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Towards Balancing Fun and Exertion in Exergames: Exploring the Impact of Movement-Based Controller Devices, Exercise Concepts, Game Adaptivity and Player Modes on Player Experience and Training Intensity in Different Exergame Settings

Martin-Niedecken, Anna Lisa (2021):
Towards Balancing Fun and Exertion in Exergames: Exploring the Impact of Movement-Based Controller Devices, Exercise Concepts, Game Adaptivity and Player Modes on Player Experience and Training Intensity in Different Exergame Settings. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00014186,
[Ph.D. Thesis]

Available under CC-BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution Share-alike.

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Towards Balancing Fun and Exertion in Exergames: Exploring the Impact of Movement-Based Controller Devices, Exercise Concepts, Game Adaptivity and Player Modes on Player Experience and Training Intensity in Different Exergame Settings
Language: English

Physical inactivity remains one of the biggest societal challenges of the 21st century. The gaming industry and the fitness sector have responded to this alarming fact by introducing game-based or gamified training scenarios and thus established the promising trend of exergaming. Exergames – games controlled by active (whole) body movements – have been extolled as potential attractive and effective training tools. However, the majority of the exergames do not meet the required intensity or effectiveness, nor do they induce the intended training adherence or long-term motivation. One reason for this is that the evaluated exergames were often not co-designed with the user group to meet their specific needs and preferences, nor were they co-designed with an interdisciplinary expert team of game designers (to ensure a good gaming experience) and sports scientists (for a great training experience). Accordingly, the research results from studies with these exergames are rather limited.

To fully exploit the potential of these innovative movement tools and to establish them as attractive and effective training approach, it is necessary to understand and explore both the underlying interdisciplinary theories and concepts as well as possible design approaches and their impact on the game and training experience. This dissertation aims to contribute to a better understanding of well-balanced exergame design. It explores and evaluates how different movement-based control devices, exercise concepts, game adaptations, and player modes influence the attractiveness and effectiveness of exergames. The work provides theoretical and practical contributions to the problem area of effective and attractive exergames. For this purpose, a research and development (R&D) approach with iterative phases was followed.

As preliminary work for the contributions of this dissertation, exergames were approached from a theoretical perspective. Underlying multidisciplinary theories and concepts of exergames from relevant fields were analyzed and a generic framework was built, which structured the findings based on three interdependent dimensions: the player, the game controller, and the virtual game scenario. Some commercially available exergames were explored to verify the theory-based assumption that the interposition of technology brings specific transformations in the coupling of perception and action that do not occur in real sports situations. Among other things, the comparative pilot study showed that two different controllers (one gesture-based and one haptic device), which allowed for different physical input, were likely to induce diverse gameplay experiences (e.g., higher feeling of flow and self-location when playing with the haptic device) with differently skilled players. However, certain design-specific differences in the two exergame conditions meant that these results could only be interpreted as a first trend.

To overcome the limitations of this preliminary study approach (e.g., unequal game design of the commercial exergames and very sports-specific movement concept), Plunder Planet, an adaptive exergame environment, was iteratively designed with and for children and allowed for a single- and cooperative multiplayer experience with two different controller devices. The user-centered design was further informed by insights from the growing body of related R&D work in the field of exergames. The first study presented in this dissertation compared the subjectively experienced attractiveness and effectiveness of Plunder Planet when played with different motion-based controllers. Besides a generally great acceptance of the exergame, it was found that the haptic full-body motion controller provided physical guidance and a more cognitively and coordinatively challenging workout, which was more highly rated by experienced gamers with fewer athletic skills. The gesture-based Kinect sensor felt more natural, allowed more freedom of movement, and provided a rather physically intense but cognitively less challenging workout, which was more highly rated by athletic players with less gameplay experience. Furthermore, experiments were made with an exploratory adaptive algorithm that enabled the cognitive and the physical challenge of the exergame to be manually adapted in real-time based on the player’s fitness and gaming skills. The first and the second study also compared an adaptive with a non-adaptive single player version of Plunder Planet. It could be shown that the (well-balanced) adaptive version of the exergame was better valued than the non-adaptive version with regard to the experienced and measured attractiveness (motivation, game flow, spatial presence experience, balance of cognitive and physical challenge) and effectiveness (heart rate, physical exertion, balance of cognitive and physical challenge) by differently skilled players. Finally, and contrary to the findings from related work, the results of the third study proved that the specifically designed controller technology could be used as an “enabler”, “supporter” and “shaper” of bodily interplay in social exergaming.

Based on these promising findings, the goal became to further explore the effectiveness of exergames, refine the adaptive game difficulty algorithm, and explore further attractiveness- and motivation-boosting design approaches. Therefore, the ExerCube, a physically immersive and adaptive fitness game setting, was developed. It was iteratively designed with and for adults and allowed for cooperatively and competitive exergame experiences. With its physically immersive game setup, the ExerCube combines a mixed version of the advantages of both previously tested controllers. A coordinatively and cognitively challenging functional workout protocol with scalable intensity (moderate to high) was developed and the subjective experience of the ExerCube training was compared with a conventional functional training with a personal trainer. The fourth study showed that the game-based training gave signs of reaching a similar intensity to the personal training, but was more highly rated for flow, motivation, and enjoyment. Based on this exploratory comparison of the ExerCube with a personal trainer session, valuable avenues for further design could be identified. Among other things, it could be proved that the player’s focus during the ExerCube session was more on the game than on the own body. Players experienced stronger physical exertion and social pressure with the personal trainer and a stronger cognitive exertion and involvement with the ExerCube. Furthermore, a refined version of the previously tested adaptive game difficulty algorithm was implemented and automated for the first time for purpose of this study. Again it was shown that the adaptive version had benefits with regard to subjectively experienced attractiveness (motivation, game flow, balance of cognitive and physical challenge) and effectiveness (physical exertion, balance of cognitive and physical challenge) compared to the non-adaptive version. In order to further enhance the gaming experience, experiments were also conducted with sound designs and an adaptive audio design with adaptive background music and sound feedback was implemented. It was found to be a promising and beneficial add-on for a user-centered attractive exergame design. To inform the design of a multiplayer version of the ExerCube, different social play mechanics were explored in the fifth study. This resulted in differently balanced experiences of fun, and in physical as well as cognitive exertion. As the preliminary comparative evaluation of the subjectively experienced effectiveness and attractiveness of an ExerCube session and a personal trainer session could prove the general feasibility of the concept and revealed the first indications of the intensity of the ExerCube’s training concept, the objectively measured effectiveness of a single ExerCube session with a functional high-intensity interval training (fHIIT) with a personal trainer was compared in a final sixth study, and after another design iteration. Again, the subjectively experienced attractiveness of both conditions was assessed. It could be shown that the ExerCube is a feasible training device for training at fHIIT-level. While physical exertion was slightly lower than in the conventional fHIIT condition, the ExerCube condition’s average heart rate values reached the fHIIT threshold and also yielded significantly better results for flow, enjoyment, and motivation. The ExerCube training also resulted in a subjectively experienced higher cognitive load (dual-domain training).

To sum up, it can be stated that this dissertation provides valuable and fundamental research contributions to the promising field of exergames as attractive and effective training tools. Furthermore, important contributions to design questions in this field could be developed. Since this field is still relatively unexplored, the work presented creates a sound basis for future R&D work in this area.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Bewegungsmangel ist nach wie vor eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Die Spieleindustrie und die Fitnessbranche haben auf diese alarmierende Tatsache mit der Einführung spielbasierter oder gamifizierter Trainingsszenarien reagiert und damit den vielversprechenden Trend des Exergamings etabliert. Exergames – Spiele, die durch aktive (Ganz-) Körperbewegungen gesteuert werden – wurden als potenziell attraktive und effektive Trainingswerkzeuge angepriesen. Allerdings erreicht die Mehrzahl der Exergames weder die geforderte Intensität oder Effektivität, noch induzieren sie die beabsichtigte Trainingsadhärenz oder Langzeitmotivation. Ein Grund dafür ist, dass die evaluierten Exergames oftmals weder unter Berücksichtigung spezieller Anforderungen und Präferenzen der jeweiligen Zielgruppen entwickelt noch mit dieser co-designt wurden. Ebenfalls wurde häufig nicht mit einem interdisziplinären Expertenteam bestehend aus Game Designerinnen und Designern (für ein gutes Spielerlebnis) sowie Sportwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern (für ein gutes Trainingserlebnis) zusammengearbeitet. Die Forschungsergebnisse aus Studien mit diesen Exergames sind dementsprechend limitiert.

Um das Potenzial dieser innovativen Trainingsgeräte voll auszuschöpfen und sie als attraktiven und effektiven Trainingsansatz zu etablieren, ist es notwendig sowohl die zugrundeliegenden interdisziplinären Theorien und Konzepte als auch mögliche Designansätze und deren Auswirkungen auf die Spiel- und Trainingserfahrung zu verstehen und zu erforschen. Diese Dissertation soll zu einem besseren Verständnis von gut ausbalanciertem Exergame-Design beitragen. Sie exploriert und evaluiert, wie unterschiedliche bewegungsbasierte Steuerungsgeräte, Bewegungskonzepte, Spieladaptionen und Spielermodi die Attraktivität und Effektivität von Exergames beeinflussen. Die Arbeit liefert theoretische und praktische Beiträge zum Problemfeld effektiver und attraktiver Exergames. Dazu wurde ein Forschungs- und Entwicklungsansatz (F&E) mit iterativen Phasen verfolgt.

Als Vorarbeit für die Beiträge dieser Dissertation wurden Exergames zunächst aus einer theoretischen Perspektive betrachtet. Die grundlegenden multidisziplinären Theorien und Konzepte aus relevanten Bereichen wurden analysiert und ein generisches Rahmenmodell entwickelt, das die gewonnenen Erkenntnisse anhand von drei voneinander abhängigen Dimensionen gliederte: dem Spieler bzw. der Spielerin, dem Spielcontroller und dem virtuellen Spielszenario. Anschließend wurden kommerziell erhältliche Exergames untersucht, um die theoriegeleitete Annahme zu prüfen, dass die Interposition von Technologie spezifische Transformationen in der Kopplung von Wahrnehmung und Handlung hervorruft, die in realen Sportsituationen nicht existieren. Die vergleichende Pilotstudie konnte unter anderem zeigen, dass zwei verschiedene Controller (ein gestenbasiertes und ein haptisches Gerät), die jeweils andere physische Bewegungseingaben ermöglichten, unterschiedliche Spielerfahrungen (z.B. ein besseres Flow- und Selbstverortungserlebnis mit der haptischen Steuerung) bei Spielerinnen und Spielern mit unterschiedlichen Fähigkeiten induzierten. Aufgrund designspezifischer Unterschiede in den beiden Exergame-Bedingungen konnten diese Ergebnisse jedoch nur als ein erster Trend interpretiert werden.

Um bestehende Limitationen des vorangegangenen Studienansatzes zu überwinden (z.B. das ungleiche Spieldesign der kommerziellen Exergames und ein sehr sportartspezifisches Bewegungskonzept), wurde Plunder Planet konzipiert, eine adaptive Exergame-Umgebung, die iterativ mit und für Kinder entwickelt wurde und ein Einzel- sowie kooperatives Mehrspielererlebnis mit zwei verschiedenen Controller-Geräten ermöglichte. Das nutzerzentrierte Design wurde zudem basierend auf Erkenntnissen aus der wachsenden Zahl thematisch relevanter F&E-Arbeiten erweitert. Die erste Studie dieser Dissertation verglich die subjektiv erlebte Attraktivität und Effektivität von Plunder Planet beim Spielen mit verschiedenen bewegungsbasierten Controllern. Neben einer allgemein großen Akzeptanz des Exergames konnte festgestellt werden, dass die haptische Ganzkörperbewegungssteuerung eine physische Orientierung sowie ein kognitiv und koordinativ herausforderndes Training bot, das von erfahrenen Spielerinnen und Spielern mit geringer ausgeprägten sportlichen Fähigkeiten besser bewertet wurde. Der gestenbasierte Kinect-Sensor fühlte sich hingegen natürlicher an, erlaubte eine höhere Bewegungsfreiheit und bot ein körperlich intensiveres, aber kognitiv weniger herausforderndes Training, das von sportlichen Spielerinnen und Spielern mit weniger Spielerfahrung besser bewertet wurde. Darüber hinaus wurde mit einem explorativen adaptiven Algorithmus experimentiert, der es ermöglichte, die kognitive und physische Herausforderung des Exergames in Echtzeit und auf Grundlage der Fitness und Spielfähigkeiten der Spielerinnen und Spieler manuell anzupassen. Die erste und die zweite Studie verglichen außerdem eine adaptive mit einer nicht-adaptiven Einzelspielerversion von Plunder Planet. Es konnte gezeigt werden, dass eine (gut ausbalancierte) adaptive Version des Exergames hinsichtlich der subjektiv erlebten Attraktivität (Motivation, Spielfluss, räumliche Präsenzerfahrung, Balance zwischen kognitiver und physischer Herausforderung) und Effektivität (körperliche Anstrengung, Balance zwischen kognitiver und physischer Herausforderung) von unterschiedlichen Spielertypen besser bewertet wurde als die nicht-adaptive Version. Schließlich konnte entgegen der Erkenntnisse anderer Arbeiten in der dritten Studie gezeigt werden, dass die speziell entwickelte Controller-Technologie als „Enabler“, „Supporter“ und „Shaper“ des körperlichen Zusammenspiels beim sozialen Exergaming eingesetzt werden kann.

Basierend auf diesen Erkenntnissen war nachfolgend das Ziel, die Effektivität von Exergames weiter zu explorieren, den Algorithmus für adaptive Spielschwierigkeiten zu optimieren und weitere attraktivitäts- und motivationsfördernde Designansätze zu erforschen. Dazu wurde der ExerCube entwickelt, eine physisch-immersive und adaptive Fitnessspielumgebung, die iterativ mit und für Erwachsene konzipiert wurde und sowohl kooperative als auch kompetitive Exergame-Erlebnisse ermöglichte. Mit seiner physisch-immersiven Spielumgebung kombiniert der ExerCube verschiedene Vorteile der beiden zuvor getesteten Controller-Technologien. In der vierten Studie wurde ein koordinativ und kognitiv herausforderndes, funktionelles Trainingsprotokoll mit skalierbarer Intensität (moderate bis hohe Intensität) entwickelt und das subjektive ExerCube-Erlebnis mit einem funktionellen Intervalltraining mit einem Personal Trainer verglichen. Die Machbarkeit des spielbasierten Trainings konnte belegt werden und Indizien auf eine vergleichbare Intensität wie beim Personal Training sowie bessere Bewertungen des Flows, der Motivation und des Vergnügens gefunden werden. Auf der Grundlage des Vergleichs des ExerCubes mit einer Personal Trainer-Einheit konnten darüber hinaus wertvolle Anknüpfungspunkte für weiterführende Designs identifiziert werden. Unter anderem konnte nachgewiesen werden, dass der Fokus der Spielerinnen und Spieler während des ExerCube-Trainings stärker auf das Spiel als auf den eigenen Körper gerichtet war. Die Spielerinnen und Spieler erlebten eine intensivere körperliche Anstrengung und sozialen Druck mit dem Personal Trainer sowie eine stärkere kognitive Anstrengung und Involvierung mit dem ExerCube. Darüber hinaus wurde eine optimierte Version des bereits zuvor getesteten Algorithmus für adaptive Spielschwierigkeiten implementiert und für diese Studie erstmalig automatisiert. Wiederholt konnte nachgewiesen werden, dass die adaptive Version im Vergleich zur nicht-adaptiven Version Vorteile bezüglich der subjektiv erlebten Attraktivität (Motivation, Spielfluss, Gleichgewicht zwischen kognitiver und körperlicher Herausforderung) und Effektivität (körperliche Anstrengung, Gleichgewicht zwischen kognitiver und körperlicher Herausforderung) hatte. Um das Spielerlebnis weiter auszubauen wurden außerdem Experimente mit spezifischen Sound Designs durchgeführt und ein adaptives Audio-Design samt adaptiver Hintergrundmusik und Sound-Feedback implementiert. Dies erwies sich als vielversprechender und vorteilhafter Zusatz für ein nutzerzentriertes, attraktives Exergame-Design. Anschließend wurden in der fünften Studie verschiedene soziale Spielmechanismen exploriert, um so das Design einer Mehrspielerversion des ExerCubes zu inspirieren. Diese resultierten in unterschiedlich ausgewogenen Erlebnissen von Spaß und körperlicher sowie kognitiver Anstrengung bei den Probanden. Da die vorangegangene vergleichende Studie der subjektiv empfundenen Effektivität und Attraktivität einer ExerCube-Session mit einer Personal Trainer-Einheit die generelle Durchführbarkeit des Konzepts nachweisen konnte und erste Hinweise einer vergleichbaren Intensität des ExerCube-Trainingskonzepts gefunden wurden, wurde nach einer weiteren Design-Iteration in einer abschließenden sechsten Studie die objektiv gemessene Effektivität einer ExerCube-Session mit der einer einzelnen Session eines funktionellen, hochintensiven Intervalltrainings (fHIIT) mit einem Personal Trainer verglichen. Dabei wurde zusätzlich wieder die subjektiv empfundene Attraktivität beider Bedingungen evaluiert. Es konnte gezeigt werden, dass der ExerCube ein praktikables Trainingsgerät für ein Training auf fHIIT-Niveau ist. Während die körperliche Anstrengung etwas geringer war als bei der konventionellen fHIIT-Einheit, erreichten die durchschnittlichen Herzfrequenzwerte in der ExerCube-Session die fHIIT-Schwelle und führte verglichen zur Personal Trainer-Session zu signifikant besseren Ergebnissen für Flow, Vergnügen und Motivation. Das ExerCube-Training führte zudem zu einer subjektiv erlebten, höheren kognitiven Belastung (Dual-Domain-Training).

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass diese Dissertation wertvolle und grundlegende Forschungsbeiträge zum vielversprechenden Feld der Exergames als attraktive und effektive Trainingsinstrumente liefert. Darüber hinaus konnten wichtige Beiträge zu Designfragen in diesem Gebiet erarbeitet werden. Da dieses Gebiet noch weitestgehend unerforscht ist, schafft die vorliegende Arbeit eine solide Grundlage für zukünftige F&E-Arbeiten in diesem Bereich.

Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 137 Seiten
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
100 Philosophie und Psychologie > 150 Psychologie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
700 Künste und Unterhaltung > 793 Spiel
700 Künste und Unterhaltung > 796 Sport
Divisions: DFG-Graduiertenkollegs > Research Training Group 1343 Topology of Technology
03 Department of Human Sciences > Institut für Sportwissenschaft > Bewegungswissenschaft
03 Department of Human Sciences > Institut für Sportwissenschaft > Sportinformatik
Date Deposited: 07 Jul 2021 12:01
Last Modified: 07 Jul 2021 12:01
DOI: 10.26083/tuprints-00014186
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-141864
Referees: Wiemeyer, Prof. Dr. Josef ; Hänsel, Prof. Dr. Frank
Refereed: 11 February 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14186
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