Exploring Visual Patterns Contributing to Cybersickness in Augmented Reality

Abstract

Mit der zunehmenden Verbreitung von Augmented Reality (AR) Geräten im Alltag wird der Nutzerkomfort durch ein Phänomen namens Cybersickness herausgefordert, ein visuell induzierter Zustand, die durch Symptome wie Übelkeit, Desorientierung und okulomotorische Belastung gekennzeichnet ist. Obwohl bekannt ist, dass diese Symptome das Nutzererlebnis erheblich beeinträchtigen und das Immersionsgefühl mindern können, ist bisher wenig über die spezifischen visuellen Faktoren bekannt, die diese in AR auslösen. Insbesondere besteht eine Forschungslücke dahingehend, wie Kombinationen aus bewegten virtuellen Elementen, sogenanntem visuellen Clutter, und variierenden Dynamiken des realen Hintergrunds interagieren, um den natürlichen stabilisierenden Bezugsrahmen der physischen Welt außer Kraft zu setzen. Um dies zu untersuchen, befasst sich die vorliegende Arbeit damit, wie dynamischer virtueller Clutter und unterschiedliche physische Hintergründe das Wohlbefinden der Nutzer während der Verwendung von AR-Technologie beeinflussen. Zur Untersuchung dieser Faktoren wurden eine maßgeschneiderte Augmented-Reality-Anwendung sowie eine unterstützende Backend-Infrastruktur entwickelt. Es wurde eine Nutzerstudie mit 30 Teilnehmenden durchgeführt, die eine Formplatzierungsaufgabe unter variierenden Bedingungen des visuellen Clutters (kein Clutter, statischer Clutter und dynamischer Clutter) sowie der Hintergrunddynamik (neutraler Hintergrund und dynamischer Videohintergrund) absolvierten. Im Rahmen der Studie wurden subjektives Feedback, wie etwa Fragebögen zur Bewegungskrankheit, sowie objektive Daten, einschließlich der Aufgabenleistung und des physischen Körperschwankens, erhoben. Die Auswertung legt nahe, dass dynamischer visueller Clutter die Echtzeit-Sickness-Werte und die mentale Beanspruchung im Vergleich zu statischen und clutterfreien Bedingungen erhöht, während gleichzeitig die Aufgabenleistung sinkt. Darüber hinaus führte die Exposition gegenüber einem dynamischen Hintergrund zu höheren Gesamtwerten der Bewegungskrankheit und verstärktem Körperschwanken in anteroposteriorer Richtung. Während das qualitative Feedback darauf hindeutet, dass eine tiefe Aufgabenbindung (Engagement) den Nutzern helfen kann, visuelle Interferenzen zu ignorieren, lassen die Ergebnisse darauf schließen, dass sowohl das Design virtueller Inhalte als auch die physische Umgebung den Nutzerkomfort beeinflussen. Diese Erkenntnisse können dazu beitragen, sicherere Design-Richtlinien zu entwickeln, um das Wohlbefinden in Augmented Reality zu unterstützen.

As augmented reality (AR) devices become more common in everyday settings, user comfort is challenged by cybersickness, a visually induced motion sickness characterized by symptoms such as nausea, disorientation, and oculomotor strain. While it is known that these symptoms can severely degrade the user experience and diminish a user’s sense of immersion, little is understood about the specific visual factors that trigger them in AR. Specifically, there remains a research gap regarding how combinations of moving virtual elements and varying real-world background dynamics interact to override the physical world’s natural stabilizing effect. To address this gap, this thesis investigates how various virtual clutter and different physical backgrounds interact to influence user well-being during AR exposure. To explore these factors, a custom augmented reality application and a supporting backend infrastructure were developed to conduct an experiment. We conducted a user study with 30 participants who completed a shape-placement task under varying conditions of visual clutter (none, static, or dynamic) and background dynamics (neutral background and dynamic video background). The study collected subjective feedback, such as sickness questionnaires, and objective data, including task performance and physical sway. The evaluation suggests that dynamic visual clutter increases real-time sickness scores and mental demand compared to static and no-clutter conditions, while also reducing task performance. Additionally, exposure to a dynamic background resulted in higher overall sickness ratings and increased physical sway in the anteroposterior directions. While qualitative feedback suggests that deep task engagement might help users ignore visual interference, the results indicate that both the design of virtual content and the physical environment influence user comfort. These findings can help inform the development of safer design guidelines to support well-being in augmented reality.