=Paper= {{Paper |id=Vol-2250/WS_VRAR_paper2 |storemode=property |title=Einsatz von Virtual Reality zur Immersionssteigerung für Hubschrauberbesatzungen(Use of Virtual Reality to Increase Immersion for Helicopter Crews) |pdfUrl=https://ceur-ws.org/Vol-2250/WS_VRAR_paper2.pdf |volume=Vol-2250 |authors=Mara Kaufeld,Thomas Alexander |dblpUrl=https://dblp.org/rec/conf/delfi/KaufeldA18 }} ==Einsatz von Virtual Reality zur Immersionssteigerung für Hubschrauberbesatzungen(Use of Virtual Reality to Increase Immersion for Helicopter Crews)== https://ceur-ws.org/Vol-2250/WS_VRAR_paper2.pdf

Daniel Schiffner (Hrsg.): Proceedings of DeLFI Workshops 2018
co-located with 16th e-Learning Conference of the German Computer Society (DeLFI 2018)
Frankfurt, Germany, September 10, 2018

Einsatz von Virtual Reality zur Immersionssteigerung für
Hubschrauberbesatzungen

Eine empirische Vorstudie

Mara Kaufeld1, Dr. Thomas Alexander2

Abstract: Rettungseinsätze erfordern von Hubschrauberbesatzungen besonders ausgeprägte
Fähigkeiten bei der Identifikation von gefährlichen Situationen, Opfern und Verletzten. Um die
visuelle Suche effizient und realitätsnah trainieren zu können, bietet sich als Ergänzung zum realen
Training die Technologie der Virtual Reality (VR) an. Die Steigerung der Immersion für die
Verbesserung des Trainings bedarf weiterer Forschung. Im Rahmen einer Vorstudie wurden bei
n=6 Probanden3 das Präsenzempfinden und die Simulatorkrankheit bei einer 12-minütigen
Exposition in Virtual Reality erfasst. Die Ergebnisse belegen das Vorliegen eines guten
Präsenzempfindens und Einschränkungen in Form des Auftretens von Simulatorkrankheit. Des
Weiteren zeigt sich, dass der Schwierigkeitsgrad der Aufgaben zur visuellen Suche für eine
experimentelle Studie weiter nach oben korrigiert werden kann. Ein geplantes Experiment mit
größerer Stichprobe wird die Ergebnisse bezüglich Aufgabenschwierigkeit miteinbeziehen und ein
genaueres Augenmerk auf Simulatorkrankheit und Präsenzempfinden in Abhängigkeit von echter
Bewegung legen.
Keywords: Virtuelle Realität, virtuelles Training, Hubschrauber, visuelle Suche,
Präsenzempfinden, Immersion, Simulatorkrankheit

Abstract: For helicopter crews rescue missions request highly developed skills in identification of
dangerous situations, victims and injured persons. For efficient and applied training of visual
search a reasonable supplementation can be provided by Virtual Reality (VR) technology. The
impact of enhanced immersion on the training of helicopter crews requires further research. As
part of a pre-study participants (n=6) were asked for their sense of presence and symptoms of
simulator sickness before and after a 12-minute exposure to VR. Results show a good sense of
presence and limitations through simulator sickness. Additionally, results show that the difficulty
level of the visual search tasks can be raised for an experimental study. A future experiment with a
larger test sample will include the results regarding task difficulty and will focus on simulator
sickness and presence as a function of real motion.

1
Fraunhofer FKIE, Human Factors, Zanderstraße. 5, 53177 Bonn, mara.kaufeld@fkie.fraunhofer.de
2
Fraunhofer FKIE, Human Factors, Zanderstraße. 5, 53177 Bonn, thomas.alexander@fkie.fraunhofer.de
3
Zur besseren Lesbarkeit werden die personenbezogenen Bezeichnungen in männlicher Form angeführt. Diese
Formulierungen umfassen gleichermaßen weibliche und männliche Personen. Es soll keinesfalls eine
Geschlechterdiskriminierung oder eine Verletzung des Gleichheitsgrundsatzes zum Ausdruck gebracht
werden.
Mara Kaufeld, Dr. Thomas Alexander

Keywords: Virtual Reality, virtual Training, helicopters, visual search, presence, immersion,
simulator sickness

1 Einleitung

Die Unterstützung eines kompetenzorientierten Lernens durch virtuelle Medien wie
Augmented Reality (AR) oder Virtual Reality (VR) hat in den letzten Jahren
verschiedene Formen angenommen. Heute sind entsprechende VR-HMDs (Head-
Mounted Displays) für ein breites Publikum als Unterhaltungsmedien kostengünstig
verfügbar. Hierdurch ergibt sich hohes Potential zum Einsatz dieser neuen Technologien
im Bereich der Ausbildung und des Trainings. Der hier dargestellte Anwendungsfall
behandelt die visuelle Suche und Identifikation von Gefahrensituationen im
Anwendungsfall einer Hubschrauberbesatzung. Bei der typischen Flugführungsaufgabe
wird dort bspw. im Rahmen von Rettungseinsätzen die Umgebung visuell nach
gefährlichen Situationen, Verletzten oder Opfern abgesucht. Legt man zusätzlich
Entfernungen und Anzahl von weiteren möglichen Zielen und Objekten (Menschen,
Gebäude, Bewuchs) zugrunde, wird leicht ersichtlich, dass es sich um eine komplexe
Aufgabe handelt. Auch in anderen Einsatzbereichen von Hubschraubern sind das
Auffinden und die Identifizierung von bestimmten Reizen und Objekten entscheidend,
beispielsweise bei der Polizei oder auch im militärischen Kontext bei der Aufklärung
und bei Hilfseinsätzen.
Eine zielgerichtete Ausbildung und praxisnahes Training solcher Fälle ist entscheidend.
Ein probates Mittel hierbei ist der Einsatz von Simulation in einer VR. Erhöhtes
Präsenzempfinden stellt hierbei einen klaren Vorteil gegenüber traditionellen
Ausbildungsmitteln dar. Allerdings zeigen sich bei der Nutzung von VR auch heute
immer noch Einschränkungen und Grenzen. Diese ergeben sich vor allem durch
menschliche Wahrnehmung und räumliche Orientierung. Hierbei liegen in einer VR
andere Gegebenheiten vor als in der Realität, so dass es zu Reizkonflikten mit negativen
Auswirkungen auf den Benutzer kommt.

2 Theoretischer Hintergrund

Präsenzempfinden und Simulatorkrankheit sind häufig betrachtete und bedeutende
Variablen im Erleben und Verhalten von Menschen in virtueller Realität. In den
nachfolgenden Absätzen werden diese genauer erläutert und die Fragestellung der
vorliegenden Arbeit beschrieben.

2.1 Präsenzempfinden

Der Begriff der Präsenz oder Immersion ist breit gefächert. [WS98] definieren Präsenz
als subjektive Erfahrung, in einer Umgebung zu sein, während man physisch in einer
Virtual Reality zur Immersionssteigerung

anderen verweilt. Für eine weitere Differenzierung ist entscheidend, dass Immersion die
objektiv messbaren, technologischen Aspekte des VR-Systems beschreibt und der nur
subjektiv messbaren, psychologischen Präsenz gegenübersteht [Sl99].
Das Präsenzempfinden wird in der Regel durch subjektive Maße wie bspw. Fragebögen
erfasst. Hier ist als klassisches Verfahren der PQ (Presence Questionnaire) nach [WS98]
zu nennen. Der IPQ (Igroup Presence Questionnaire) baut auf dem PQ auf, umfasst aber
insgesamt eine geringere Anzahl an Items, ist deutschsprachig validiert und bietet somit
Vorteile gegenüber der ursprünglichen Variante. Inhaltlich erfasst er die Konstrukte der
räumlichen Präsenz (engl. spatial presence), der Involvierung (engl. involvement) und
des Realitätsurteils (engl. experienced realism) [Sc03]. Räumliche Präsenz steht für den
Kern der Präsenzauffassung, die gefühlte Anwesenheit an einem anderen Ort, während
Involvierung die Aufmerksamkeitslenkung beschreibt. Der dritte Faktor Realitätsurteil
bezieht sich auf die wahrgenommene Echtheit und Vergleichbarkeit zur Realität.

2.2 Simulatorkrankheit

Simulierte Informationen und eine damit veränderte Wahrnehmung können auch
negative Nebeneffekte haben. Bei der Simulatorkrankheit werden beim Benutzer
Symptome wie Desorientierung, Kopfschmerz oder Übelkeit hervorgerufen. Die
Simulatorkrankheit zählt zu den bewegungsinduzierten Übelkeiten (Bewegungskrankheit
oder Reisekrankheit; engl. Motion Sickness), wie sie allgemein bei der Fortbewegung in
einem Verkehrsmittel auftritt. Neben den genannten Symptomen treten bei
Simulatorkrankheit auch vermehrt okulomotorische Symptome auf. An der Entstehung
der Simulatorkrankheit sind hauptsächlich das vestibuläre (Gleichgewichts-) System
sowie das visuelle System beteiligt [Ke93]. Nach der Sinneskonflikttheorie (engl.
sensory conflict theory) entsteht Simulatorkrankheit durch eine Diskrepanz der
Sinneseindrücke zwischen visuellem Reiz und Bewegungsreiz. Dies entspricht also
einem Konflikt der vestibulären und visuellen Sinne und führt wiederum zu
Beschwerden [La00]. Um Technologien der VR zu etablieren, ist es von Bedeutung, die
Krankheitssymptome zu reduzieren. Die Simulatorkrankheit kann zu maßgeblichen
Einschränkungen der Sicherheit der Benutzer, der Verwendungshäufigkeit sowie
Trainings- und Lerneffektivität führen.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Erfassung der Simulatorkrankheit. Sie gliedern
sich in subjektive Empfindensmaße, psychophysiologische Maße und Maße der
Haltungsstabilität. Grundsätzlich müssen die letzten beiden Maße vorsichtig interpretiert
werden, da eine Reihe von weiteren Einflüssen auf die Physiologie und die
Haltungsstabilität wirkt. Aus diesem Grund werden bevorzugt die subjektiv
empfundenen Auswirkungen erfasst. Üblicherweise werden diese mit dem Simulator
Sickness Questionnaire (SSQ) von [Ke93] erfragt, welcher die Symptome der
Simulatorkrankheit erfasst und ein Maß für deren Stärke liefert. Der Fragebogen umfasst
die Symptomstärke für die Gruppen Übelkeit, Okulomotorik und Desorientierung.
Mara Kaufeld, Dr. Thomas Alexander

2.3 Fragestellung

Für ein praxisnahes Training sind eine Steigerung des Präsenzempfindens und eine
Reduzierung negativer Begleiteffekte wie der Simulatorkrankheit erforderlich. Da
Reizkonflikte zwischen visueller Bewegung und Kinästhetik eine Einflussgröße sind,
kann eine Bewegungsplattform eine Abhilfe darstellen. Dort wird analog zur visuellen
Bewegung eine echte Bewegung ausgegeben und kann demnach Symptome der
Simulatorkrankheit verringern. Empirische Evidenz existiert hierfür kaum. Bisherige
Evidenzen sind theoretischer oder anekdotischer Natur [GF89, La00, Mc06, Mc84].
Ferner erhöht eine Bewegungsplattform das Präsenzempfinden durch Stimulierung des
vestibulären Systems und reduziert Sinneskonflikte.
Das Experimentalfeld und eine Probandenstudie, welche eine visuelle Suche in VR mit
und ohne echte Bewegung beinhalten, befinden sich momentan (Stand Juni 2018) noch
im Aufbau. Im Rahmen einer Vorstudie wird eine universelle Aufgabe entwickelt sowie
der Schwierigkeitsgrad durch eine Probandenstudie mit geringerem Stichprobenumfang
ermittelt. Ziel der vorliegenden Vorstudie ist es demnach ein Szenario zu entwickeln und
zu evaluieren, welches anwendungsnah, aber experimentell die visuelle Suche von
Hubschrauberbesatzungen simuliert. Die Entwicklung des Szenarios muss insbesondere
die Messbarkeit von Präsenzempfinden und Simulatorkrankheit mit einbeziehen, um
zukünftig die Auswirkung von realen Bewegungen einer Bewegungsplattform erfassen
zu können. Die konkrete Fragestellung lautet demgemäß: Ist dieses Szenar geeignet zur
verständlichen Repräsentation von anwendungsorientierter visueller Suche und der
Messung von Präsenzempfinden und Simulatorkrankheit?

3 Methode

Um der vorweg beschriebenem Fragestellung nachzukommen wurden 6 Probanden mit
einem Durchschnittsalter von 28,2 Jahren getestet, von denen 3 weiblich waren. Die
Probanden waren ohne Erfahrungen im Bereich von Hubschraubereinsätzen und mir
geringfügiger Erfahrung in der Nutzung von VR-Systemen.

3.1 Versuchsaufbau und Messgegenstände

Innerhalb eines experimentellen Durchgangs wurde von dem Probanden die Position
eines Besatzungsmitgliedes eingenommen, das sich am hinteren rechten Fenster eines
Hubschraubers befand und die Umgebung absuchte. In der Realität saß der Proband auf
einem Stuhl. Die virtuelle Umgebung wurde in der Software VBS3 aufgebaut und
mittels des VR Systems HTC Vive simuliert. Der Proband flog für 12 Minuten eine
vorbestimmte Route entlang und absolvierte hierbei verschiedene Aufgaben (siehe 3.2),
welche vorab bereits 4 Minuten zur Eingewöhnung trainiert wurden. Vor und nach dem
experimentellen Durchgang wurden die Symptome der Simulatorkrankheit durch den
SSQ erfasst (siehe 2.2). Abschließend wurde das Präsenzempfinden durch den IPQ
Virtual Reality zur Immersionssteigerung

abgefragt (siehe 2.1). Der experimentelle Durchgang war in dynamische und statische
Phasen untergliedert, welche ständig aufeinander folgten (siehe Abb. 1).

3.2 Aufgaben

Während der dynamischen Phase zählte der Proband ein Set von Stimuli
(dreidimensionale weiße Sphären), welche für 4,5 Sekunden in der Umgebung
erschienen und glich diese mit einer vorgegeben Anzahl X ab. Es wurden beispielweise
8 Sphären gezählt und entschieden ob mehr als 7 Sphären erkannt wurden. In diesem
Beispiel musste dies dann mit Drücken einer Taste „ja“ bestätigt werden. Die Anzahl der
Sphären variierte zwischen und 5 und 10. Die dynamische Phase wurde während des
Fluges absolviert.
Bei der statischen Phase hingegen befand sich der Hubschrauber im Schwebeflug und
der Proband suchte eine Gruppe von 10 Landoltringen ab, welche für 3 Sekunden
erschienen und in die Umgebung eingebettet waren. Hierbei sollte der Proband angeben,
ob einer der Landoltringe eine Öffnung nach oben aufwies und dies mit „ja“ bestätigen
oder mit „nein“ ablehnen.

Abb. 1: Blick aus dem Hubschrauber: Dynamische Aufgabe (links), Statische Aufgabe (rechts)
Aufgezeichnet wurden bei beiden Aufgaben die Anzahl von richtigen, falschen und
verpassten Trials sowie die Reaktionszeit. Der Beginn der Reaktionszeit ist mit dem
Erscheinen der Stimuli in beiden Aufgaben gegeben und endet beim ersten Klick des
Probanden. Dynamische und statische Phase folgten ständig aufeinander. In jeder Phase
wurden 10 Trials der entsprechenden Aufgabe absolviert. Insgesamt wurden 40 Trials
absolviert, also 20 pro Aufgabe.
Mara Kaufeld, Dr. Thomas Alexander

4 Ergebnisse

Für das Präsenzempfinden liegt der Maximalwert der Skala bei 6. In Abb. 2 ist zu
erkennen, dass sich die Werte für die Skalen Räumliche Präsenz und Involvierung in der
oberen Hälfte befinden und für die Skala Erlebter Realismus knapp unter der Hälfte.

6
5
4
3
2
1
0
Räumliche Präsenz Involvierung Erlebter Realismus

Abb. 2: Präsenzempfinden gemäß IPQ
Die Skalen des SSQs zeigen bei einem abhängigen T-Test im Vorher-Nachher-Vergleich
signifikante und marginal signifikante Ergebnisse (siehe Abb. 3). Für die Skalen Nausea
und okulomotorisches Unwohlsein fällt der T-Test marginal signifikant (p<.1) aus. Für
die Skalen Desorientierung (M=9.28, SD=14.38; M=39.44, SD=28.41; p=.017) und den
Gesamtwert (M=20.57, SD=14.53; M=39.27, SD=21.26; p=.017) zeigen sich
signifikante Ergebnisse.

70
vorher nachher
60
50
40
30
20
10
0
Nausea Okulomotor. Desorientierung total
Unwohlsein

Abb. 3: Simulatorkrankheit gemäß SSQ vorher und nachher
Bei der statischen Aufgabe lag die durchschnittliche Fehleranzahl bei 1.66 (SD=1.36).
Für die dynamische Aufgabe zeichnet sich ein ähnliches Bild mit einer
Virtual Reality zur Immersionssteigerung

durchschnittlichen Fehlerrate von 1.17 (SD=1.47). Die Reaktionszeiten sind bei beiden
Aufgaben ähnlich, bei um die 3 Sekunden (SD=0.40; 0.74) (siehe Abb. 4).

von 20 Trials in Sekunden
4 4
3,5 3,5
3 3
2,5 2,5
2 2
1,5 1,5
1 1
0,5 0,5
0 0
Statische Dynamische Statische Dynamische
Aufgabe Aufgabe Aufgabe Aufgabe

Abb. 4: Fehler (links), Reaktionszeiten (rechts)

5 Fazit und Diskussion
Zu Beginn ist anzumerken, dass es sich bei der vorliegenden Studie um eine Vorstudie
handelt. Die Ergebnisse für Simulatorkrankheit und Präsenzempfinden müssen deshalb
mit Vorsicht interpretiert werden, da es sich bei der geringen Versuchspersonenanzahl
auch um Zufallsschwankungen handeln kann. Trotzdem bieten die vorliegenden
Ergebnisse einen ersten Eindruck über Beschaffenheit und Einschränkungen des zu
testenden Szenars. Das Präsenzempfinden ist insgesamt als gut zu bewerten. Es ist zu
prüfen, ob die geplante Verwendung einer Bewegungsplattform zu einer Steigerung des
Präsenzempfindens beitragen kann. Im Bereich der Simulatorkrankheit ist
Verbesserungsbedarf zu erkennen, welchem man durch Aufstockung des technischen
Systems, im Sinne einer Bewegungsplattform, entgegen kommen könnte. Zumindest der
Theorie nach könnte durch eine Reduzierung von Sinneskonflikten die
Simulatorkrankheit verringert werden (siehe 2.2). Die Fehlerraten zeigen, dass die
Aufgaben mit wenigen Schwierigkeiten bearbeitet werden konnten. Für ein
experimentelles Design bietet es sich an, den Schwierigkeitsgrad, durch eine höhere
Stimulianzahl, anzuheben, um Varianz in den verschiedenen Gruppen identifizieren zu
können. Die Reaktionszeiten zeigen, dass sich die Aufgaben zumindest visuell
anspruchsvoll gestalten, da Reaktionszeiten um die 3 Sekunden im Vergleich zu
klassischen Reaktionszeitstudien sehr lang sind. Die langen Reaktionszeiten entstehen
durch ein Szenario, welches vergleichbar mit der realen Welt ist und eine Vielzahl von
Fehlzielen liefert. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse ist dieses Szenar geeignet um
empirische Probandenuntersuchungen im Bereich des Präsenzempfindens und der
Simulatorkrankheit durchzuführen, zu analysieren und zu bewerten.
Mara Kaufeld, Dr. Thomas Alexander

6 Literaturverzeichnis

[GF89] Gower Jr, D. W.; Fowlkes, J.: Simulator sickness in the AH-1S (Cobra) flight
simulator, 1989.
[Ke93] Kennedy, R. S. et al.: Simulator sickness questionnaire. An enhanced method
for quantifying simulator sickness. In The international journal of aviation
psychology, 1993; S. 203–220.
[La00] LaViola Jr, J. J.: A discussion of cybersickness in virtual environments. In
ACM SIGCHI Bulletin, 2000; S. 47–56.
[Mc06] McCauley, M. E.: Do Army helicopter training simulators need motion
bases?, 2006.
[Mc84] McCauley, M. E.: Research issues in simulator sickness. Proceedings of a
workshop. National Academies, 1984.
[Sc03] Schubert, T. W.: The sense of presence in virtual environments: A three-
component scale measuring spatial presence, involvement, and realness. In
Zeitschrift für Medienpsychologie, 2003; S. 69–71.
[Sl99] Slater, M.: Measuring presence. A response to the Witmer and Singer
presence questionnaire. In Presence: Teleoperators and virtual environments,
1999; S. 560–565.
[WS98] Witmer, B. G.; Singer, M. J.: Measuring presence in virtual environments. A
presence questionnaire. In Presence: Teleoperators and virtual environments,
1998; S. 225–240.