. Результаты исследования показали прирост скорости прохождения лабиринта в иммерсивной среде группы, использовавшей ВР шлем, на 25.9%, по сравнению с группой, наблюдавшей лабиринт на экране LCD монитора.  Таким образом, показана эффективность эффекта присутствия при выполнении задач в иммерсивной виртуальной среде.

ABSTRACT

The key factors influencing the manifestation of a person in a virtual educational environment, the effect of presence, are described. These factors are divided into objective and subjective. Objective - those factors that are defined as technological solutions in the environment, also generalized by the term "immersion"; subjective factors consist of motivational, cognitive and emotional factors. These can be summarized as (immersive) learning potential. To determine the effect of being present in a virtual environment, an experimental study was carried out on the passage of a labyrinth in an environment with and without a VR helmet. The results of the study showed an increase in the speed of passing the maze in the immersive environment of the group using the VR headset by 25.9%, compared with the group watching the maze on the LCD screen. Thus, the effectiveness of the presence effect when performing tasks in an immersive environment.

Ключевые слова: эффект присутствия, иммерсивные технологии, виртуальная среда, погружение.

Keywords: immersion, immersive technologies, virtual environment, immersion.

Введение. На сегодняшний день иммерсивные технологии начинают постепенно применяться для решения производственных задач. Основным направлением для их применения являются аппаратно-программные комплексы в виде тренажеров или симуляторов, главной целью которых является повышение уровня навыков у обучаемых во время их профессиональной подготовки. Это связано с тем, что с помощью данных технологий повышается реалистичность ситуационного реагирования и улучшается деятельность обучаемого за счет эффекта присутствия [1]. Но, в то же время, остается неизвестным, насколько увеличение уровня присутствия влияет на выполнение задач в иммерсивной виртуальной среде. Этому вопросу посвящена данная работа.

Теоретический анализ. Виртуальная среда (ВС) представляет собой генерируемое компьютером пространство, с которым пользователь взаимодействует посредством своих ощущений: зрения, слуха, осязания и т.д. [2]. Основным направлением применения ВС является изучение и отработка когнитивных навыков человека [3].  Например, ВС активно применяются для анализа поведения человека в экстремальных ситуациях [4], преодоления психологических барьеров [5] и фобий [6, 7].  Также, набирает популярность использование ВС в тренажерах, обучающих работе со сложными техническими объектами, производительность и безопасность которых напрямую зависят от человеческого фактора. Данные тренажеры повышают уровень ситуационного реагирования, а также уменьшают влияние таких негативных факторов, как стресс и чрезмерная нагрузка, во время выполнения реальных задач на начальных этапах профессиональной деятельности. Применение в тренажерах иммерсивных технологий играет существенную роль, что связано с выражением у человека, погруженного в ИС, эффекта присутствия [8].

Присутствие представляет собой внутреннее субъективное переживание, которое заключается в блокировании восприятия физического мира [9] путем замещения его виртуальной средой[10]. Выражение эффекта присутствия в ВС зависит от совокупности объективных и субъективных факторов[11].

Объективные факторы представляют собой технологические решения, применяемые в ВС. В них входят:

• графические параметры ВС, например, использование динамических теней и отражений [12], тип отображения ВС [13];
• аудиопараметры, например, звуковое сопровождение выполняемых действий [14].

Суммируя, объективные факторы обозначаются как погружение –объективный уровень сенсорной точности ВС для дальнейшего восприятия ее человеком [10].

Субъективные факторы представляют собой факторы, воздействующие на психофизиологические аспекты взаимодействия человека с ВС, включая в себя когнитивные, мотивационные и эмоциональные факторы [11].

Под когнитивными факторами понимаются те индивидуальные черты и навыки человека, влияющие на его учебную деятельность, то есть интеллект, способности к обучению и т.д. В виртуальной образовательной среде, проявление когнитивных навыков зависит от методического и дидактического содержания образовательного контента. Следует отметить, что когнитивные процессы тесно связаны с процессами восприятия, тем самым когнитивные факторы существенно влияют на эффект присутствия [16].

Тем самым, эффект присутствия значительно воздействует на психологическое состояние человека, его чувства и эмоции.  К примеру, социальное взаимодействие людей в виртуальном пространстве с применением реалистичных аватаров, повышает уровень присутствия, что, в свою очередь, дает им чувство единства в виртуальной среде [16, 17]. 

Для оценки эффективности влияния эффекта присутствия на выполнение задач в иммерсивной виртуальной образовательной среде, было проведено A/B тестирование с использованием программного обеспечения. В данном ПО был реализован 3D лабиринт в среде разработки Unity (рисунок 1).

Рисунок 1. Общий вид лабиринта, используемого в экспериментальном тестировании

В тестировании участвовало 60 человек в возрасте от 19 до 27 лет. Задача участвующих заключалась в прохождении лабиринта и нахождения из него выхода за максимально короткое время. Для контрольной группы (А) использовался лабиринт, который выполнялся в искусственной среде, но участники наблюдали вид от первого лица с экрана LCD-видеомонитора. В свою очередь, для экспериментальной группы (B) аналогичный лабиринт выполнялся в искусственной среде с использованием ВР шлема HTC VIVE (рисунок 2). Участники экспериментальной группы наблюдали вид от первого лица в ВР шлеме (рисунок 3).

Рисунок 2. Общий вид шлема HTC Vive и его периферийных устройств

Рисунок 3. Вид из ВР шлема

Перемещение испытуемых по лабиринту обеих групп осуществлялось посредством применения джойстика, входящего в состав HTC Vive (рисунок 2).

Полученные результаты экспериментального исследования. На рисунке 4 приведены результаты оценки влияния эффекта присутствия на выполнение задач в части затраченного времени прохождения лабиринта. По горизонтальной оси откладывался номер участника тестирования, а по вертикальной оси – время прохождения лабиринта.

Рисунок 3. Диаграмма результатов оценки эффективности влияния эффекта присутствия на выполнение задач для показателя времени прохождения лабиринта

Получены следующие результаты описательной статистики для контрольной группы в процессе оценки: Mx(к) = 174,73, Md(к) = 178, Mo(к) = 145, Dx(к) = 2067,58, σ(к)= 45,47, As(к) = -0,54, Es(к) = -0,31. Для экспериментальной группы: Mx(э) = 129,4, Md(э) = 134, Mo(э) = 115, Dx(э) = 1843, σ(к)= 42,93, As(э) = -0,088, Es(э) = -0,5.

Статистические расчёты показали, что затраченное время для контрольной и экспериментальной групп различается на высоком уровне статистической значимости в процессе оценки (tэ = 3,97, df = 56, p_value = 0,0002 <0,05).

В процессе оценки эффективности для контрольной и экспериментальной групп показатели эффективности прохождения лабиринта оказались выше для экспериментальной группы в среднем на 25,9 % (для показателя эффективности время прохождения).

Заключение. Таким образом, результаты экспериментального исследования показали эффективность влияния эффекта присутствия на выполнение задач в иммерсивной виртуальной среде.

Cписок литературы:

1. Tichon J., Burgess-Limerick R. A review of virtual reality as a medium for safety related training in mining // Journal of Health & Safety Research & Practice. – 2011. – Vol. 3. – № 1. – P. 33–40.
2. Slater, M., & Usoh, M. (1994). Body centred interaction in immersive virtual environments. Artificial life and virtual reality, 1(1994), 125-148.
3. Bhagavathula, R., Williams, B., Owens, J., & Gibbons, R. (2018, September). The reality of virtual reality: A comparison of pedestrian behavior in real and virtual environments. In Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting (Vol. 62, No. 1, pp. 2056-2060). Sage CA: Los Angeles, CA: SAGE Publications.
4. Ryu, J. H., Park, J. W., Nahm, F. S., Jeon, Y. T., Oh, A. Y., Lee, H. J., ... & Han, S. H. (2018). The effect of gamification through a virtual reality on preoperative anxiety in pediatric patients undergoing general anesthesia: a prospective, randomized, and controlled trial. Journal of clinical medicine, 7(9), 284.
5. Costa, R. T. D., Carvalho, M. R. D., Ribeiro, P., & Nardi, A. E. (2018). Virtual reality exposure therapy for fear of driving: analysis of clinical characteristics, physiological response, and sense of presence. Revista brasileira de psiquiatria, (AHEAD), 0-0.0
6. Kritikos, J., Poulopoulou, S., Zoitaki, C., Douloudi, M., & Koutsouris, D. (2019, April). Full Body Immersive Virtual Reality System with Motion Recognition Camera Targeting the Treatment of Spider Phobia. In International Symposium on Pervasive Computing Paradigms for Mental Health (pp. 216-230). Springer, Cham.
7. Ragan, E. D., Sowndararajan, A., Kopper, R., & Bowman, D. A. (2010). The effects of higher levels of immersion on procedure memorization performance and implications for educational virtual environments. Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 19(6), 527-543.
8. Lackey, S. J., Salcedo, J. N., Szalma, J. L., & Hancock, P. A. (2016). The stress and workload of virtual reality training: the effects of presence, immersion and flow. Ergonomics, 59(8), 1060-1072.
9. Baños, R. M., Botella, C., Alcañiz, M., Liaño, V., Guerrero, B., & Rey, B. (2004). Immersion and emotion: their impact on the sense of presence. Cyberpsychology & behavior, 7(6), 734-741.
10. Dengel, A., & Mägdefrau, J. (2018, December). Immersive learning explored: subjective and objective factors influencing learning outcomes in immersive educational virtual environments. In 2018 IEEE International Conference on Teaching, Assessment, and Learning for Engineering (TALE) (pp. 608-615). IEEE.
11. Bowman, D. A., & McMahan, R. P. (2007). Virtual reality: how much immersion is enough? Computer, 40(7), 36-43.
12. Buttussi, F., & Chittaro, L. (2017). Effects of different types of virtual reality display on presence and learning in a safety-training scenario. IEEE transactions on visualization and computer graphics, 24(2), 1063-1076.
13. Hoppe, M., Karolus, J., Dietz, F., Woźniak, P. W., Schmidt, A., & Machulla, T. K. (2019, May). VRsneaky: Increasing presence in VR through gait-aware auditory feedback. In Proceedings of the 2019 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (pp. 1-9).
14. Riva, G. (2009). Is presence a technology issue? Some insights from cognitive sciences. Virtual reality, 13(3), 159-169.
15. Pan, Y., & Steed, A. (2019). How Foot Tracking Matters: The Impact of an Animated Self-Avatar on Interaction, Embodiment and Presence in Shared Virtual Environments. Frontiers in Robotics and AI, 6, 104.
16. Khenak, N., Vezien, J. M., Thery, D., & Bourdot, P. (2019, March). Spatial presence in real and remote immersive environments. In 2019 IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces (VR) (pp. 1016-1017). IEEE.