[論文レビュー] Immersive Virtual Worlds: Multi-sensory Virtual Environments for Health and Safety Training

Glyn Lawson, Emily Shaw+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Virtual Reality Applications and Impacts参考文献 75被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、UnityとArduino制御のアクチュエータを用いて視覚、聴覚、臭覚、熱覚フィードバックを統合した低コストでマルチセンサリーバーチャルエナビメント（MS-VE）を開発し、健康・安全訓練におけるリアリズムを向上させることを目的としている。結果として、標準VRに比べてMS-VEは行動的妥当性と訓練参加者の関与度が向上することが示されたが、現実世界での行動転送の有効性は裏付けられていない。

ABSTRACT

Virtual environments (VEs) offer potential benefits to health and safety training: exposure to dangerous (virtual) environments; the opportunity for experiential learning; and a high level of control over the training, in that aspects can be repeated or reviewed based on the trainee's performance. However, VEs are typically presented as audiovisual (AV) systems, whereas engagement of other senses could increase the immersion in the virtual experience. Moreover, other senses play a key role in certain health and safety contexts, for example the feel of heat and smell in a fire or smell in a fuel leak. A multisensory (MS) VE was developed, which provided simulated heat and smell in accordance with events in a virtual world. As users approached a virtual fire, they felt heat from three 2 kW heaters and smelled smoke from a scent diffuser. Behaviours in the MS VE demonstrated higher validity than those in a comparable AV VE, which ratings and verbatim responses indicated was down to a greater belief that participants were in a real fire. However, a study of the effectiveness of the MS VE as a training tool demonstrated that it did not offer benefits over AV as measured by a written knowledge test and subjective ratings of engagement, attitude towards health and safety and desire to repeat. However, the study found further evidence for the use of AV VEs in health and safety training, particularly as the subjective ratings were generally better than for PowerPoint based training. Despite the lack of evidence for MS simulation on traditional measures of training, the different attitudes and experiences of users suggest that it may have value as a system for changing trainees' attitudes towards their personal safety and awareness. This view was supported by feedback from industrial partners.

研究の動機と目的

• マルチセンサリーバーチャルエナビメント（MS-VE）が、健康・安全訓練におけるリアリズムと関与度を向上させるかどうかを調査すること。
• 緊急シナリオにおけるエマージェンシー・シミュレーションにおいて、MS-VEと音声・視覚のみのVR（AV-VE）の行動的妥当性を比較評価すること。
• 従来のパワーポoin卜ベースの訓練に比べ、MS-VEが訓練効果を向上させるかどうかを評価すること。
• 市販部品を用いて、ヒートと香りをVRシミュレーションに統合する安全で低コストの技術的ソリューションを開発すること。
• スキャン技術（例：Google Tango）を用いて、訓練用シミュレーションに使用可能な正確な実世界建物の複製を作成する可能性を検討すること。

提案手法

• Unityを基盤とするバーチャルエナビメントを構築し、Arduino制御のヒーターと香り拡散装置を用いて熱覚および臭覚刺激を提供した。
• アバターの動きに基づき、熱覚フィードバックを調整・局所化するためのフィンを用いたヒートシールドシステムを設計した。
• 2つの実験的研究を実施した：1つは行動的妥当性（MS-VE対AV-VE）に関するもの、もう1つは訓練効果（MS-VE対パワーポイン卜）に関するもの。
• 化学的暴露の懸念に対応するため、VRプロトタイプでの香り使用に向けた安全なプロトコルを策定した。
• 実際の職場を3次元スキャンして正確なバーチャル訓練環境を作成する目的で、Google Tangoの活用を検討した。
• ユーザビリティ研究と反復的VE開発を実施し、ユーザーインタラクションおよびセンサリーフィードバックのタイミングを最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 音声・視覚のみのVRに比べ、熱覚および臭覚フィードバックを含むマルチセンサリーバーチャルエナビメントが、緊急シナリオにおけるユーザーの行動的妥当性を向上させるか。
• RQ2 マルチセンサリーバーチャルリアリティ訓練が、訓練参加者の関与度、健康・安全への態度、再訓練への意欲を、従来のパワーポイン卜ベースの指導に比べてどの程度向上させるか。
• RQ3 3次元スキャン（例：Google Tango）を用いて、VR訓練シミュレーションに使用可能な正確な実世界建物の複製を作成する際の技術的および実務的課題は何か。
• RQ4 Arduino、ヒーター、香り拡散装置などの市販部品を用いて、安全でスケーラブルな低コストMS-VEシステムを構築できるか。
• RQ5 マルチセンサリーバーチャルリアリティは、標準VRに比べ、緊急シナリオにおける現実世界の人間行動をより正確に予測する可能性を有するか。

主な発見

• 音声・視覚のみのVRに比べ、マルチセンサリーバーチャルリアリティ（MS-VE）は行動的妥当性を顕著に向上させた。参加者らは、より強い「存在感」を報告し、事前の行動的期待に依存する傾向が低下した。
• MS-VEに参加した参加者らは、パワーポイン卜ベースの指導に比べ、関与度が高く、健康・安全訓練に対する肯定的な態度を示し、再訓練への意欲も高まった。
• 本研究では、シミュレーションにおける効果的な熱覚フィードバックを達成するため、3台の2kWヒーターをユーザーの周囲に均等に配置する必要があることが判明した。
• 化学的暴露の懸念に対応するため、VRでの香り使用に向けた安全なプロトコルが成功裏に開発された。
• Google Tangoを用いた3次元スキャンは技術的には可能であったが、画像品質とデータ処理の複雑さが、実際の職場再現における実用性を制限した。
• 熱と香りのマルチセンサリーエレメントを実装するコストと作業負荷は、完全なVR開発に比べて比較的低く、大規模組織における焦点的で高効果の訓練シナリオにMS-VEが実現可能であることが判明した。