Digital Eye Strain in Virtual Reality Head-Mounted Displays : Properties, Causes, Solutions, and Perspective

Abstract

Advancements in display and sensor technology have led to virtual reality (VR) head-mounted displays (HMDs) progressing from devices mainly used for research purposes to everyday end user technology. The devices are used in a broad range of application areas, particularly for training and educational purposes. Such applications leverage the advantage of the devices of being able to create ecologically valid environments allowing us to study human behavior in a controlled, safe, and realistic way. Furthermore, consumer users are increasingly adopting the devices, anticipating their potential to become an integral part of our everyday device repertoire.

However, current VR HMDs expose users to digital eye strain (DES) - a rapidly spreading health problem in today's digital society. DES collectively refers to eye and vision problems caused by prolonged exposure to digital screens. Its non-specific symptoms, such as dry eyes, eye ache, or blurred vision, affect the users' overall quality of life and general well-being. While a large body of work exists on DES in conventional displays, the problem has only marginally been addressed in the context and development of VR HMDs - despite them carrying inherent properties that make them particularly prone (e.g., coverage of large parts of the field of view, close distance to the eyes). Besides such technical factors, the context of use inherently increases the problem, as the goal of VR experiences is usually to immerse the users in the virtual environment, which may lead to prolonged and extended exposures.

This dissertation lays the foundation for researching DES in VR HMDs by analyzing properties, causes, and solutions to the problem and setting it into context with other types of discomfort occurring in VR HMDs. To that end, it applies two complementary views allowing it to analyze the problem from a user-driven and a technology-driven perspective. The thesis is structured into four parts. First, it provides an analysis of the properties of the two views user and VR HMD, which are the main stakeholders in the interactive system of interest. It explores the interaction possibilities between the two using a morphological analysis, the results of which are presented as a two-dimensional design space. In a second step, the thesis presents a literature survey on the user-driven and technology-driven causes of DES that are currently present in the human-computer interaction literature. The survey results reveal a lack of user-driven solutions. Building on these results, in the third part, two solutions to alleviate DES symptoms are developed and empirically evaluated. One solution consists of short visual tasks that have to be performed actively by the users (user-driven eye exercises) and one that can passively be integrated into device use (technology-driven blue light filtering). The two solutions are evaluated in three quantitative user studies (N=28, N=24, and N=19), revealing that the user-driven solution (eye exercises) is successful in reducing symptoms, while the technology-driven solution (blue light filtering) did not have a reducing effect on symptoms. In the fourth and final part of the thesis, the problem of DES is set into perspective with two other important types of discomfort occurring in VR HMDs (simulator sickness and ergonomic symptoms). The relationship between the three symptom types and their individual contribution to general discomfort is formalized with an exploratory factor analysis. Then, the severity of the three symptom categories is compared in a user study (N=352), revealing that DES and ergonomic symptoms are more prevalent and severe than the currently dominantly researched problem of simulator sickness.

The dissertation concludes with a number of overreaching findings: (1) The interaction on VR HMDs carries unique properties that promote the occurrence of DES symptoms. (2) The search for causes has currently dominantly focused on technology-driven causes, and user-driven solutions are rare. (3) The problem of DES is prevalent and severe in the users of VR HMDs but is currently not sufficiently addressed neither by VR HMD experience developers nor by the research community. (4) Solutions should be designed in a way that they can be integrated into device use; one example for such a solution are short visual tasks can be employed to reduce symptoms. (5) There are external factors, such as users' susceptibility or sex, that further drive the experience of DES symptoms. (6) In addition to these main insights into DES in VR HMDs, this dissertation provides an analysis of general discomfort, consisting of at least three main factors (DES, simulator sickness, and ergonomic symptoms) and provides an extended factor structure that can be used to build a more timely and comprehensive discomfort measure for VR HMDs. These findings implicate the importance of DES for future research and highlight that our understanding of discomfort should proceed with the technology.

Fortschritte in der Display- und Sensortechnologie führten dazu, dass sich Datenbrillen für die Virtuelle Realität (VR) von primär für Forschungszwecke genutzte Geräte zu einer alltäglichen Technologie für Endverbraucher:innen entwickelt haben. Die Geräte werden in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt, insbesondere zu Schulungs- und Ausbildungszwecken. Solche Anwendungen nutzen den Vorteil der Geräte, dass sie ökologisch valide Umgebungen schaffen können, um menschliches Verhalten auf kontrollierte, sichere und realistische Weise zu untersuchen. Weiterhin wächst das Interesse von Verbraucher:innen für die Geräte erheblich, was deren Potential zeigt Teil unseres alltäglichen Geräterepertoires zu werden.

Aktuelle VR-Datenbrillen setzen Nutzer:innen jedoch digitaler Augenbelastung (DES) aus - ein sich in der heutigen digitalen Gesellschaft rasch ausbreitendes Gesundheitsproblem. DES bezieht sich auf Augen- und Sehprobleme, die durch längeres Betrachten von digitalen Bildschirmen verursacht werden. Die unspezifischen Symptome, wie trockene Augen, Augenschmerzen oder verschwommenes Sehen, beeinträchtigen die Lebensqualität und das allgemeine Wohlbefinden der Nutzer:innen. Während es zahlreiche Arbeiten zu DES bei herkömmlichen Bildschirmen gibt, wurde das Problem im Zusammenhang mit VR-Datenbrillen bisher nur am Rande behandelt - obwohl diese aufgrund einiger Eigenschaften (z.B. Abdeckung großer Teile des Sichtfelds, geringer Abstand zu den Augen) besonders anfällig sind. Neben technischen Faktoren verschärft der Nutzungskontext das Problem, da das Ziel von VR-Erlebnissen oft darin besteht, die Nutzer:innen in die virtuelle Umgebung zu immersieren, was längeren Nutzen und so Symptome begünstigt.

Diese Dissertation legt den Grundstein für Untersuchungen von DES mit VR-Datenbrillen, indem sie Eigenschaften, Ursachen und Lösungen analysiert und das Problem in einen Kontext mit anderen Beschwerdearten, die in VR-Datenbrillen vorkommen, setzt. Hierzu werden zwei komplementäre Blickwinkel eingenommen, die es ermöglichen, das Problem aus einer nutzungs- und einer technologieorientierten Perspektive zu analysieren. Die Arbeit gliedert sich in vier Teile. Zunächst werden die Eigenschaften der beiden Hauptbestandteile des interaktiven Systems, Nutzer:in und VR-Datenbrille, analysiert. Interaktionsmöglichkeiten zwischen den beiden Teilen werden mittels einer morphologischen Analyse untersucht. In einem zweiten Schritt präsentiert die Arbeit eine Literaturübersicht über die nutzungs- und technologieorientierten Ursachen von DES, die derzeit in der Literatur zur Mensch-Computer-Interaktion zu finden sind. Die Ergebnisse zeigen einen Mangel an nutzungsorientierten Lösungen. Darauf aufbauend werden im dritten Teil zwei Lösungen entwickelt und in drei Studien (N=28, N=24 und N=19) empirisch evaluiert. Eine Lösung besteht aus kurzen Sehaufgaben, die von den Nutzer:innen aktiv durchgeführt werden müssen (nutzungsorientierte Augenübungen), und eine, die passiv in die Gerätenutzung integriert werden kann (technologieorientierte Blaulichtfilterung). Die Ergebnisse zeigten, dass die nutzungsorientierte Lösung (Augenübungen) erfolgreich zur Verringerung der Symptome beiträgt, während die technologieorientierte Lösung (Blaulichtfilterung) keine Verringerung der Symptome bewirkte. Im vierten und letzten Teil der Arbeit wird das Problem DES mit zwei anderen wichtigen Beschwerdearten (Simulatorkrankheit und ergonomische Symptome) in Beziehung gesetzt. Die Beziehung zwischen den drei Symptomtypen und ihr individueller Beitrag zum allgemeinen Unbehagen wird mit einer explorativen Faktorenanalyse formalisiert. Anschließend wird der Schweregrad der drei Symptomkategorien in einer Studie (N=352) verglichen. Dabei zeigt sich, dass DES und ergonomische Symptome häufiger und schwerwiegender sind als das derzeit am häufigsten untersuchte Problem der Simulatorkrankheit.

Die Dissertation schließt mit einer Reihe von übergreifenden Erkenntnissen: (1) Die Interaktion mit VR-Datenbrillen weist einzigartige Eigenschaften auf, die das Auftreten von DES begünstigen. (2) Die Suche nach den Ursachen konzentriert sich derzeit vor allem auf technologieorientierte Ursachen und nutzungsorientierte Lösungen sind selten. (3) Das Problem DES ist bei den Nutzer:innen von VR-Datenbrillen weit verbreitet und schwerwiegend, wird aber derzeit weder von Anwendungen noch von der Forschungsgemeinschaft ausreichend angegangen. (4) Lösungen sollten so konzipiert werden, dass sie in die Nutzung des Geräts integriert werden können; ein Beispiel sind kurze Sehaufgaben, die zur Verringerung der Symptome eingesetzt werden können. (5) Es gibt externe Faktoren, wie die Anfälligkeit oder das Geschlecht der Nutzer:innen, die das Auftreten von Symptomen zusätzlich beeinflussen. (6) Zusätzlich zu diesen wichtigen Erkenntnissen über DES mit VR-Datenbrillen bietet die Dissertation eine Analyse allgemeiner Beschwerden, bestehend aus drei Hauptfaktoren (DES, Simulatorkrankheit und ergonomische Symptome). Die Faktorenstruktur legt die Grundlage für ein zeitgemäßes und umfassenderes Maß für Beschwerden mit VR-Datenbrillen. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Bedeutung von DES für die zukünftige Forschung und zeigen, dass unser Verständnis von Beschwerden, die mit einer bestimmten Technologie auftreten können, ständig reevaluiert werden sollte.