Intelligent modeling of human movement behavior during virtual crowd interaction in immersive virtual environments
Authors: Κοίλιας Αλέξανδρος-Φάμπιο 
Published: October 2022

Στην καθημερινότητά μας αλληλεπιδράμε με άλλους ανθρώπους σε διάφορες περιπτώσεις, όπως όταν πηγαίνουμε στην εργασία, όταν περπατάμε ή συναντάμε φίλους, όταν διασχίζουμε το δρόμο κ.α. Με την χρήση σύγχρονων τεχνολογιών και μηχανών γραφικών (game engines) αυτές οι προαναφερθείς καθημερινές δραστηριότητες μπορούν να αναδημιουργηθούν σε εικονικό χώρο. Παρέχεται με αυτόν τον τρόπο η δυνατότητα παρατήρησης συμπεριφορών και χαρακτηριστικών εικονικών πληθών σε εικονικά περιβάλλοντα. Γενικά ένα εικονικό πλήθος αποτελείται από ξεχωριστές ομάδες με παρόμοιες ή όχι συμπεριφορές και χαρακτηριστικά. Η αναγκαιότητα σχεδιασμού εμβυθιστικών εικονικών περιβαλλόντων με ρεαλιστικά προσομοιωμένους εικονικούς ανθρώπους, ιδιαίτερα όσον αφορά την συμπεριφορά και τις πτυχές πλοήγησής τους, αποτελεί το κίνητρο για την έρευνα σε αυτό το πεδίο η οποία θα βελτιώσει σημαντικά την αίσθηση της παρουσίας του εμβυθισμένου χρήστη μέσα στα εικονικά περιβάλλοντα.Οι συμμετέχοντες σε ένα σύστημα εμβυθιστικής εικονικής πραγματικότητας, έχουν τη δυνατότητα να αλληλεπιδράσουν ενώ είναι εμβυθισμένοι σε ένα ρεαλιστικό εικονικό περιβάλλον [4]. Μέσω της εμβύθησης στην εικονική πραγματικότητα δημιουργείται μια συναρπαστική εμπειρία, η οποία τοποθετεί τον χρήστη σε ένα εικονικό περιβάλλον, όπου μπορεί να είναι μέρος του εικονικού κόσμου. Το επίπεδο εμβύθισης του χρήστη μπορεί να μετρηθεί (με βάση την εμπειρία του/της) και θεωρείται ως ένα αντικειμενικό χαρακτηριστικό.Ένας βασικός σκοπός (της εικονική πραγματικότητας) είναι να πείσει έναν εμβυθισμένο χρήστη μέσα σε εικονικό περιβάλλον με εικονικούς ανθρώπους, να αισθάνεται, συμπεριφέρεται και συμμετέχει στην εικονική εμπειρία με φυσικό τρόπο, όπως θα έκανε σε ένα παρόμοιο πραγματικό περιβάλλον [5], πάντα βέβαια εντός των περιορισμών του τρέχοντος συστήματος. Ο χρήστης πρέπει να είναι ικανός να αλληλοεπιδράσει και με το περιβάλλον και με τους εικονικούς ανθρώπους. Επίσης, η κινησιολογική συμπεριφορά και οι αλληλεπιδράσεις των εικονικών ανθρώπων, πρέπει να είναι ρεαλιστικές και πειστικές για να βελτιώσουν την εμπειρία του χρήστη. Η εμπλούτιση των εικονικών περιβαλλόντων με εικονικούς ανθρώπους και η σύνθεση ρεαλιστικής πλοήγησής (navigation) και συμπεριφοράς είναι μια αρκετά σύνθετη διαδικασία.Η κοινότητα της εικονικής πραγματικότητας, ενδιαφέρεται για την αλληλεπίδραση ανθρώπου-εικονικών χαρακτήρων τις τελευταίες δεκαετίες [6] - [8]. Για τη διερεύνηση και κατανόηση των αλληλεπιδράσεων με εικονικούς χαρακτήρες, οι ερευνητές χρησιμοποιούν αισθητήρες διαφόρων ειδών (π.χ. ηλεκτροεγκεφαλογραφήματα, ηλεκτροδερμικούς αισθητήρες, αισθητήρες παρακολούθησης ματιών και αισθητήρες καταγραφής κίνησης).Κύριος σκοπός αυτής της έρευνας είναι η δημιουργία πειραμάτων και η αποδόμηση της συμπεριφοράς του εμβυθισμένου χρήστη, προκειμένου να κατανοηθούν τα βασικά στοιχεία τα οποία επηρεάζουν την εμπειρία του/της, μέσα σε εικονικό πλήθος.Υπάρχουν πολλά χαρακτηριστικά τα οποία πρέπει να λάβουμε υπόψη μας ώστε να δημιουργήσουμε επιτυχημένες και ρεαλιστικές προσομοιώσεις εικονικών πληθών σε εικονικά περιβάλλοντα. Οι εικονικοί χαρακτήρες που αποτελούν ένα ρεαλιστικό εικονικό πλήθος πρέπει να έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά (π.χ. ύψος, φύλλο, χρώμα δέρματος, ρούχα, κ.α.). Επίσης είναι αναγκαίο να διερευνήσουμε και να αναλύσουμε πως οι εικονικοί άνθρωποι πρέπει να εμψυχωθούν (animated), σε διαφορετικά επίπεδα, από το πιο απλό χαμηλό-επίπεδο (low-level, simple animation of limbs), στο πιο σύνθετο-υψηλό επίπεδο εμψύχωσης (high-level, walking style, models, etc.). Αντίστοιχα η συμπεριφορά του εικονικού πλήθους μπορεί να διαχωριστεί σε χαμηλά και υψηλά επίπεδα ύφους. Η χαμηλού-επιπέδου συμπεριφορά διερευνά και ασχολείται με δεδομένα σχετικά με την πλοήγηση και καθοδήγηση των εικονικών ανθρώπων, ενώ η υψηλού-επιπέδου διερευνά τον σχεδιασμό της πορείας, λήψη αποφάσεων, ανάγκες, κ.α.).Σε αυτήν τη διατριβή υπάρχουν μερικά σημαντικά ζητήματα σχετικά με τα εμβυθιστικά εικονικά περιβάλλοντα και την προσομοίωση πλήθους. Ένα από τα ζητήματα είναι σχετικό με την πλοήγηση πλήθους και συγκεκριμένα κατά τη διάρκεια δημιουργίας διαδρομών πλοήγησης (navigation paths) για κάθε εικονικό άνθρωπο, για να καθοριστεί η διαδρομή τους αλλά και για αποφυγή συγκρούσεων. Ο βασικός στόχος είναι η δημιουργία ρεαλιστικής συμπεριφοράς καθοδήγησης (steering behavior) για τους εικονικούς ανθρώπους. Αυτό το ζήτημα μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες: α) ο σχεδιασμός μοντέλων ρεαλιστικής συμπεριφοράς και προσομοίωσης πλοήγησης και β) ορισμός της ρεαλιστικής προσομοίωσης των κινήσεων (animations) κάθε εικονικού ανθρώπου.Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, έχουν σχεδιαστεί διάφορες μέθοδοι για να λυθούν τα προαναφερθέντα ζητήματα πλοήγησης πλήθους. Αυτές οι μέθοδοι είναι είτε μακροσκοπικές είτε μικροσκοπικές (macroscopic and microscopic). Στις μακροσκοπικές μεθόδους οι ερευνητές προσομοιώνουν το πλήθος συνολικά (σαν ένα), ενώ στις μικροσκοπικές μεθόδους η συμπεριφορά του κάθε εικονικού χαρακτήρα προσομοιώνεται ατομικά.Ένα άλλο ζήτημα το οποίο η συγκεκριμένη διατριβή διερευνά και επιχειρεί να αντιμετωπίσει είναι σχετικό με την συμπεριφορά του πλήθους σε εμβυθιστικά εικονικά περιβάλλοντα και τα στοιχεία τα οποία επηρεάζουν την εμπειρία των συμμετεχόντων. Ένα σύστημα εικονικής πραγματικότητας πρέπει να προσφέρει μια αίσθηση παρουσίας στο χρήστη ο οποίος είναι εμβυθισμένος. Επιπλέον, αν υπάρχει εικονικό πλήθος μέσα σε αυτό το σύστημα τότε είναι απαραίτητο να διερευνήσουμε την συμπεριφορά των εικονικών ανθρώπων σε σχέση με τον χρήστη και την (συνολική) σχέση τους με άλλους εικονικούς ανθρώπους. Με αυτόν τον τρόπο ο χρήστης θα έχει μια πιο ισχυρή αίσθηση εμβύθισης μέσα στο εικονικό περιβάλλον επομένως, θα ενεργεί πανομοιότυπα με τον τρόπο που θα ενεργούσε σε ένα πραγματικό περιβάλλον.