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Méthodologie de manipulation de l'immersion en environnement virtuel et ses effets sur des indicateurs de ressources attentionnelles

Maxence Hébert-Lavoie

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

This thesis studies the measurement methodologies of the feeling of presence in a virtual environment. It aims at deepening the knowledge related to the evaluation of this concept. Presence is defined as the perceived realism of an experience mediated by elements external to the individual. This concept is mainly evaluated using subjective questionnaires since they are easy to apply and interpret. However, this measurement method has been subject to several criticisms related to its diagnosticity, sensitivity, and even validity in measuring the concept of presence. Researchers have expressed the need to find an objective alternative to questionnaires to measure presence in a virtual environment for several years. However, this task is difficult since presence is a quale, i.e., a subjective experience. The challenge is to find a methodology to express this subjective concept objectively. Presence is characterized by two factors: coherence and immersion. Coherence refers to the ability of a virtual environment to act as the user expects it to act. Immersion refers to the extent and accuracy of the sensory modalities simulated in the virtual environment. Immersion is particularly interesting in this research, as it constitutes an objective factor presence. Generally, a variation in immersion impacts the presence felt by virtual environment users. Thus, it is possible to objectively manipulate presence by varying this factor. However, the recommended range of values that immersion can take without significantly affecting presence is undetermined. Theoretically, immersion is maximal if each simulated sensory quality can be reproduced at its perceptual threshold, i.e., the slightest stimulus an organ can sense. Since we have yet to determine to what extent it is possible to decrease the quality of immersion without affecting the feeling of presence, we seek to find the functional threshold of different sensory qualities. In other words, we want to know to what extent it is possible to degrade immersion without a virtual environment user being able to perceive it. Thus, the first step of this thesis was to perform a psychophysical test to assess the functional threshold of three visual qualities: contrast sensitivity, field of view size, and visual acuity. To do this, 30 participants performed a target selection test in an immersive virtual environment while one of the three visual qualities deteriorated. Participants reported the moment at which they were able to perceive a difference in the virtual environment. This assessment allowed us to estimate the functional thresholds of the three visual qualities studied. Thresholds above which a user can perform a task in a virtual environment without being affected by the degradation of his visual qualities. Then, based on these functional thresholds, we assessed the effect of varying the immersion level on indicators of attentional resources such as cognitive load, measured by a subjective questionnaire and psychophysiological indicators, and situational awareness, measured by the SAGAT method. Although the scientific literature has already shown a relationship between these indicators and presence, the relationship between these indicators and the factors of presence remains unknown. Thus, in performing this manipulation, this thesis aimed to clarify the relationship between attentional resources indicators, coherence, and immersion. Sixty participants performed a driving task in an immersive virtual environment. During this task, they experienced three of seven potential visual condition manipulations. The seven visual conditions corresponded to a no-degradation condition, three conditions where one of the three visual qualities targeted by this thesis was set at the functional threshold, and three conditions where they were set below the functional threshold. Our results showed that cognitive load and situational awareness were only affected by immersion when the visual conditions changed the circumstances in which the virtual experience took place. Thus, we concluded that these indicators of attentional resources should instead be used to measure a virtual environment’s coherence. Also, this conclusion highlighted the direct impact of immersion on the coherence of a virtual environment. In sum, in this thesis, we suggest that the objective measurement of the feeling of presence should be done by assessing immersion and coherence. To measure immersion, it is necessary to identify the simulated sensory qualities and the accuracy to which they are simulated. The way to objectively measure coherence still needs improvements. Nevertheless, to do so, our results show that it is relevant to measure the attentional resources of the users of a virtual environment with concepts that can be objectively measured, such as cognitive load and situational awareness. This thesis’s main contributions are 1) defining an objective, non-arbitrary method of manipulating presence and 2) proposing to evaluate indicators of attentional resources to assess presence objectively

Résumé

Cette thèse étudie les méthodologies de mesure du concept de sentiment de présence en environnement virtuel. Elle vise à approfondir les connaissances liées à l’évaluation de ce concept. Le concept de sentiment de présence peut être défini comme le réalisme perçu d’une expérience faisant l’objet de la médiation d’éléments externes à l’individu. Ce concept est majoritairement évalué à l’aide de questionnaires subjectifs puisqu’ils sont faciles à appliquer et à interpréter. Cependant, cette méthode de mesure a fait l’objet de plusieurs critiques liées à sa diagnosticité, à sa sensibilité et même à sa validité comme mesure du concept de présence. Depuis plusieurs années, les chercheurs témoignent de la nécessité de trouver une alternative objective aux questionnaires pour mesurer le sentiment de présence en environnement virtuel. Toutefois, la tâche est ardue puisque le concept de sentiment de présence est un quale, c’est-àdire une expérience subjective. Le défi consiste donc à trouver une méthodologie permettant d’exprimer objectivement ce concept subjectif. Le concept de sentiment de présence est caractérisé par deux facteurs : la cohérence et l’immersion. La cohérence désigne la capacité d’un environnement virtuel à agir comme l’utilisateur.rice s’y attend. L’immersion désigne l’étendue et la précision des modalités sensorielles simulées dans l’environnement virtuel. L’immersion présente un intérêt particulier dans le cadre de cette recherche, car elle constitue une dimension objective du concept de sentiment de présence. Généralement, une variation de l’immersion a pour effet de faire varier le sentiment de présence ressentie. Ainsi, en faisant varier ce facteur, il est possible de réaliser une manipulation objective de la présence. Toutefois, on ne sait pas dans quelle gamme de valeur il est préférable de faire varier l’immersion. Théoriquement, l’immersion est maximale si chaque qualité sensorielle simulée peut être reproduite à son seuil perceptuel, c’est-à-dire le plus petit stimulus qu’un organe puisse sentir. On ne sait toutefois pas à quel point il est possible de diminuer la qualité de l’immersion sans affecter le sentiment de présence. Ainsi, on cherche à connaître le seuil fonctionnel des différentes qualités sensorielles. En d’autres mots, on cherche à savoir à quel point il est possible de dégrader l’immersion sans qu’un.e utilisateur.rice d’un environnement virtuel ne puisse le percevoir. Ainsi, la première étape de cette thèse fut de réaliser un test psychophysique afin d’évaluer le seuil fonctionnel de trois qualités visuelles : la sensibilité au contraste, la taille du champ de vision et l’acuité visuelle. Pour ce faire, 30 participant.e.s ont exécuté un test de sélection de cibles dans un environnement virtuel immersif alors que l’une des trois qualités visuelle se dégradait. Les participant.e.s ont rapporté le moment auquel ils étaient en mesure de percevoir une différence dans l’environnement virtuel. Cette évaluation a permis d’estimer les seuils fonctionnels des trois qualités visuelles étudiées. Des seuils au-dessus desquels un.e utilisateur.rice peut effectuer une tâche en environnement virtuel sans être affecté par la dégradation de ses qualités visuelles. Ensuite, en nous basant sur ces seuils fonctionnels, nous avons évalué l’effet d’une dégradation de l’immersion sur des indicateurs de ressources attentionnelles : la charge cognitive, mesurée par un questionnaire subjectif et des indicateurs psychophysiologiques, et la conscience de la situation mesurée par la méthode SAGAT. Bien que la documentation scientifique ait déjà montré une relation entre ces indicateurs et le sentiment de présence, la nature de la relation entre ces indicateurs et les facteurs du sentiment de présence demeure inconnue. Ainsi, en effectuant cette manipulation, cette thèse visait à préciser la relation existant entre des indicateurs de ressources attentionnelles, la cohérence et l’immersion. Soixante participant.e.s ont réalisé une tâche de conduite automobile dans un environnement virtuel immersif. Lors de celle-ci, ils furent soumis à trois des sept manipulations de conditions visuelles potentielles. Les sept conditions visuelles correspondaient à une condition sans dégradation, trois conditions où l’une des trois qualités visuelles ciblées par cette thèse était fixée au niveau du seuil fonctionnel et trois conditions où elles étaient fixées sous le seuil fonctionnel. Nos résultats ont montré que la charge cognitive et la conscience de la situation étaient uniquement affectées par l’immersion lorsque les conditions visuelles changeaient les circonstances dans lesquelles se déroulait l’expérience virtuelle. Ainsi, nous avons conclu que ces indicateurs de ressources attentionnelles devraient plutôt être utilisés comme mesure de la cohérence d’un environnement virtuel. Cette conclusion a mis en évidence l’impact direct de l’immersion sur la cohérence d’un environnement virtuel. En somme, dans cette thèse, nous suggérons que la mesure objective du sentiment de présence doit se faire en évaluant l’immersion et la cohérence. Pour mesurer l’immersion, il est nécessaire d’identifier les modalités sensorielles simulées et la précision à laquelle elles le sont. La mesure de la cohérence n’est pas aussi bien définie. Néanmoins, pour ce faire, nos résultats montrent qu’il est pertinent de mesurer les ressources attentionnelles des utilisateur.rice.s d’un environnement virtuel grâce à des concepts pouvant être mesurés objectivement comme la charge cognitive et la conscience de la situation. Cette thèse a permis de faire avancer les connaissances en 1) définissant une méthode objective et non arbitraire de manipulation du sentiment de présence et en 2) proposant d’évaluer des indicateurs de ressources attentionnelles comme mesures prometteuses pour évaluer objectivement le concept de sentiment de présence.

Department: Department of Mathematics and Industrial Engineering
Program: Doctorat en génie industriel
Academic/Research Directors: Philippe Doyon-Poulin and Benoît Ozell
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/53388/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 27 Sep 2023 14:14
Last Modified: 13 Nov 2023 18:04
Cite in APA 7: Hébert-Lavoie, M. (2023). Méthodologie de manipulation de l'immersion en environnement virtuel et ses effets sur des indicateurs de ressources attentionnelles [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/53388/

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