Being in Two Spaces: Investigating and Mitigating Spatial Conflicts in Virtual Reality

Virtual Reality (VR) allows people to immerse themselves in a computer-mediated environment. When interacting in VR, a person mainly sees the virtual environment and is visually disconnected from the physical space. However, this person is still physically interacting within the physical space—the experience of using VR occurs in two spaces. Simultaneously interacting with both the virtual and the physical space can lead to accidents, such as colliding with obstacles, like furniture or bystanders. Especially since VR technology has become more prominent in diverse physical spaces, such as during transportation, at home, or outdoors, the chance of accidents and collisions increases, negatively affecting the VR experience. I refer to this phenomenon as a spatial conflict caused by a misalignment between two spaces, disrupting the VR experience. To enhance the safety of VR interaction, more knowledge is needed to identify different types of spatial conflicts, understand how they form in the VR experience, and develop mitigation guidelines. I define two categories of spatial conflicts: (1) cognitive spatial conflicts which may occur in the cognitive process when a person updates spatial or body representations, and (2) action spatial conflicts which are caused by the actions of people while using VR. First, I conducted one lab study, demonstrating that cognitive spatial conflicts can occur when updating spatial representations and affect the sense of presence. Through one lab and two online studies, I showed that when experiencing a virtual body, cognitive spatial conflicts can negatively affect the judgment of body ownership. For action spatial conflicts, I investigated collisions with the physical space by identifying behaviors and reasons for how people interact with the VR safety boundary through an online survey and lab study. Further, I developed an interaction technique (FingerMapper) to reduce collisions while using VR in a confined physical space. Through a speculative design process, I explored how action spatial conflicts may occur in future VR scenarios and derived mitigation guidelines. Based on my findings, I discuss alternative types of conflicts, how to enhance VR safety, and implications for the definition of presence. Finally, I identify two major challenges for future research: mitigating spatial conflicts in collaborative VR scenarios and developing computational models to further understand cognitive strategies when people interact in two spaces. This thesis contributes a better understanding of spatial conflicts in VR and their mitigation, consisting of (1) empirical evidence for cognitive spatial conflicts during spatial updating and the formation of body-ownership judgments, (2) empirical evidence for action spatial conflicts by identifying behaviors and strategies of how people interact with the VR safety boundary and obstacles, and (3) mitigation guidelines and an interaction technique (FingerMapper) for action spatial conflicts.

Virtuelle Realität (VR) ermöglicht es Menschen, in eine computervermittelte Umgebung einzutauchen. Bei der Interaktion in VR sieht eine Person hauptsächlich die virtuelle Umgebung und ist visuell nicht mit dem physischen Raum verbunden. Diese Person interagiert jedoch immer noch im physischen Raum - die Erfahrung der VR-Nutzung findet in zwei Räumen statt. Die gleichzeitige Interaktion mit dem virtuellen und dem physischen Raum kann zu Unfällen führen, z. B. zu Kollisionen mit Hindernissen wie Möbeln oder Zuschauern. Vor allem seit die VR-Technologie in verschiedenen physischen Räumen, wie z. B. in Verkehrsmitteln, zu Hause oder im Freien, immer mehr an Bedeutung gewinnt, steigt die Wahrscheinlichkeit von Unfällen und Kollisionen, was sich negativ auf das VR-Erlebnis auswirkt. Ich bezeichne dieses Phänomen als einen räumlichen Konflikt, der durch eine falsche Ausrichtung zwischen zwei Räumen verursacht wird und das VR-Erlebnis stört. Um die Sicherheit der VR-Interaktion zu verbessern, ist mehr Wissen erforderlich, um verschiedene Arten von Spatial Conflicts zu identifizieren, zu verstehen, wie sie in der VR-Erfahrung entstehen, und Richtlinien zur Abschwächung zu entwickeln. Ich definiere zwei Kategorien räumlicher Konflikte: (1) Cognitive Spatial Conflicts, die im kognitiven Prozess auftreten können, wenn eine Person räumliche oder körperliche Repräsentationen aktualisiert, und (2) Action Spatial Conflicts, die durch die Handlungen von Personen während der Nutzung von VR verursacht werden. Ich habe eine Laborstudie durchgeführt, in der ich gezeigt habe, dass Cognitive Spatial Conflicts bei der Aktualisierung räumlicher Darstellungen auftreten und das Gefühl der Präsenz beeinträchtigen können. In einer Labor- und zwei Online-Studien habe ich gezeigt, dass sich Cognitive Spatial Conflicts beim Erleben eines virtuellen Körpers negativ auf die Beurteilung des Body-Ownerships auswirken können. In Bezug auf räumliche Action Spatial Conflicts untersuchte ich Kollisionen mit dem physischen Raum, indem ich Verhaltensweisen und Gründe für die Interaktion mit der VR-Sicherheitsgrenze durch eine Online-Umfrage und eine Laborstudie identifizierte. Außerdem habe ich eine Interaktionstechnik (FingerMapper) entwickelt, um Kollisionen bei der Nutzung von VR in einem begrenzten physischen Raum zu reduzieren. In einem spekulativen Designprozess untersuchte ich, wie Action Spatial Conflicts in zukünftigen VR-Szenarien auftreten können, und leitete Richtlinien zur Abschwächung ab. Basierend auf diesen Ergebnissen diskutiere ich alternative Arten von Action Spatial Conflicts, Implikationen für die Definition von Präsenz und wie die Sicherheit in VR verbessert werden kann. Abschließend identifiziere ich zwei Herausforderungen für die zukünftige Forschung: die Entschärfung Spatial Conflicts in kollaborativen VR-Szenarien und die Entwicklung von Computermodellen zum besseren Verständnis kognitiver Strategien, wenn Menschen in zwei Räumen interagieren. Diese Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis von Spatial Conflicts in VR und deren Entschärfung bei, bestehend aus (1) empirischen Belegen für Cognitive Spatial Conflicts während der räumlichen Aktualisierung und der Bildung von Body-Ownership-Urteilen, (2) empirischen Belegen für Action Spatial Conflicts, die Verhaltensweisen und Strategien aufzeigen, wie Menschen mit der VR-Sicherheitsgrenze und Hindernissen interagieren, und (3) Entschärfungsrichtlinien und einer Interaktionstechnik für Action Spatial Conflicts.