0´ECOLE DOCTORALE SCIENCES ET M´ETIERS DE L’ING´ENIEUR [LISPEN- Campus de Cluny]0TH ` ESE0pr´esent´ee par : Th´eo COMBE0soutenue le : 13 D´ecembre 20220pour obtenir le grade de : Docteur d’HESAM Universit´e0pr´epar´ee `a : ´ Ecole Nationale Sup´erieure d’Arts et M´etiers0Sp´ecialit´e : Informatique0虚拟沉浸中的用户体验：CAVE和HMD的相似感知的研究0TH ` ESE dirig´ee par : M.MERIENNE Fr´ed´eric0et co-encadr´ee par : MmeOVTCHAROVA Jivka M.CHARDONNET Jean-R´emy0评审委员会：0M. Daniel MESTRE Directeur de Recherche ISM, Aix-Marseille Universit´e 主席0M. Thierry DUVAL Professeur des Universit´es IMT Atlantique 评审人0Mme Franca GIANNINI Directrice de Recherche IMATI, CNR (Italie) 评审人0M. Gerrit MEIXNER Professeur Heilbronn University (Allemagne) 评审人0M. Fr´ed´eric MERIENNE Professeur des Universit´es LISPEN, Arts et M´etiers考官0M. Jean-R´emy CHARDONNET Maˆıtre de Conf´erences HDR LISPEN, Arts etM´etiers考官0Mme Jivka OVTCHAROVA Professeure IMI, KIT (Allemagne) 考官30致谢0首先，我要非常感谢我的论文导师，Fr´ed´eric MERIENNE教授和Jean-R´emy CHARDONNET教授。0Jivka OVTCHAROVA和导师Jean-Remy CHARDONNET博士，感谢他们的帮助和支持。0在这三年里，他们一直都很愿意和我讨论，即使在困难的时候也表现出了开放的态度。0耐心和理解。他们给了我建议和支持，没有他们我永远不会做到。0我估计自己很幸运能够在他们的指导下工作，希望我能有机会与他们再次合作。0希望将来能与他们合作。0我还要感谢Thierry DUVAL教授，Franca GIANNINI教授和Gerrit MEIXNER教授。0为了能够成为我的论文评审委员会的一员，我要感谢Daniel MESTRE的同意。0参加我的论文评审委员会，并为他在科学上的参与以及他为此付出的时间表示感谢。0我的研究。0我感谢“KIT IMI”和“Institut Arts et M´etiers”的每一位成员对我的支持。我特别感谢。0感谢Victor H¨afner在PolyVR和开发方面的帮助和支持，Paulina H¨afner，Anjela。0Mayer，Matthes Elstermann，Mikhail Langovoy，Felix Michels，Andreas Kimmig和Thomas Mayer。0感谢我们有趣的讨论和支持，非常感谢。0我还要感谢在法国的所有同事们，特别是在Institut Image G´eraldine Roux，Thomas Lamy。0Remy Malin，Ruding Lou，Julien Ryard，Solene Neyret，Aylen Ricca和Christophe Guillet，感谢他们的。0在法国期间，感谢他们的倾听和帮助，谢谢。0非常感谢我的博士同事们的讨论、精神支持和欢笑，Yuyang Wang。0我与他们共度了博士期间的2年，Gr´egoire Mompeu，Mahdiyehsadat Mossavi，Azadeh Hadai。0D´eborah Lebert, Klein Guillaume, Ali Oalayan和Val´erian Faure。0最后，我要真诚地感谢我的家人和朋友们。0我感谢与我分享学习经历的所有人，特别是在这些论文写作的几年里。40致谢50摘要0这篇博士论文的标题是“虚拟沉浸中的用户体验：CAVE和HMD的相似感知的研究0在CAVE和HMD中的相似感知”。该项目始于2019年10月，由两个学校共同指导。0两个研究实验室，LISPEN（物理和数字系统工程实验室）0和IMI（工程信息管理研究所）分别属于ENSAM0（法国国立高等工艺学院）和KIT（卡尔斯鲁厄理工学院）0在德国，这项工作由MERIENNE Fr´ed´eric教授和CHARDONNET博士监督0Jean-R´emy和OVTCHAROVA Jivka教授。本论文旨在比较两种不同的设备，一种是0CAVE自动虚拟环境和头戴式显示器。我们从以下问题开始0陈述：'CAVE自动虚拟环境和沉浸式现实头盔是两种不同的0技术。然而，它们的差异可能会影响用户体验。0用户体验。为了研究这个陈述，我们提出了两个研究问题：CAVE和0头戴式显示器提供了不同的用户体验吗？以及：'是否可能有类似的用户0这两种不同技术的体验？'我们的目标是探索CAVE-HMD0可能会影响用户行为和体验的差异。为了回答这些研究问题，我们0构建实验，重点是两种设备之间的基本差异，即差异0来自设备特性的差异。我们进行了四个实验，针对四个不同的特征。0第一个实验旨在研究设备重量的差异。实际上，佩戴的重量可能会影响0在行走时所感知到的距离；HMD的重量范围从500克到1000克，而CAVE的佩戴0重量小于100克；因此，HMD和屏幕之间的佩戴重量比例为x5到x100第二个实验关注眼睛和屏幕之间的距离差异。使用HMDs，0屏幕离眼睛更近（在物理上、光学上，大约是两米远），但对于CAVEs来说，0屏幕之间的距离更远。此外，用户可以在CAVE中移动，因此可以靠近或远离0从屏幕上改变虚拟物体的渲染位置（即在屏幕后面、屏幕上或屏幕前面）。此外，我们的大脑使用视觉线索和眼睛反应，如influence perception. The third explored the difference between FOV (field of view) and FOR (Fieldmatter the devices, but both present accurate results for longer distances. Interestingly we did not finda significant difference in head rotation between devices, while, for the task designed, participants tookmore time to complete the whole application within the CAVE. We suppose that the time variationmight originate from the time taken by participants to rotate in the CAVE. User feedbacks are firmlyin favour of HMDs. The use of HMD is more natural, they can turn their heads, controls are moremanageable, and the fact that boundaries are visible came as a disturbing point for the second display.From these results, we provide advice and guidelines on which device should be used according to theapplication’s needs in terms of navigation, interaction, or user experience (time completion, feeling,motivation, cybersickness)Keywords: Virtual Reality, CAVE, HMD, User experience, distance perception.60摘要0影响感知。第三个实验探讨了视野（FOV）和视野（FOR）之间的差异0用于估计距离或大小的调节和聚合。因此，眼睛和屏幕之间的距离可能会0对于HMDs，我们得到了平均360°的视野和110°的视角，而CAVEs的视野则是270°（或更少）0FOR和最多220°的FOV。CAVEs中的头部旋转受到限制，使得某些特定任务0比如探索一个狭窄的环境，要求用户经常转动视角0更加困难，从而影响用户体验和行为。最后一个实验关注的是0关于晕动病的研究已经有很多文献，但是对于HMD设备的研究并不多0与CAVEs一起进行。据我们所知，还没有研究在这个特定主题上比较这两个系统。我们0开发了一个应用程序来诱导一些晕动病程度，以比较两种设备。我们的研究结果0显示在三米以内的距离上，步行距离的感知没有显著差异。因此，0在CAVE中，HMD的重量可以忽略不计，对于不需要的应用程序可以忽略不计0需要物理位移超过三米。较短的距离更难以重现，没有R´esum´eLe sujet de ce doctorat est “L’exp´erience utilisateur en immersion virtuelle : une ´etude des facteursd’´echelle pour une perception similaire dans un CAVE et dans un HMD”. D´emarr´e en octobre 2019dans le cadre d’une cotutelle entre deux laboratoires de recherche, le LISPEN (Laboratoire d’Ing´enieriedes Syst`emes Physiques et Num´eriques) et l’IMI (Institut f¨ur Informationsmanagement im Ingenieur-wesen), appartenant respectivement `a l’ENSAM (Ecole Nationale Sup´erieure des Arts et M´etiers) enFrance et au KIT (Karlsruhe Institute of Technology) en Allemagne, ce travail a ´et´e r´ealis´e sous lasupervision du Pr. MERIENNE Fr´ed´eric, Dr. CHARDONNET Jean-R´emy et Pr. OVTCHAROVAJivka. Cette th`ese a pour but de comparer deux dispositifs diff´erents, les CAVEs (CAVE AutomaticVirtual Environment) et les casques de r´ealit´e immersive. Nous sommes partis de l’affirmation suiv-ante : “Un CAVE et un casque de r´ealit´e immersive sont deux technologies diff´erentes permettanttoutes deux l’immersion dans un environnement virtuel”. Cependant, leurs diff´erences pourraient in-fluencer l’exp´erience de l’utilisateur. Pour ´etudier cette affirmation, nous avons pos´e deux questionsde recherche : Un CAVE et un casque de r´ealit´e immersive offrent-ils des exp´eriences utilisateur dif-f´erentes ? Et : ’Est-il possible d’avoir une exp´erience utilisateur similaire avec ces deux technologies ?’.Nos objectifs ´etaient d’explorer les diff´erences CAVE-HMD qui pourraient influencer le comportementet l’exp´erience de l’utilisateur. Pour r´epondre `a ces questions de recherche, nous avons construit desexp´eriences pour nous concentrer sur les diff´erences fondamentales entre les deux dispositifs, c’est-`a-dire les diff´erences provenant des caract´eristiques du dispositif. Nous avons r´ealis´e quatre exp´eriencessur quatre caract´eristiques distinctes.Le sujet de la premi`ere portait sur les diff´erences de poids entre les dispositifs. En effet, le poidsport´e peut influencer la distance parcourue per¸cue lors de la marche ; le poids des HMD varie entre500 et 1000 g, tandis que le poids des lunettes port´ees dans un CAVE est inf´erieur `a 100 g ; nous avonsdonc un rapport de 5 `a 10 fois pour le poids port´e entre les HMD et les CAVE. La deuxi`eme exp´erience7R´ESUM´Eportait sur la diff´erence entre les distances œil-´ecran. Avec les HMD, les ´ecrans sont plus proches desPour les HMD, nous avons un FOR de 360° et un FOV de 110°, en moyenne, contre 270° (ou moins)limites physiques soient visibles a ´et´e un point perturbant pour le deuxi`eme affichage pour certains80对于眼睛来说（物理上，光学上，它们大约在两米处），但对于CAVE，屏幕是物理上更远的0此外，用户可以在CAVE中移动，因此可以在屏幕后面、屏幕上或屏幕前移动0用户可以靠近或远离屏幕，这会改变虚拟对象相对于屏幕的呈现方式0此外，我们的大脑使用了一些线索，如透视和大小，因此眼睛与屏幕的距离可能会影响感知0通过视觉和眼动反应，如调节和聚焦，来估计距离和尺寸0对于HMD，我们的FOR平均为360°，FOV为110°，而对于CAVE，FOR为270°（或更少）0本研究旨在探讨视野范围（FOV）和观察范围（FOR）之间的差异0对于CAVE，视野范围为180°至220°。因此，CAVE中的头部旋转受到限制0这使得某些任务更加困难，例如探索狭窄的环境0对于用户来说，他们需要经常转动视线，这可能会影响他们的体验和行为0晕动感是我们研究的因素。在HMD中，晕动感是一个问题，但在CAVE中可以忽略不计0与HMD设备相比，CAVE设备在这方面有很多文献，但是没有与之相比较的研究0迄今为止，没有研究比较这两种系统0我们开发了一个应用程序，以引发一定程度的晕动感，以便进行特定级别的研究0我们的结果表明，在这个问题上，两种设备没有显著差异0对于距离为三米以内的感知步行距离是准确的。因此，CAVE中的旋转受到限制0对于不需要精确测量的应用程序，HMD中的视差可以忽略不计，而在CAVE中则不然0在大多数使用情况下，超过三米的物理移动是有效的0对于这些设备来说，短距离的物体移动更加困难0无论是哪种设备，都可以准确评估，但对于较长距离，两者都提供了准确的结果0有趣的是，我们没有发现在CAVE中完成整个应用程序所花费的时间有显著差异0对于旋转头部的任务，参与者花费的时间更长，而对于设计的任务，参与者花费的时间更短0用户的评论一致认为头戴式显示器更好。使用HMD的用户体验更好0CAVE中的旋转可能是参与者完成任务所花费的时间0对于第二个显示屏，物理限制是可见的，这对某些用户来说是一个干扰因素0HMD的使用更加自然，用户可以转动头部，控制更加灵活，而在CAVE中，用户需要转动头部0根据这些结果，我们提供了关于用户体验和远程感知的建议和指导90摘要0根据应用程序的导航，交互或其他需求来使用设备0用户体验的关键指标（完成时间，情感，动机，晕动感）0关键词：虚拟现实，CAVE，HMD，用户体验，远程感知100摘要ContentsAcknowledgements3Abstract5R´esum´e7Introduction191Research background251.1Virtual reality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251.1.1Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251.1.2History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271.1.3Current research topics in VR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .351.1.4Hardwares (HMD/CAVE/Smartphone). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .381.2Interaction in Virtual Reality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .421.2.1Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .421.2.2Interaction with objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .421.2.3Movement within the virtual environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .431.2.4Other ways to interact with virtual environments . . . . . . . . . . . . . . . . .451.3Perception in virtual reality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .461.3.1Differences between virtual and real environments. . . . . . . . . . . . . . . .4711CONTENTS1.3.2Cybersickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .491.3.3User experience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .561.4Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .582User Experience and CAVE vs HMD592.1The MAUVE method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .592.1.1VE system interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .612.1.2VE user interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .642.2CAVE versus HMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .672.2.1Visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .672.2.2Interaction and Navigation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .692.2.3Presence and Immersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .712.2.4Usefulness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .722.3Scientific issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .742.3.1Cybersickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .742.3.2User behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .752.3.3Synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .762.3.4Research questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .782.3.5Key factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .793Experimental Approach and Experiments813.1Device Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .813.1.1BlueLemon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .813.1.2Immersive CAVE room at the CRVM in Marseille. . . . . . . . . . . . . . . .823.1.3Head-mounted display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .823.2Impact of device weight on distance travel estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .843.2.1Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8412CONTENTS3.2.2Research questions and hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .853.2.3Experiment design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .863.2.4Results: Impact of weight on distance travel estimation. . . . . . . . . . . . .873.2.5Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .883.3Device impact in a navigation application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .893.3.1Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .893.3.2Research questions and hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .903.3.3Experiment design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .913.3.4Results: Device impact in a navigation application . . . . . . . . . . . . . . . .923.3.5Discussion and Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .973.4Impact of eye-screens distance for interaction distance estimation . . . . . . . . . . . .983.4.1Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .983.4.2Research questions and hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .983.4.3Experiment design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .993.4.4Results: Interaction distance estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1003.4.5Discussion and Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1013.5Which device to use to limit cybersickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1033.5.1Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1033.5.2Research questions and hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1033.5.3Experiment design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1043.5.4Results: Which device to limit cybersickness. . . . . . . . . . . . . . . . . . .1053.5.5Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1073.5.6Discussion and Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1073.6Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108Conclusion11113CONTENTSBibliography115Annexe1354Annexes1374.1Questionnaire for navigation experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1374.2Questionnaire for cybersickness experiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137Acronyms147Partie Fran¸caise1494.3Resum´e Fran¸cais 10% : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14914List of Tables1List of the differences between CAVE and HMD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211.1Virtual Reality helmets specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311.2Navigation techniques comparison. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .462.1Differences between HMDs and CAVE system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .773.1HTC vive Pro and Quest 2 specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .833.2Distance asked, error means to target distance and standard deviations. . . . . . . .873.3Navigation experiment, Mann-Whitney on VRSQ items. . . . . . . . . . . . . . . . .943.4Experiment 2 mean and standard error for the distance error in percentage for themodality×distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1013.5Mann-Whitney test results for each item of the VRSQ . . . . . . . . . . . . . . . . . .10615LIST OF TABLES16List of Figures1Lecture plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241.1Chapter 1, structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .261.2Stereoscopic devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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