Exploring Wind as An Interactive Modality: A Study in Virtual Cycling

Abstract

Wind is a key environmental factor in outdoor cycling. It affects the cyclist's physical load and perception experience through aerodynamic resistance, thermal regulation and multi-sensory feedback. However, in most virtual cycling systems, wind simulation is regarded as a hardware-driven component. This kind of system mainly pursues the realism at the physical level, but pays less attention to the perception or interaction potential of the wind. Therefore, the role of wind as a multimodal clue in an immersive virtual environment has not been fully studied. This thesis proposes a new method for wind simulation in virtual cycling. This method combines the visual wind clues in virtual reality with the airflow that the user actually feels during cycling. The goal of this study is not to completely replicate the aerodynamic process in the real world, but to explore whether wind can be used as an interactive means to regulate the user's perception, subjective experience and physiological response. This study examines the interaction between different visual simulated wind directions and actual airflow, and analyzes how this interaction affects the user's perceived exertion and participation in virtual cycling. To this end, a controlled within-subject study was conducted using a VR-based cycling system, consisting of a smart bike, head-mounted display and controllable air flow source. Multiple cycling conditions were completed by the participants, with differing combinations of visual wind cues and physical wind. Both objective and subjective measures were recorded, including heart rate and pedaling frequency, and subjective measures, such as ratings of perceived exertion and post-trial feedback. The results suggest that visual wind cues in combination with physical air flows are enable to affect perceived effort and user experiences, although influences on physiological measures were limited. These findings indicate that wind has the potential to be a light-weight, reproducible, and reliable cue to enhance immersion in VR-based exercise systems.

Wind spielt als entscheidender Umweltfaktor beim Radfahren im Freien eine wesentliche Rolle bei der Gestaltung der körperlichen Anstrengung und des Wahrnehmungserlebnisses durch aerodynamischen Widerstand, Wärmeregulierung und multisensorisches Feedback. In den meisten virtuellen Radsport-Systemen wurde die Windsimulation jedoch bislang in erster Linie als hardwaregesteuerte Komponente betrachtet, die darauf abzielt, physikalischen Realismus zu simulieren, wobei ihr Wahrnehmungs- oder Interaktionspotenzial relativ wenig Beachtung fand. Infolgedessen ist die Rolle des Windes als multimodaler Reiz in immersiven virtuellen Umgebungen bislang kaum erforscht. Die vorliegende Arbeit stellt einen alternativen Ansatz zur Windsimulation im virtuellen Radsport vor, indem visuelle Windhinweise in der virtuellen Realität mit einer tatsächlichen Luftströmung am Körper des Nutzers während des Trainings kombiniert werden. Anstatt eine vollständige Nachbildung der realen Aerodynamik anzustreben, untersucht die Studie, ob Wind als interaktive Modalität dienen kann, um Wahrnehmung, subjektive Erfahrungen und physiologische Reaktionen zu modulieren. Insbesondere untersuchen wir, wie verschiedene visuell simulierte Windrichtungen mit dem tatsächlichen Luftstrom interagieren können, um die wahrgenommene Anstrengung und das Engagement der Nutzer beim virtuellen Radfahren zu beeinflussen. Zu diesem Zweck wurde eine kontrollierte Intra-Subjekt-Studie unter Verwendung eines VR-basierten Fahrradsystems durchgeführt, das aus einem Smart-Bike, einem Head-Mounted-Display und einer steuerbaren Luftströmungsquelle bestand. Die Teilnehmer absolvierten verschiedene Fahrradtrainingsbedingungen mit unterschiedlichen Kombinationen aus visuellen Windhinweisen und physischem Wind. Es wurden sowohl objektive als auch subjektive Messwerte erfasst, darunter Herzfrequenz und Trittfrequenz sowie subjektive Messwerte wie die Bewertung der wahrgenommenen Anstrengung und das Feedback nach dem Versuch. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass visuelle Windreize in Kombination mit physischen Luftströmungen die wahrgenommene Anstrengung und das Nutzererlebnis beeinflussen können, auch wenn die Auswirkungen auf physiologische Messwerte begrenzt waren. Diese Erkenntnisse legen nahe, dass Wind das Potenzial hat, als leicht umsetzbarer, reproduzierbarer und zuverlässiger Reiz zur Steigerung des Eintauchgefühls in VR-basierten Trainingssystemen zu dienen.