Walking with virtual humans : understanding human response to virtual humanoids' appearance and behaviour while navigating in immersive VR
Authors:   , Ríos Jerez Alejandro 
Published: September 2023

In this thesis, we present a set of studies whose results have allowed us to analyze how to improve the realism, navigation, and behaviour of the avatars in an immersive virtual reality environment. In our simulations, participants must perform a series of tasks and we have analyzed perceptual and behavioural data. The results of the studies have allowed us to deduce what improvements are needed to be incorporated to the original simulations, in order to enhance the perception of realism, the navigation technique, the rendering of the avatars, their behaviour or their animations.

The most reliable technique for simulating avatars’ behaviour in a virtual reality environment should be based on the study of how humans behave within the environment. For this purpose, it is necessary to build virtual environments where participants can navigate safely and comfortably with a proper metaphor and, if the environment is populated with avatars, simulate their behaviour accurately. All these aspects together will make the participants behave in a way that is closer to how they would behave in the real world. Besides, the integration of these concepts could provide an ideal platform to develop different types of applications with and without collaborative virtual reality such as emergency simulations, teaching, architecture, or designing.

In the first contribution of this thesis, we carried out an experiment to study human decision making during an evacuation. We were interested to evaluate to what extent the behaviour of a virtual crowd can affect individuals' decisions. From the second contribution, in which we studied the perception of realism with bots and humans performing just locomotion or varied animations, we can conclude that the combination of having human-like avatars with animation variety can increase the overall realism of a crowd simulation, trajectories and animation. The preliminary study presented in the third contribution of this thesis showed that realistic rendering of the environment and the avatars do not appear to increase the perception of realism in the participants, which is consistent with works presented previously.
The preliminary results in our walk-in-place contribution showed a seamless and natural transition between walk-in-place and normal walk. Our system provided a velocity mapping function that closely resembles natural walk. We observed through a pilot study that the system successfully reduces motion sickness and enhances immersion. Finally, the results of the contribution related to locomotion in collaborative virtual reality showed that animation synchronism and footstep sound of the avatars representing the participants do not seem to have a strong impact in terms of presence and feeling of avatar control. However, in our experiment, incorporating natural animations and footstep sound resulted in smaller clearance values in VR than previous work in the literature.

The main objective of this thesis was to improve different factors related to virtual reality experiences to make the participants feel more comfortable in the virtual environment. These factors include the behaviour and appearance of the virtual avatars and the navigation through the simulated space in the experience. By increasing the realism of the avatars and facilitating navigation, high scores in presence are achieved during the simulations. This provides an ideal framework for developing collaborative virtual reality applications or emergency simulations that require participants to feel as if they were in real life.

En aquesta tesi, es presenta un conjunt d'estudis els resultats dels quals ens han permès analitzar com millorar el realisme, la navegació i el comportament dels avatars en un entorn de realitat virtual immersiu. En les nostres simulacions, els participants han de realitzar una sèrie de tasques i hem analitzat dades perceptives i de comportament mentre les feien. Els resultats dels estudis ens han permès deduir quines millores són necessàries per a ser incorporades a les simulacions originals, amb la finalitat de millorar la percepció del realisme, la tècnica de navegació, la representació dels avatars, el seu comportament o les seves animacions. La tècnica més fiable per simular el comportament dels avatars en un entorn de realitat virtual hauria de basar-se en l'estudi de com es comporten els humans dins de l¿entorn virtual. Per a aquest propòsit, és necessari construir entorns virtuals on els participants poden navegar amb seguretat i comoditat amb una metàfora adequada i, si l¿entorn està poblat amb avatars, simular el seu comportament amb precisió. Tots aquests aspectes junts fan que els participants es comportin d'una manera més pròxima a com es comportarien en el món real. A més, la integració d'aquests conceptes podria proporcionar una plataforma ideal per desenvolupar diferents tipus d'aplicacions amb i sense realitat virtual col·laborativa com simulacions d'emergència, ensenyament, arquitectura o disseny. En la primera contribució d'aquesta tesi, vam realitzar un experiment per estudiar la presa de decisions durant una evacuació. Estàvem interessats a avaluar en quina mesura el comportament d'una multitud virtual pot afectar les decisions dels participants. A partir de la segona contribució, en la qual estudiem la percepció del realisme amb robots i humans que realitzen només una animació de caminar o bé realitzen diverses animacions, vam arribar a la conclusió que la combinació de tenir avatars semblants als humans amb animacions variades pot augmentar la percepció del realisme general de la simulació de la multitud, les seves trajectòries i animacions. L'estudi preliminar presentat en la tercera contribució d'aquesta tesi va demostrar que la representació realista de l¿entorn i dels avatars no semblen augmentar la percepció del realisme en els participants, que és coherent amb treballs presentats anteriorment. Els resultats preliminars de la nostra contribució de walk-in-place van mostrar una transició suau i natural entre les metàfores de walk-in-place i caminar normal. El nostre sistema va proporcionar una funció de mapatge de velocitat que s'assembla molt al caminar natural. Hem observat a través d'un estudi pilot que el sistema redueix amb èxit el motion sickness i millora la immersió. Finalment, els resultats de la contribució relacionada amb locomoció en realitat virtual col·laborativa van mostrar que el sincronisme de l'animació i el so dels avatars que representen els participants no semblen tenir un fort impacte en termes de presència i sensació de control de l'avatar. No obstant això, en el nostre experiment, la incorporació d'animacions naturals i el so de passos va donar lloc a valors de clearance més petits en RV que treballs anteriors ja publicats. L'objectiu principal d'aquesta tesi ha estat millorar els diferents factors relacionats amb experiències de realitat virtual immersiva per fer que els participants se sentin més còmodes en l'entorn virtual. Aquests factors inclouen el comportament i l'aparença dels avatars i la navegació a través de l'entorn virtual. En augmentar el realisme dels avatars i facilitar la navegació, s'aconsegueixen altes puntuacions en presència durant les simulacions. Això proporciona un marc ideal per desenvolupar aplicacions col·laboratives de realitat virtual o simulacions d'emergència que requereixen que els participants se sentin com si estiguessin en la vida real