Facilitating and Evaluating User Behavior In Virtual 3D Environments

Mgr. et Mgr. Pavel Ugwitz, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Jakákoliv výzkumná/experimentální činnost musí pro zachování své vědeckosti, verifikovatelnosti a replikovatelnosti zohlednit specifika studovaných fenoménů a zvolených měřících nástrojů. Výzkumné metody lze tradičně členit na základní a aplikované, kvalitativní a kvantitativní, explorativní či verifikativní. Další způsob kategorizace spočívá v zohlednění domény, v níž má výzkumná činnost probíhat -- ať již jde o fyzický prostor (žitý prostor bezprostředního okolí, či mikroprostor a makroprostor), imaginární prostor lidské mysli a jejích konstruktů, či třeba prostor produktů lidské činnosti a kreativity. Jednou takovou nehmotnou výzkumnou doménou je virtuální prostor, virtuální prostředí. Jaký přínos spočívá ve výzkumu virtuálních prostředí, a proč tyto zkoumat právě nyní? Lze namítnout, že virtuální prostory byly ve hledáčku vědy již od dob optických iluzí, popsaných na počátku dvacátého století, etablování počítačové grafiky jako vědního oboru v sedmdesátých letech, či od doby selhané, arkádovité "revoluce virtuální reality" let devadesátých. Za tuto dobu bylo jistě publikováno mnoho výzkumů; lze ale namítnout, že šlo převážně o základní výzkum či počiny s omezeným aplikačním potenciálem -- vzhledem k omezeným množnostem tehdejšího počítačového hardwaru. Zlomovým se stal až rok 2013, kdy došlo k vydání prvních novodobých zařízení pro virtuální realitu -- tento milník koincidoval s inkrementálním vývojem zobrazovacích a ovládacích zařízení, či obecně, s nástupem čtvrté industriální revoluce. Tato novodobá aplikabilita otevírá možnosti (a nutnosti!) výzkumu ve virtuálních prostředích. Tato práce exploruje zaužívané struktury virtuálních 3D prostředí, vykreslovaných v reálném čase -- tak, aby tyto bylo možno operacionalizovat, analyzovat, či využít. Provedené experimenty poskytují implementace nástrojů pro měření lidského chování, vč. zohlednění možností užití a verifikaci funkcionality na předkládaných experimentech samotných. Cílem práce je posun v metodologii behaviorálních výzkumů ve virtuálních prostředích -- a to jak na úrovni reportování a observace chování manifestovaného uživateli, tak s náznakem k parametrizaci a porozumění samotných prostředí, která by mohla zpětnovazebně determinovat chování uživatelů.

Abstract:

Conducting experimental research while considering the nuances of the studied phenomena & measurement tools has provided the case for the rigor of scientific methodology ever since there was a notion of science. Research methods can be categorized as basic and applied ones, qualitative and quantitative, explorative and verificative. Another way of separation lies in considering the research domain -- be it physical space (the surrounding space, the micro or the macro), the intangible realm of the human mind and its constructs, or perhaps the realm of arts and imagination. One of such research domains is the virtual space, virtual environments. Why study them? Why now? They have sort of been around since the time of early 20th century optical illusions, the establishment of computer graphics as a science in the 1970s, or the failed, arcade-ey virtual reality revolution of the 1990s. These periods have spawned plenty of research papers. However, virtual reality did not account for much during these times, generating mostly basic research and academic studies of little utility. Then, from 2013 on, a new era of virtual reality interfaces and computational devices dawned. This coincided with the advancement in other fields; from a broader perspective, this follows suit of the fourth industrial revolution. It is now relevant and needed to be able to conduct research in virtual environments; as in many subjects, the pros of its use simply outweigh the cons. This dissertation explores the structures of virtual 3D environments to operationalize and analyze them. The research provides tools to measure human behavior, along with discussing & demonstrating their use. Such is the purpose of this thesis -- to further the methodology in conducting behavioral research in virtual environments, along with going on a limb of striving to understand the features and behavioral implications of the environments themselves, as per picking up the hints exhibited by users behaving in said environments and searching for generalized conclusions.

Keywords

virtual environments, virtual reality, 3D modeling, user interaction, user movement, movement analysis, eye-tracking, eye-tracking analysis, virtuální prostředí, virtuální realita, 3D modelování, uživatelská interakce, užvatelský pohyb, analýza pohybu, analýza eye-trackingu

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 6. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 9. 9. 2022
• Supervisor: Mgr. Bc. Zdeněk Stachoň, Ph.D.
• Reader: Prof. Dr. Ioannis Giannopoulos, doc. Ing. Karel Janečka, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Cartography, geoinformatics and remote sensing / Cartography, geoinformatics and remote sensing