Workshop Mensch-Computer-Vernetzung - basierend auf Multicast - 3D-Welten werden im Fenster dargestellt - mehrere Nutzer bewegen sich in einer Welt

Virtual reality exposure therapy (VRET) is an effective cognitive-behavioral treatment for anxiety disorders that comprises systematic confrontations to virtual representations of feared stimuli and situations. However, not all patients respond to VRET, and some patients relapse after successful treatment. One explanation for this limitation of VRET is that its underlying mechanisms are not yet fully understood, leaving room for further improvement. On these grounds, the present thesis aimed to investigate two major research questions: first, it explored how virtual stimuli induce fear responses in height-fearful participants, and second, it tested if VRET outcome could be improved by incorporating techniques derived from two different theories of exposure therapy. To this end, five studies in virtual reality (VR) were conducted. Study 1 (N = 99) established a virtual environment for height exposure using a Computer Automatic Virtual Environment (CAVE) and investigated the effects of tactile wind simulation in VR. Height-fearful and non-fearful participants climbed a virtual outlook, and half of the participants received wind simulation. Results revealed that height-fearful participants showed stronger fear responses, on both a subjective and behavioral level, and that wind simulation increased subjective fear. However, adding tactile wind simulation in VR did not affect presence, the user's sense of 'being there' in the virtual environment. Replicating previous studies, fear and presence in VR were correlated, and the correlation was higher in height-fearful compared to non-fearful participants. Study 2 (N = 43) sought to corroborate the findings of the first study, using a different VR system for exposure (a head-mounted display) and measuring physiological fear responses. In addition, the effects of a visual cognitive distractor on fear in VR were investigated. Participants' fear responses were evident on both a subjective and physiological level---although much more pronounced on skin conductance than on heart rate---but the virtual distractor did not affect the strength of fear responses. In Study 3 (N = 50), the effects of trait height-fearfulness and height level on fear responses were investigated in more detail. Self-rated level of acrophobia and five different height levels in VR (1 m--20 m) were used as linear predictors of subjective and physiological indices of fear. Results showed that subjective fear and skin conductance responses were a function of both trait height-fearfulness and height level, whereas no clear effects were visible for heart rate. Study 4 (N = 64 + N = 49) aimed to advance the understanding of the relationship between presence and fear in VR. Previous research indicates a positive correlation between both measures, but possible causal mechanisms have not yet been identified. The study was the first to experimentally manipulate both presence (via the visual and auditive realism of the virtual environment) and fear (by presenting both height and control situations). Results indicated a causal effect of fear on presence, i.e., experiencing fear in a virtual environment led to a stronger sense of `being there' in the virtual environment. However, conversely, presence increased by higher scene realism did not affect fear responses. Nonetheless, presence seemed to have some effects on fear responding via another pathway, as participants whose presence levels were highest in the first safe context were also those who had the strongest fear responses in a later height situation. This finding indicated the importance of immersive user characteristics in the emergence of presence and fear in VR. The findings of the first four studies were integrated into a model of fear in VR, extending previous models and highlighting factors that lead to the emergence of both fear and presence in VR. Results of the studies showed that fear responses towards virtual heights were affected by trait height-fearfulness, phobic elements in the virtual environment, and, at least to some degree, on presence. Presence, on the other hand, was affected by experiencing fear in VR, immersion---the characteristics of the VR system---and immersive user characteristics. Of note, the manipulations of immersion used in the present thesis, visual and auditory realism of the virtual environment and tactile wind simulation, were not particularly effective in manipulating presence. Finally, Study 5 (N = 34) compared two different implementations of VRET for acrophobia to investigate mechanisms underlying its efficacy. The first implementation followed the Emotional Processing Theory, assuming that fear reduction during exposure is crucial for positive treatment outcome. In this condition, patients were asked to focus on their fear responses and on the decline of fear (habituation) during exposures. The second implementation was based on the inhibitory learning model, assuming that expectancy violation is the primary mechanism underlying exposure therapy efficacy. In this condition, patients were asked to focus on the non-occurrence of feared outcomes (e.g., 'I could fall off') during exposure. Based on predictions of the inhibitory learning model, the hypothesis for the study was that expectancy-violation-based exposure would outperform habituation-based exposure. After two treatment sessions in VR, both treatment conditions effectively reduced the patients' fear of heights, but the two conditions did not differ in their efficacy. The study replicated previous studies by showing that VRET is an effective treatment for acrophobia; however, contrary to the assumption, explicitly targeting the violation of threat expectancies did not improve outcome. This finding adds to other studies failing to provide clear evidence for expectancy violation as the primary mechanism underlying exposure therapy. Possible explanations for this finding and clinical implications are discussed, along with suggestions for further research. / Die Expositionstherapie in virtueller Realität (VRET) ist ein wirksames kognitiv-verhaltenstherapeutisches Verfahren zur Behandlung von Angststörungen. Bei einer VRET werden Patienten nach psychoedukativer Vorbereitung mit virtuellen Repräsentationen der von ihnen gefürchteten Objekte oder Situationen konfrontiert. Die VRET zeigt allerdings nicht bei allen Patienten die gewünschte Wirksamkeit, und einige Patienten erleben selbst nach erfolgreicher Therapie eine Rückkehr der Angst. Da die zugrunde liegenden Wirkfaktoren der VRET noch nicht ausreichend aufgeklärt sind, lässt sich ihre Effektivtät möglicherweise noch weiter verbessern. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher zwei Fragen zu untersuchen. Zum einen, wie genau virtuelle Reize Furchtreaktionen bei höhenängstlichen Personen auslösen, und zum anderen, ob sich VRET durch den Einsatz spezifischer Techniken, welche aus Theorien zur Expositionstherapie abgeleitet wurden, verbessern lässt. Um die Fragen zu beantworten, wurden im Rahmen der Dissertation fünf Studien durchgeführt. In Studie 1 (N = 99) wurde eine virtuelle Umgebung für Höhenexposition etabliert und Effekte von taktiler Windsimulation in virtueller Realität (VR) untersucht. In der Studie hatten höhenängstliche und nicht-ängstliche Probanden die Aufgabe einen virtuellen Turm zu besteigen, wobei die Hälfte der Probanden währenddessen eine Windsimulation dargeboten bekam. Die Ergebnisse zeigten, dass höhenängstliche Probanden stärkere Furchtreaktionen zeigten, was sich sowohl im Bericht als auch im Verhalten äußerte. Zusätzlich erhöhte die Windsimulation die subjektiv Furcht der Probanden. Die Windsimulation hatte allerdings keinen Einfluss auf das Präsenzerleben, d. h. wie sehr sich Probanden so gefühlt hatten als seien sie tatsächlich in der virtuellen Umgebung gewesen. In der Studie konnten darüber hinaus zwei Befunde vorheriger Studien zum Präsenzerleben repliziert werden. Furcht und Präsenz korrelierten positiv, und dieser Zusammenhang war bei höhenängstlichen Probanden stärker als bei nicht-ängstlichen Probanden. Die Studie konnte zeigen, dass sich VR eignet um Furcht auf verschiedenen Reaktionsebenen zu untersuchen und es darüber hinaus möglich ist, Furcht in VR experimentell zu manipulieren. In Studie 2 (N = 43) sollten die Ergebnisse der ersten Studie bestätigt werden. Hierfür wurden ein anderes VR-System für die Exposition eingesetzt sowie die Erfassung von Furchtreaktionen um physiologische Maße ergänzt. Zusätzlich wurde der Einfluss einer visuell-kognitiven Distraktionsaufgabe in VR auf Furchtreaktionen untersucht. Die Furchtreaktionen der Probanden zeigten sich sowohl auf subjektiver als auch physiologischer Ebene, wobei Reaktionen der Hautleitfähigkeit stärker ausgeprägt waren als Veränderungen der Herzrate. Ein Einfluss der ablenkenden visuell-kognitiven Aufgabe auf Furchtreaktionen konnte nicht gezeigt werden. Die Studie konnte insgesamt verdeutlichen, dass die Eigenschaft von VR, Furcht zu erzeugen, nicht an einen bestimmten Versuchsaufbau gebunden ist und sich Furcht in VR auf allen Reaktionsebenen zeigt. Studie 3 (N = 50) hatte das Ziel, den Einfluss von Höhenängstlichkeit und Höhe auf Furchreaktionen genauer zu untersuchen. Hierfür wurde per Fragebogen erfasste Höhenängstlichkeit sowie fünf verschiedene Höhen (1 m--20 m) als lineare Prädiktoren für subjektive und physiologische Furchtindizes verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass subjektive Furcht und Hautleitfähigkeitsreaktionen in Abhängigkeit von sowohl Höhenängstlichkeit als auch Höhe zunahmen. Für die Herzrate zeigten sich hingegen keine eindeutigen Effekte. Die Studie konnte zusammenfassend zeigen, dass sich die Furchtreaktionen in VR spezifisch auf Höhe zeigten. In Studie 4 (N = 64 + N = 49) sollte der Zusammenhang zwischen Furcht und Präsenzerleben in VR genauer untersucht werden. Vorangegangene Studien zeigten eine positive Korrelation zwischen beiden Maßen, konnten jedoch keine Aussagen über einen möglichen Kausalzusammenhang machen. Die vorliegende Studie war daher die erste, welche sowohl Präsenz als auch Furcht experimentell manipulierte. Präsenz wurde über die Darbietung unterschiedlich realistischer virtueller Umgebungen, Furcht über die Darbietung von Höhen und Kontrollumgebungen manipuliert. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass es einen kausalen Effekt von Furcht auf Präsenzerleben gab, d. h. das Erleben von Furcht in einer Höhensituation in VR führte zu erhöhtem Präsenzerleben. Umgekehrt gab es jedoch keinen Effekt von experimentell manipuliertem Präsenzerleben auf die Stärke der Furchtreaktion. Es zeigte sich allerdings, dass Personen, welche in der ersten sicheren Situation das stärkste Präsenzerleben berichteten, später auch die stärksten Furchtreaktionen zeigten, was darauf schließen lässt, dass es möglicherwiese dennoch Effekte von Präsenzerleben auf Furcht gibt. Dieses Ergebnis weist auf die Bedeutung von möglichen Persönlichkeitsunterschieden hin, welche für das Erleben von Präsenz und Furcht in VR von Bedeutung sind. Die Studie verdeutlichte damit zum einen die Komplexität des Zusammenhangs zwischen Furcht und Präsenzerleben und erlaubte zum anderen erstmals Kausalschlüsse zwischen beiden Maßen. Die Ergebnisse der ersten vier Studien wurden in einem Modell zur Furcht in VR zusammengefasst. Basierend auf bestehenden Modellen zeigt das neue Modell Faktoren auf, welche für die Entstehung von Furcht und Präsenz bedeutsam sind. So konnten die Studien zeigen, dass Furchtreaktionen in Abhängigkeit von habitueller Höhenangst, der furchtbezogenen Relevanz der virtuellen Umgebung (z. B. Höhe), sowie zum Teil vom Präsenzerleben, auftreten. Bezüglich des Präsenzerlebens betont das Modell die Relevanz von aktuellem Furchterleben, Immersion (den Charakteristika des VR-Systems) und immersiven Nutzercharakteristika (z. B. Absorption). Zu erwähnen ist, dass die in der vorliegenden Dissertation untersuchten Manipulationen von Immersion (visueller und auditiver Realismus der virtuellen Umgebung und taktile Windsimulation) jedoch keine sonderlich starken Effekte auf Präsenz hatten. In Studie 5 (N = 34) wurden abschließend im Rahmen einer Therapiestudie zwei verschiedene VRET-Ansätze miteinander verglichen. Die erste Gruppe von Patienten erhielt hierbei eine Therapie auf Basis der Emotional Processing Theory. In dieser Bedingung wurden die Patienten während der Exposition gebeten, sich auf ihr Furchterleben und dessen Rückgang über die Zeit (Habituation) zu konzentrieren. Die zweite Gruppe von Patienten erhielt eine Therapie auf Basis des Inhibitory Learning Models. In dieser Bedingung wurden die Patienten gebeten, gezielt ihre Befürchtungen (z. B. "Ich könnte herunterfallen") zu überprüfen und zu widerlegen. Es wurde auf Basis der Vorhersage des Inhibitory Learning Models, dass Erwartungswiderlegung der zentrale Wirkfaktor der Expositionstherapie ist, angenommen, dass eine Therapie auf Basis der Widerlegung von Befürchtungen effektiver ist als eine Therapie auf Basis von Habituation. Nach zwei Therapiesitzungen berichteten die Patienten in beiden Gruppen einen signifikaten Rückgang ihrer Höhenangst, es zeigten sich jedoch keine Wirksamkeitsunterschiede zwischen den Gruppen. Die Studie konnte damit zwar vorherige Befunde replizieren, die zeigten, dass VRET eine effektive Behandlung für Höhenangst ist, die spezifische Fokussierung auf Erwartungswiderlegung zeigte jedoch keinen Vorteil. Dieser Befund reiht sich damit in eine Reihe von Studien ein, die Erwartungswiderlegung als zentralen Wirkfaktor der Expositionstherapie nicht nachweisen konnten. Mögliche Gründe für diesen Befund sowie daraus folgende klinische Implikationen und Vorschläge für weitere Forschung werden diskutiert.

Anxiety research is one of the major psychological research domains and looks back on decades of research activity. Traditionally, novel theories and approaches are tested utilizing animal models. One way to study inherent anxiety in rodents is the elevated plus-maze (EPM). The EPM is a plus-shaped platform with two closed, i.e., walled, arms and two open unwalled arms. If given the opportunity to freely explore the apparatus, rodents instinctively avoid the open arms to protect themselves from predators. Hence, they spent less time on open and more time on closed arms, which is behaviorally associated with general anxiety. In the course of the pharmacological validation, it was found that this exploratory pattern can be reversed by anxiolytic substances, e.g., benzodiazepines, or potentiated by anxiogenics. One of the significant advantages of the EPM is that no prior training session is required in contrast to conditioning studies, thus allowing to observe natural behavior. Therefore, together with the economic and uncomplicated setup, the EPM has become a standard preclinical rodent anxiety test over the decades. In order to validate these rodent anxiety tests, there have recently been attempts to retranslate them to humans. A paramount of cross-species validation is not only the simple transferability of these animal tests but also the observation of anxiety behaviors that are evolutionarily conserved across species. Accordingly, it could be possible to conclude various factors associated with the etiology and maintenance of anxiety disorders in humans. So far, convincing translations of the EPM to humans are still lacking. For that reason, the primary aim of this dissertation is to retranslate the EPM throughout three studies and to evaluate cross-species validity critically. Secondly, the undertaken studies are set out to observe ambulatory activity equivalent to rodent EPM behavior, i.e., open arm avoidance. Thirdly, the undertaken studies aimed to assess the extent to which trait anxiety influences human exploratory activity on the platform to associate it with the assumption that rodent EPM-behavior is a reflection of general anxiety. Finally, virtual reality (VR) was the method of choice to maintain the economic advantage and adjust the EPM size to humans. Study 1 (N = 30) was set up to directly transfer the rodent EPM regarding test design and experimental procedure using a Computer Automatic Virtual Environment (CAVE). The results revealed that humans unlike rodents display a general open arms approach during free exploration. However, open arm avoidance was associated with high trait anxiety and acrophobia (fear of height), which was initially assessed as a control variable due to the virtual platform height. Regression analyses and subjective anxiety ratings hinted at a more significant influence of acrophobia on open arm avoidance. In addition, it was assumed that the open arms approach might have resulted from claustrophobic tendencies experienced in the closed arms due to the high walls. Study 2 (N = 61) sought to differentiate the influence of trait anxiety and acrophobia and adapt the virtual EPM to humans. Therefore, parts of the platform held a semi-transparent grid-floor texture, and the wall height on the closed arms was reduced to standard handrail level. Moreover, participants were priorly screened to exclude clinically significant levels of acrophobia, claustrophobia, and agoraphobia. The data on general exploratory activity showed no arm preference. Regression analyses confirmed that acrophobia is related to open arm avoidance, corroborating the finding of Study 1. Surprisingly, for trait anxiety, the result of Study 1 could not be replicated. Instead, for trait anxiety, no significant effect was found indicating that predominantly fear of heights shapes human EPM behavior even on a subclinical stage. In Study 3 (N = 57), the EPM was embedded into a city setting to 1) create a more natural human environment and 2) eliminate height. Furthermore, a head-mounted display was utilized for VR presentation, and arousal ratings were introduced. Participants were screened for high and low levels of trait anxiety and agoraphobia, and claustrophobia. Replicating the findings of Study 2, no difference in open and closed arm activity was observed, and no effect was found in relationship with trait anxiety. The data on anxiety ratings and claustrophobia suggest a positive correlation indicating that in this city EPM, claustrophobic tendencies might play a role in closed arm avoidance. In summary, this thesis added valuable insights into the retranslation of a well-established standard anxiety test used in rodents. However, it also majorly challenges current findings on the cross-species validity of the EPM. Various explanatory models for the results are critically discussed and associated with clinical implications concerning future research. / Die Angstforschung ist eines der wichtigsten psychologischen Forschungsgebiete und blickt auf eine jahrzehntelange Forschungstätigkeit zurück. Traditionell werden neue Theorien und Ansätze anhand von Tiermodellen getestet. Eine Möglichkeit, inhärente Angst bei Nagetieren zu untersuchen, ist das Elevated Plus-Maze (EPM). Das EPM ist eine plusförmige Plattform mit zwei geschlossenen, d. h. mit Wänden versehenen, Armen und zwei offenen, nicht mit Wänden umschlossenen, Armen. Wenn Nagetiere die Möglichkeit haben, die Plattform frei zu erkunden, meiden sie instinktiv die offenen Arme, um sich vor Fressfeinden zu schützen, d.h. sie verbringen weniger Zeit in den offenen und mehr Zeit in den geschlossenen Armen, was verhaltensmäßig mit Ängstlichkeit assoziiert wird. Im Rahmen der pharmakologischen Validierung wurde festgestellt, dass dieses Explorationsmuster durch anxiolytische Substanzen, z. B. Benzodiazepine, umgekehrt oder durch anxiogene Substanzen verstärkt werden kann. Einer der wesentlichen Vorteile des EPM ist, dass im Gegensatz zu Konditionierungsstudien kein vorheriges Training erforderlich ist und somit natürliches Verhalten beobachtet werden kann. Zusammen mit dem ökonomischen und unkomplizierten Versuchsaufbau hat sich das EPM daher im Laufe der Jahrzehnte zu einem Standardtest für präklinische Angstforschung bei Nagern entwickelt. Um diese Angsttests von Nagern zu validieren, wurde kürzlich versucht, diese auf den Menschen zu übertragen. Eine wichtige Voraussetzung für die artenübergreifende Validierung ist nicht nur die einfache Translation dieser Tiertests, sondern auch die Beobachtung von Angstverhalten, das evolutionär über alle Arten hinweg konserviert ist. Darauf aufbauend könnte es möglich sein, auf verschiedene Faktoren zu schließen, die mit der Entstehung und Aufrechterhaltung von Angststörungen beim Menschen in Verbindung stehen. Bislang fehlt es noch an einer überzeugenden Übertragung des EPM auf den Menschen. Aus diesem Grund besteht das primäre Ziel dieser Dissertation darin, das EPM in drei Studien neu zu übersetzen und die speziesübergreifende Validität kritisch zu bewerten. Zweitens sollen die durchgeführten Studien eine dem EPM-Verhalten von Nagetieren äquivalente Bewegungsaktivität beobachten, d.h. die Vermeidung offener Arme. Drittens zielten die durchgeführten Studien darauf ab, das Ausmaß zu bewerten, in dem Angstmerkmale das Explorationsverhalten des Menschen auf der Plattform beeinflussen, um sie mit der Annahme in Verbindung zu bringen, dass das EPM-Verhalten von Nagetieren Ängstlichkeit repräsentiert. Schließlich war die virtuelle Realität (VR) die Methode der Wahl, um die ökonomische Validität zu erhalten und das EPM in seiner Größe an den Menschen anpassen zu können. In Studie 1 (N = 30) wurde das Tier-EPM hinsichtlich des Testdesigns und des Versuchsablaufs unter Verwendung einer computergesteuerten virtuellen Umgebung (CAVE) direkt auf den Menschen übertragen. Die Ergebnisse zeigten, dass Menschen im Gegensatz zu Nagern während der freien Exploration generell eine Annäherung zu den offenen Armen zeigen. Die Vermeidung offener Arme war jedoch mit hoher Traitängstlichkeit und Akrophobie (Höhenangst) verbunden, die aufgrund der Höhe der virtuellen Plattform zunächst als Kontrollvariable erhoben wurde. Regressionsanalysen und subjektive Angstbewertungen deuteten auf einen stärkeren Einfluss der Akrophobie auf die Vermeidung der offenen Arme hin. Darüber hinaus wurde angenommen, dass die Vermeidung der offenen Arme aus klaustrophobischen Tendenzen resultieren könnte, die in den geschlossenen Armen aufgrund der hohen Wände auftreten. In Studie 2 (N = 61) wurde versucht, den Einfluss von Traitängstlichkeit und Akrophobie zu differenzieren und das virtuelle EPM an den Menschen anzupassen. Daher waren Teile der Plattform mit einer halbtransparenten Gitterbodenstruktur versehen, und die Wandhöhe in den geschlossenen Armen wurde auf die Höhe eines Standardgeländers reduziert. Darüber hinaus wurden die Versuchsteilnehmer vorselektiert um klinisch signifikante Werte von Akrophobie, Klaustrophobie und Agoraphobie auszuschließen. Die Daten zu generellem Explorationsverhalten zeigten, dass keine Armpräferenz besteht. Die durchgeführte Regressionsanalyse demonstrierte, dass die Vermeidung der offenen Arme mit Akrophobie zusammenhängt, was die Ergebnisse von Studie 1 bestätigt. Überraschenderweise konnte das Ergebnis von Studie 1 in Bezug auf Traitängstlichkeit nicht repliziert werden. Stattdessen wurde für Ängstlichkeit kein signifikanter Effekt gefunden, was darauf hindeutet, dass hauptsächlich Höhenangst das menschliche EPM-Verhalten sogar in einem subklinischen Stadium prägt. In Studie 3 (N = 57) wurde das EPM in eine städtische Umgebung eingebettet, um 1) eine für den Menschen natürlichere Umgebung zu schaffen und 2) den Faktor Höhe zu eliminieren. Darüber hinaus wurde für die VR-Präsentation eine Virtual-Reality-Brille verwendet, und Arousalratings eingeführt. Die Teilnehmer wurden auf hohe und niedrige Werte von Traitängstlichkeit und Agoraphobie sowie Klaustrophobie untersucht. Wie in Studie 2 konnte kein Unterschied zwischen der Explorationstendenzen der offenen und der geschlossenen Arme beobachtet werden, und es wurde kein Effekt in Bezug auf die erhobenen Angstmerkmale festgestellt. Die Daten zu Angstbewertungen und Klaustrophobie deuten auf eine positive Korrelation hin, was darauf bedeutet, dass bei diesem Stadt-EPM klaustrophobische Tendenzen eine Rolle bei der Vermeidung des geschlossenen Arms spielen könnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit wertvolle Einblicke in die Retranslation eines gut etablierten Standard-Angsttests für Nager liefert. Sie stellt jedoch auch die derzeitigen Erkenntnisse über die artenübergreifende Validität des EPM in Frage. Verschiedene Erklärungsmodelle für die Ergebnisse werden kritisch diskutiert und mit klinischen Implikationen für die zukünftige Forschung verbunden.

Latency is an inherent problem of computing systems. Each computation takes time until the result is available. Virtual reality systems use elaborated computer resources to create virtual experiences. The latency of those systems is often ignored or assumed as small enough to provide a good experience. This cumulative thesis is comprised of published peer reviewed research papers exploring the behaviour and effects of latency. Contrary to the common description of time invariant latency, latency is shown to fluctuate. Few other researchers have looked into this time variant behaviour. This thesis explores time variant latency with a focus on randomly occurring latency spikes. Latency spikes are observed both for small algorithms and as end to end latency in complete virtual reality systems. Most latency measurements gather close to the mean latency with potentially multiple smaller clusters of larger latency values and rare extreme outliers. The latency behaviour differs for different implementations of an algorithm. Operating system schedulers and programming language environments such as garbage collectors contribute to the overall latency behaviour. The thesis demonstrates these influences on the example of different implementations of message passing. The plethora of latency sources result in an unpredictable latency behaviour. Measuring and reporting it in scientific experiments is important. This thesis describes established approaches to measuring latency and proposes an enhanced setup to gather detailed information. The thesis proposes to dissect the measured data with a stacked z-outlier-test to separate the clusters of latency measurements for better reporting. Latency in virtual reality applications can degrade the experience in multiple ways. The thesis focuses on cybersickness as a major detrimental effect. An approach to simulate time variant latency is proposed to make latency available as an independent variable in experiments to understand latency's effects. An experiment with modified latency shows that latency spikes can contribute to cybersickness. A review of related research shows that different time invariant latency behaviour also contributes to cybersickness. / Latenz ist ein inhärentes Problem in Computersystemen. Jede Berechnung benötigt Zeit bis das Ergebnis verfügbar ist. Virtual Reality Systeme verwenden komplexe Rechenressourcen um virtuelle Erfahrungen zu erstellen. Die Latenz dieser Systeme wird oft ignoriert oder als klein genug angesehen um eine gute Erfahrung zu ermöglichen. Diese kumulative Doktorarbeit ist aus peer reviewten Forschungspublikationen zusammengesetzt, die das Verhalten und Effekte von Latenz erforschen. Gegensätzlich zu der landläufig verwendeten Beschreibung als zeitinvariante Latenz, wird gezeigt, dass Latenz fluktuiert. Wenige Forscher haben dieses zeitvariable Verhalten genauer untersucht. Diese Arbeit erforscht zeitvariable Latenz mit einem Fokus auf zufällig auftretende Latenzspitzen. Latenzspitzen wurden sowohl für die Ausführung kleiner Algorithmen als auch als End-to-End Latenz in kompletten Virtual Reality Systemen beobachtet. Die meisten Latenzmessungen sammeln sich nahe eines Durchschnittswertes wobei es mehrere Ballungen von höheren Latenzwerten gibt und einige seltene extreme Ausreißer. Das Latenzverhalten unterscheidet sich bei unterschiedlichen Implementierungen eines Algorithmusses. Betriebssystemsscheduler und Programmiersprachenumgebungen wie Garbage Collektoren tragen zu dem Gesamtlatenzverhalten bei. Diese Arbeit beschreibt diese Einflüsse am Beispiel unterschiedlicher Implementierungen von Nachrichtenaustausch. Die Vielfalt an Latenzquellen resultiert in einem unvorhersehbaren Latenzverhalten. Das Messen und Dokumentieren von Latenz ist wichtig in wissenschaftlichen Experimenten. Diese Arbeit beschreibt etablierte Ansätze um Latenz zu messen und schlägt einen verbesserten Ansatz vor um detaillierte Messungen zu sammeln. Diese Arbeit beschreibt wie gemessene Daten mit Hilfe eines stacked z-Testes in separate Cluster geteilt werden können um das Verhalten besser beschreiben zu können. Latenz in Anwendungen der Virtuellen Realität kann die Erfahrung in verschiedenen Arten verschlechtern. Diese Arbeit fokussiert sich auf Cybersickness als einen bedeutenden negativen Einfluss. Es wird ein Ansatz vorgestellt um Latenz zeit-variant zu simulieren damit Latenz als unabhängige Variable in Experimenten, die Auswirkungen von Latenz untersuchen, verwendet werden kann. Ein Experiment mit modifizierter Latenz zeigt, dass Latenzspitzen zu Cybersickness beitragen können. Ein Review verwandter Arbeiten zeigt, dass auch andere Latenzverhalten Cybersickness negativ beeinflussen können.

Virtual humans (VHs) hold immense potential for collaboration in social virtual reality (VR). As VR technology advances, it's vital to assess the psychological effects on VH trust and user privacy to build meaningful social interactions in VR. In social VR, users must be able to trust the VHs they interact with as they navigate through socio-cultural activities. The evaluation of trustworthiness in VHs profoundly impacts interaction quality and user willingness to engage. Conversely, untrustworthy VHs can harm user experiences, privacy, and VR engagement. To address this, we conducted immersive VR studies, exploring how psychological factors influence user's VH trust evaluation under various psychological conditions. This research is pivotal for developing strategies to enhance user privacy, establish secure VR environments, and create a foundation of trust that supports immersive socio-cultural experiences in VR. To date, there are no established interpersonal trust measurement tools specifically for VHs in VR. In study 1 (the familiarity study) of the current thesis the VR-adjusted version of the social conditioned place preference paradigm (SCPP) by Kiser et al., (2022) was identified as a potential trust measurement tool. We tested whether the familiarity of a VH influenced trust as measured with the SCPP paradigm and other self-defined outcome measures, in a Computer Augmented Virtual Environment (CAVE). The CAVE is a VR system that combines immersive VR with real-world elements. It consists of a room-sized space where the walls are used as projection screens to display virtual scenes and objects. In this within - subject design (n = 20), half of the participants were familiarized with one VH and tasked to explore and interact in a realistic looking virtual art museum environment. The participant’s evaluation of the VH’s trustworthiness was measured as well as their subsequent trust behaviours. Results revealed no significant differences in the evaluation of the VH’s trustworthiness nor any behavioural differences between conditions. The findings of the impact of a VH’s familiarity on trust is inconclusive due to the major limitations of the paradigm. We concluded that the SCPP paradigm needs further validation and the proposed proxies of trust need to be re-evaluated. The findings were considered in the following study. The virtual maze paradigm design of Hale, (2018) was identified as a potential trust measurement tool, however several limitations are associated with its use to measure trust in VR. In study 2 (a validation study), improvements were made to the virtual maze paradigm of Hale, (2018) and a variant of this paradigm was implemented. We conducted a validation study with 70 participants in a between-subject design with VH trustworthiness as the between-subject factor. Participants wore a head-mounted display (HMD), to deliver an immersive VR experience. In our version of the virtual maze, it was the task of the users (the trustors) to navigate through a maze in VR, where they could interact with a VH (the trustee). They could choose to ask for advice and follow the advice from the VH if they wanted to. The number of times participants asked and followed advice and the time it took to respond to the given advice served as behavioural proxies/measures of trust. The two conditions (trustworthy vs. untrustworthy) did not differ in the content of the advice but in the appearance, tone of voice and engagement of the trustees (allegedly an avatar controlled by other participants). Results indicated that the experimental manipulation was successful, as participants rated the VH as more trustworthy in the trustworthy condition compared with the VH in the untrustworthy condition. Importantly, this manipulation affected the trust behaviour of participants, who, in the trustworthy condition, asked for advice and followed advice more often, indicating that the paradigm is sensitive to differences in VH’s trustworthiness. Thus, our paradigm can be used to measure differences in interpersonal trust towards VHs and may serve as a valuable research tool for researchers who study trust in VR. Therefore, study 2 fills the gap in the literature, for an interpersonal trust measurement tool specifically for VHs in VR. Two experimental studies, with a sample size of 50 participants each, utilized the virtual maze paradigm where participants entered 12 rooms under different conditions. We examined the influence of cognitive load (CL) on trust towards VH in VR in study 3 (Cognitive load study), and the influence of emotional affect (Emotional affect study) on trust towards VH in VR in study 4 (EA study). In both studies, we assessed participant’s evaluation of a VH’s trustworthiness, along with three behavioural indicators of trust in the maze task: 1) frequency of advice asked, 2) frequency of advice followed, and 3) the time taken by participants to execute the received advice. In study 3, the CL was manipulated with the auditory 1-back task in the high cognitive load condition (HCL). In study 4, the Autobiographical Emotional Memory Task (AEMT) was used to manipulate the EA of participants in the negative emotional affect (NEA) condition. As an additional manipulation, while participants were immersed in VR, they were exposed to 12 negative pictures and sounds that was presented simultaneously to strengthen the initial manipulation. The manipulation of the within-subject factors (CL and EA) was successful in both studies, as significant differences between conditions were observed in both studies (higher CL in the HCL condition and a more negative EA in the NEA condition). However, only CL influenced participant’s evaluation of the VH’s trustworthiness. The VH were evaluated as significantly more trustworthy after the HCL condition. Despite the difference in trust evaluation, there was no difference in advice asking or following. Participants in study 4 asked and followed advice due to their trust in the VH and asked and followed advice equally often in both conditions. Importantly, significant differences were observed in the participants response times in both studies. In study 3 during the HCL condition participants followed advice quicker. The order in which the conditions were presented influenced the experience of CL. Participants experienced higher levels of CL and responded to advice significantly faster when low cognitive load (LCL) was presented as the first condition compared with LCL as the second condition. In study 4 participants in the NEA condition followed advice slower similar to the findings of study 3. The order in which the conditions were presented had a significant effect on the EA. Participants asked and followed advice less when the NEA condition was presented first compared with when it is presented second. Possible explanations for the findings are discussed in the thesis. Overall, this thesis offers a novel tool for trust measurement (the virtual maze paradigm) and contributes to understanding the role of psychological factors in trust towards virtual humans in virtual reality. / Die Darstellung virtueller Menschen (VHs) birgt ein enormes Potenzial für die Zusammenarbeit in der sozialen virtuellen Realität (VR). Da die VR-Technologie voranschreitet, ist es wichtig, die psychologischen Auswirkungen auf das Vertrauen in VHs und die Privatsphäre der Benutzer zu bewerten, um sinnvolle soziale Interaktionen in VR aufzubauen. In der sozialen VR müssen Benutzer:innen den VHs, mit denen sie interagieren, vertrauen können, während sie durch soziokulturelle Aktivitäten navigieren. Die Bewertung der Vertrauenswürdigkeit in VHs hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Interaktionsqualität und die Bereitschaft der Benutzer:innen, sich zu engagieren. Umgekehrt können nicht vertrauenswürdige VHs das Benutzererlebnis, die Privatsphäre und das VR-Engagement beeinträchtigen. Um dieses Problem zu adressieren, wurden immersive VR-Studien durchgeführt und dabei wurde untersucht, welche psychologische Faktoren die VH-Vertrauensbewertung des Benutzers unter verschiedenen psychologischen Bedingungen beeinflussen. Diese Forschung ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Strategien zur Verbesserung der Privatsphäre der Benutzer, zur Einrichtung sicherer VR-Umgebungen und zur Schaffung einer Vertrauensbasis, die immersive soziokulturelle Erfahrungen in VR unterstützt. Bisher gibt es keine etablierten Tools zur Messung des zwischenmenschlichen Vertrauens speziell für VHs in VR. In Studie 1 (der Vertrautheitsstudie) der aktuellen Dissertation wurde die VR-adjustierte Version des Social Conditioned Place Preference Paradigm (SCPP) von Kiser et al. (2022) als potenzielles Vertrauensmessinstrument identifiziert. In einer Computer Augmented Virtual Environment (CAVE) wurde getestet, ob die Vertrautheit eines VH das Vertrauen beeinflusst, gemessen mit dem SCPP-Paradigma und anderen selbstdefinierten Ergebnismaßen. Das CAVE ist ein VR-System, das immersive VR mit realen Elementen kombiniert. Es handelt sich um einen raumgroßen Raum, dessen Wände als Projektionsflächen für die Darstellung virtueller Szenen und Objekte dienen. Bei diesem fächerübergreifenden Design (n = 20) wurde die Hälfte der Teilnehmer mit einem VH vertraut gemacht und erhielt die Aufgabe, eine realistisch aussehende virtuelle Kunstmuseumsumgebung zu erkunden und darin zu interagieren. Es wurde die Einschätzung der Vertrauenswürdigkeit des VH durch die Teilnehmer sowie ihr anschließendes Verhalten gemessen. Die Ergebnisse zeigten keine signifikanten Unterschiede in der Bewertung der Vertrauenswürdigkeit des VH und auch keine Verhaltensunterschiede zwischen den Bedingungen. Die Ergebnisse zum Einfluss der Vertrautheit eines VH auf das Vertrauen sind aufgrund der großen Einschränkungen des Paradigmas nicht schlüssig. Daraus wurde der Schluss gezogen, dass das SCPP-Paradigma einer weiteren Validierung bedarf und die vorgeschlagenen Vertrauensparameter neu bewertet werden müssen. Die Ergebnisse wurden in der folgenden Studie berücksichtigt. Das Virtual-Labyrinth-Paradigma-Design von Hale (2018) wurde als potenzielles Instrument zur Vertrauensmessung identifiziert, wobei seine Verwendung zur Messung des Vertrauens in VR jedoch mit mehreren Einschränkungen verbunden ist. In Studie 2 (einer Validierungsstudie) wurden Verbesserungen am virtuellen Labyrinth-Paradigma von Hale (2018) vorgenommen und eine Variante dieses Paradigmas implementiert. Es wurde eine Validierungsstudie mit 70 Teilnehmern in einem Inter-Subjekt-Design mit VH-Vertrauenswürdigkeit als Zwischen-Subjekt-Faktor durchgeführt. Die Teilnehmer:innen trugen ein Head-Mounted-Display (HMD), um ein immersives VR-Erlebnis zu bieten. In unserer Version des virtuellen Labyrinths war es die Aufgabe der Benutzer:innen („Treugeber“), durch ein Labyrinth in VR zu navigieren, wo sie mit einem VH (dem „Treuhänder“) interagieren konnten. Sie könnten sich entscheiden, um Rat zu fragen und den Ratschlägen des VH zu folgen, wenn sie wollten. Als Verhaltensindikatoren/Maßstäbe für das Vertrauen dienten die Häufigkeit, mit der die Teilnehmer:innen nach Ratschlägen fragten und diese befolgten, sowie die Zeit, die sie brauchten, um auf den gegebenen Rat zu reagieren. Die beiden Bedingungen (vertrauenswürdig vs. nicht vertrauenswürdig) unterschieden sich nicht im Inhalt der Beratung, sondern im Aussehen, Tonfall und Engagement des Treuhänders (angeblich ein von anderen Teilnehmer:inne:n kontrollierter Avatar). Die Ergebnisse zeigten, dass die experimentelle Manipulation erfolgreich war, da die Teilnehmer:innen den VH in der vertrauenswürdigen Bedingung als vertrauenswürdiger einschätzten als den VH in der nicht vertrauenswürdigen Bedingung. Wichtig ist, dass sich diese Manipulation auf das Verhalten der Teilnehmer:innen auswirkte, da diese in der vertrauenswürdigen Bedingung häufiger um Rat fragten und Ratschläge befolgten, was darauf hindeutet, dass das Paradigma empfindlich auf Unterschiede in der Vertrauenswürdigkeit von VH reagiert. Somit kann das entwickelte Paradigma verwendet werden, um Unterschiede im zwischenmenschlichen Vertrauen gegenüber VHs zu messen und als wertvolles Forschungsinstrument für Forscher:innen dienen, die Vertrauen in VR untersuchen. Daher füllt Studie 2 die Lücke in der Literatur für ein Tool zur Messung des zwischenmenschlichen Vertrauens speziell für VHs in VR. Zwei experimentelle Studien mit einer Stichprobengröße von jeweils 50 Teilnehmern nutzten das Paradigma des virtuellen Labyrinths, bei dem die Teilnehmer 12 Räume unter unterschiedlichen Bedingungen betraten. Anschließend wurde der Einfluss der kognitiven Belastung (CL) auf das Vertrauen gegenüber VH in VR in Studie 3 (Studie zur kognitiven Belastung) und der Einfluss emotionaler Affekte in Studie 4 (Studie zum emotionalen Affekt, EA-Studie) auf das Vertrauen gegenüber VH in VR untersucht. In beiden Studien wurde die Einschätzung der Vertrauenswürdigkeit eines VH durch die Teilnehmer:innen mit drei Verhaltensindikatoren für Vertrauen in der Labyrinthaufgabe bewertet: 1) Häufigkeit der erfragten Ratschläge, 2) Häufigkeit der befolgten Ratschläge und 3) die Zeit, die die Teilnehmer:innen zur Ausführung der Aufgabe nach einem Rat benötigten. In Studie 3 wurde die CL mit der auditiven 1-Rücken-Aufgabe im Zustand hoher kognitiver Belastung (HCL) manipuliert. In Studie 4 wurde die Autobiographical Emotional Memory Task (AEMT) verwendet, um den EA von Teilnehmer:inne:n im Zustand des negativen emotionalen Affekts (NEA) zu manipulieren. Als zusätzliche Manipulation wurden die Teilnehmer:innen, während sie in die VR eintauchten, 12 negativen Bildern und Tönen ausgesetzt, die gleichzeitig präsentiert wurden, um die anfängliche Manipulation zu verstärken. Die Manipulation der subjektiven Faktoren (CL und EA) war in beiden Studien erfolgreich, da in beiden Studien signifikante Unterschiede zwischen den Bedingungen beobachtet wurden (höhere CL im HCL-Zustand und ein negativerer EA im NEA-Zustand). Allerdings beeinflusste nur die CL die Bewertung der Vertrauenswürdigkeit des VH durch die Teilnehmer. Die VH wurden nach der HCL-Bedingung als deutlich vertrauenswürdiger bewertet. Trotz der unterschiedlichen Vertrauensbewertung gab es keinen Unterschied darin, Ratschläge zu erfragen oder zu befolgen. Die Teilnehmer:innen in Studie 4 fragten und befolgten Ratschläge aufgrund ihres Vertrauens in die VH und in beiden Bedingungen gleich oft. Wichtig ist, dass in beiden Studien signifikante Unterschiede in den Reaktionszeiten der Teilnehmer:innen beobachtet wurden. In Studie 3 folgten die Teilnehmer:innen in der HCL-Bedingung den Ratschlägen schneller. Die Reihenfolge, in der die Bedingungen dargestellt wurden, beeinflusste die Erfahrung von CL. Die Teilnehmer:innen erlebten höhere CL-Werte und reagierten deutlich schneller auf Ratschläge, wenn eine niedrige kognitive Belastung (LCL) als erste Bedingung genutzt wurde, verglichen mit LCL als zweite Bedingung. In Studie 4 folgten die Teilnehmer:innen in der NEA-Bedingung den Ratschlägen langsamer, ähnlich wie in Studie 3. Die Reihenfolge der Bedingungen, hatte einen signifikanten Einfluss auf die EA. Wenn die NEA-Bedingung zuerst genutzt wurde, fragten und befolgten die Teilnehmer:innen weniger Ratschläge als wenn sie als zweites vorgestellt wurde. Mögliche Erklärungen für die Ergebnisse werden in der Arbeit diskutiert. Insgesamt bietet diese Arbeit ein neuartiges Werkzeug zur Vertrauensmessung (das virtuelle Labyrinth-Paradigma) und trägt zum Verständnis der Rolle psychologischer Faktoren beim Vertrauen gegenüber virtuellen Menschen in der virtuellen Realität bei.

Die Simulationstechnologie in der Medizin hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht. In der Zwischenzeit gibt es auch für Herzkatheteruntersuchungen und -interventionen „Virtual reality“ Simulatoren, die ein realistisches Training von Kathetereingriffen erlauben. Nicht geklärt ist bislang, ob Simulationstraining das Stressniveau des Untersuchers reduzieren kann. Im Rahmen dieser Studie wurde zur Beantwortung der genannten Fragestellung der Effekt von Virtual-Reality-Training auf das Stressniveau von Anfängern in der interventionellen Kardiologie untersucht. Hierzu wurde eine randomisiert-stratifizierte Studie bei 33 Anfängern in der interventionellen Kardiologie durchgeführt. Die Probanden wurden in eine Kontroll- und Simulationsgruppe aufgeteilt. Die Simulationsgruppe erhielt ein achtstündiges intensives Training an verschiedenen Simulatoren, während die Kontrollgruppe kein Simulationstraining, sondern lediglich eine theoretische Wissensvermittlung erhielt. Alle Teilnehmer mussten unter realitätsnahen Umständen im Herzkatheterlabor der Universitätsklinik Würzburg innerhalb von 30 Minuten eine PCI an einem pulsatilen Herzkreislaufmodell durchführen. Die Probanden dokumentierten vor und nach der Prä- und Postevaluation ihr aktuelles „Befinden“ anhand eines psychologi-schen Fragebogens PANAS. Ebenso wurden die Probanden hinsichtlich ihrer manuellen Fähigkeiten nach einem strukturierten Evaluationsbogen von einem interventionell tätigen Kardiologen bewertet Die Ergebnisse zeigten initial für die Parameter „aktiv, interessiert, freudig erregt, stark, angeregt, stolz, begeistert, wach, entschlossen und aufmerksam“ des Fragebogens PANAS keinen gruppenspezifischen Unterschied. Nach einem achtstündigen Simulationstraining gab die Simulationsgruppe eine signifikante Reduktion des Stressniveaus im Vergleich zur Kontrollgruppe an. Die aktuelle Studie zeigte, dass das Training an den Virtual Reality Simulatoren die herkömmliche Ausbildung in effektiver Weise ergänzen kann. Weitere Studien mit einer größeren und zugleich homogeneren Stichprobengröße sind nötig, um die genannten Hypothesen zu bestätigen. / In the following study the effect of virtual-reality-training has been analyzed in a randomised controlled trial at the university hospital of Würzburg. The study was performed using two simulation systems CATHI (Catheter Instruction System) and Immersion (CAE) in 33 participants, who have been beginners in interventional cardiology. 16 cardiologists were given 8 hours of intensive training at both simulation systems (=simulation-group). 17 participants represented the conventional education without receiving simulation-training (=control-group). All participants completed a pre- and post-evaluation with questionnaire PANAS (Positive and Negative Affect Schedule). In the beginning differences between the groups couldn´t be documented. After the virtual-reality-training the simulation group has shown a significantly positive affect (PA). The results prove that virtual-reality-simulation is a valuable tool to improve stress reduction in addition to the conventional education.

Gazes are of central relevance for people. They are crucial for navigating the world and communicating with others. Nevertheless, research in recent years shows that many findings from experimental research on gaze behavior cannot be transferred from the laboratory to everyday behavior. For example, the frequency with which conspecifics are looked at is considerably higher in experimental contexts than what can be observed in daily behavior. In short: findings from laboratories cannot be generalized into general statements. This thesis is dedicated to this matter. The dissertation describes and documents the current state of research on social attention through a literature review, including a meta-analysis on the /gaze cueing/ paradigm and an empirical study on the robustness of gaze following behavior. In addition, virtual reality was used in one of the first studies in this research field. Virtual reality has the potential to significantly improve the transferability of experimental laboratory studies to everyday behavior. This is because the technology enables a high degree of experimental control in naturalistic research designs. As such, it has the potential to transform empirical research in the same way that the introduction of computers to psychological research did some 50 years ago. The general literature review on social attention is extended to the classic /gaze cueing/ paradigm through a systematic review of publications and a meta-analytic evaluation (Study 1). The cumulative evidence supported the findings of primary studies: Covert spatial attention is directed by faces. However, the experimental factors included do not explain the surprisingly large variance in the published results. Thus, there seem to be further, not well-understood variables influencing these social processes. Moreover, classic /gaze cueing/ studies have limited ecological validity. This is discussed as a central reason for the lack of generalisability. Ecological validity describes the correspondence between experimental factors and realistic situations. A stimulus or an experimental design can have high and low ecological validity on different dimensions and have different influences on behavior. Empirical research on gaze following behavior showed that the /gaze cueing/ effect also occurs with contextually embedded stimuli (Study 2). The contextual integration of the directional cue contrasted classical /gaze cueing/ studies, which usually show heads in isolation. The research results can thus be transferred /within/ laboratory studies to higher ecologically valid research paradigms. However, research shows that the lack of ecological validity in experimental designs significantly limits the transferability of experimental findings to complex situations /outside/ the laboratory. This seems to be particularly the case when social interactions and norms are investigated. However, ecological validity is also often limited in these studies for other factors, such as contextual embedding /of participants/, free exploration behavior (and, thus, attentional control), or multimodality. In a first study, such high ecological validity was achieved for these factors with virtual reality, which could not be achieved in the laboratory so far (Study 3). Notably, the observed fixation patterns showed differences even under /most similar/ conditions in the laboratory and natural environments. Interestingly, these were similar to findings also derived from comparisons of eye movement in the laboratory and field investigations. These findings, which previously came from hardly comparable groups, were thus confirmed by the present Study 3 (which did not have this limitation). Overall, /virtual reality/ is a new technical approach to contemporary social attention research that pushes the boundaries of previous experimental research. The traditional trade-off between ecological validity and experimental control thus becomes obsolete, and laboratory studies can closely inherit an excellent approximation of reality. Finally, the present work describes and discusses the possibilities of this technology and its practical implementation. Within this context, the extent to which this development can still guarantee a constructive classification of different laboratory tests in the future is examined. / Blicke sind für Menschen von zentraler Relevanz. Sie sind entscheidend für die Navigation in der Welt und für die Kommunikation mit Mitmenschen. Dennoch zeigt die Forschung der letzten Jahre, dass sich Erkenntnisse aus der experimentellen Forschung zu Blickverhalten vom Labor nicht in alltägliches Verhalten übertragen lassen. So ist beispielsweise die Häufigkeit, mit der Mitmenschen angeschaut werden, erheblich höher in experimentellen Kontexten als das beobachtbare alltägliche Verhalten. Kurz: Erkenntnisse aus Laboren lassen sich nicht zu allgemeinen Aussagen generalisieren. Diesem Spannungsfeld ist die hier vorliegende Arbeit gewidmet. Diese Doktorarbeit beschreibt und dokumentiert den aktuellen Forschungsstand zur sozialen Aufmerksamkeit anhand einer Literaturübersicht inklusive einer Metaanalyse zum /gaze cueing/ Paradigma sowie einer empirischen Untersuchung zur Robustheit des Blickfolgeverhaltens. Zudem wird in einer der ersten Studien in diesem Forschungsfeld virtuelle Realität eingesetzt. Virtuelle Realität hat das Potenzial, die Übertragbarkeit zwischen experimentellen Laboruntersuchungen auf alltägliches Verhalten deutlich zu verbessern. Denn die Technologie ermöglicht eine hohe experimentelle Kontrolle in naturalistischen Forschungdesigns. Damit kann sie die empirische Forschung ebenso stark verändern wie die Einführung des Computers für psychologische Forschung vor rund 50 Jahren. Die Literaturübersicht über soziale Aufmerksamkeit wurde durch eine systematische Begutachtung der Publikationen und einer meta-analystische Auswertung zum klassischen /gaze cueing/ Paradigma erweitert (Studie 1). Die kumulierte Evidenz unterstützt die Befunde primärer Studien: Verdeckte räumliche Aufmerksamkeit wird durch Gesichter gelenkt. Allerdings zeigte sich eine überraschend große Varianz in den publizierten Ergebnissen, die durch die untersuchten experimentellen Faktoren nicht erklärt werden konnte. Es scheint also noch Weitere, nicht gut verstandene Einflussgrößen auf diesen sozial-kognitiven Prozess zugeben. Klassische /gaze cueing/ Studien besitzen zudem eine eingeschränkte ökologische Validität. Diese wird als ein zentraler Grund für die fehlende Generalisierbarkeit diskutiert. Ökologische Validität beschreibt die Übereinstimmung von experimentellen Faktoren mit realistischen Situationen. Ein Stimulus oder ein experimentelles Design kann auf verschiedenen Dimensionen hohe und niedrige ökologische Validität aufweisen. Dies kann auf verschiedene Verhaltensbereiche unterschiedlichen Einfluss haben. Die empirischen Untersuchungen zum Blickfolgeverhalten zeigten, dass der /gaze cueing/ Effekt auch bei kontextuell eingebundenen Stimuli auftritt (Studie 2). Die kontextuelle Einbindung des Richtungscues stellte dabei einen Kontrast zu klassichen /gaze cueing/ Studien dar, die in der Regel Köpfe in Isolation zeigen. Die Forschungsergebnisse lassen sich also /innerhalb/ von kontrollierten Laboruntersuchungen auch auf ökologisch validere Forschungsparadigmen übertragen. Forschungsarbeiten zeigen allerdings, dass die mangelnde ökologische Validität in experimentellen Designs die Übertragbarkeit von experimentellen Befunden auf komplexe Situationen /außerhalb/ des Labors erheblich einschränken. Dies scheint insbesondere der Fall zu sein, wenn soziale Interaktionen und Normen untersucht werden. Die ökologische Validität ist in diesen Studien aber auch für weitere Faktoren häufig eingeschränkt, wie beispielsweise die kontextuelle Einbettung /von Versuchspersonen/, freies Explorationsverhalten (und damit Aufmerksamkeitssteuerung) oder Multimodalität. In einer ersten Arbeit in diesem Forschungsfeld wurde für diese Faktoren mit virtueller Realität eine hohe ökologische Validität erreicht, die so bisher nicht im Labor zu erreichen war (Studie 3). Spannenderweise zeigten sich selbst unter /ähnlichsten/ Bedingungen im Labor und in der natürlichen Umgebung Unterschiede in den beobachteten Fixationsmustern. Interessanterweise sind diese ähnlich zu Befunden, die ebenfalls aus Vergleichen von Augenbewegung im Labor und Felduntersuchung stammten. Diese Befunde, die bisher auf wenig vergleichbare Untersuchungsgruppen beruhen, wurden durch die vorliegende Studie 3 (die diese Einschränkung nicht besitzt) bestätigt. Insgesamt steht der heutigen sozialen Aufmerksamkeitsforschung mit /virtueller Realität/ ein neuer technischer Ansatz zur Verfügung, der die Grenzen bisheriger experimenteller Forschung verschiebt. Die traditionelle Abwägung zwischen ökologische Validität und experimenteller Kontrolle wird damit hinfällig und in Laboruntersuchungen kann die Realität extrem nah nachgebildet werden. Abschließend werden in dieser Arbeit die Möglichkeiten und die praktische Umsetzung dieser Technologie beschrieben und diskutiert. Dabei wird auch kritisch beleuchtet, inwiefern mit dieser Entwicklung auch in Zukunft noch eine konstruktive Einordnung von verschiedenen Laboruntersuchungen gewährleistet werden kann.

Virtual reality and related media and communication technologies have a growing impact on professional application fields and our daily life. Virtual environments have the potential to change the way we perceive ourselves and how we interact with others. In comparison to other technologies, virtual reality allows for the convincing display of a virtual self-representation, an avatar, to oneself and also to others. This is referred to as user embodiment. Avatars can be of varying realism and abstraction in their appearance and in the behaviors they convey. Such userembodying interfaces, in turn, can impact the perception of the self as well as the perception of interactions. For researchers, designers, and developers it is of particular interest to understand these perceptual impacts, to apply them to therapy, assistive applications, social platforms, or games, for example. The present thesis investigates and relates these impacts with regard to three areas: intrapersonal effects, interpersonal effects, and effects of social augmentations provided by the simulation. With regard to intrapersonal effects, we specifically explore which simulation properties impact the illusion of owning and controlling a virtual body, as well as a perceived change in body schema. Our studies lead to the construction of an instrument to measure these dimensions and our results indicate that these dimensions are especially affected by the level of immersion, the simulation latency, as well as the level of personalization of the avatar. With regard to interpersonal effects we compare physical and user-embodied social interactions, as well as different degrees of freedom in the replication of nonverbal behavior. Our results suggest that functional levels of interaction are maintained, whereas aspects of presence can be affected by avatar-mediated interactions, and collaborative motor coordination can be disturbed by immersive simulations. Social interaction is composed of many unknown symbols and harmonic patterns that define our understanding and interpersonal rapport. For successful virtual social interactions, a mere replication of physical world behaviors to virtual environments may seem feasible. However, the potential of mediated social interactions goes beyond this mere replication. In a third vein of research, we propose and evaluate alternative concepts on how computers can be used to actively engage in mediating social interactions, namely hybrid avatar-agent technologies. Specifically, we investigated the possibilities to augment social behaviors by modifying and transforming user input according to social phenomena and behavior, such as nonverbal mimicry, directed gaze, joint attention, and grouping. Based on our results we argue that such technologies could be beneficial for computer-mediated social interactions such as to compensate for lacking sensory input and disturbances in data transmission or to increase aspects of social presence by visual substitution or amplification of social behaviors. Based on related work and presented findings, the present thesis proposes the perspective of considering computers as social mediators. Concluding from prototypes and empirical studies, the potential of technology to be an active mediator of social perception with regard to the perception of the self, as well as the perception of social interactions may benefit our society by enabling further methods for diagnosis, treatment, and training, as well as the inclusion of individuals with social disorders. To this regard, we discuss implications for our society and ethical aspects. This thesis extends previous empirical work and further presents novel instruments, concepts, and implications to open up new perspectives for the development of virtual reality, mixed reality, and augmented reality applications. / Virtual Reality und weitere Medien- und Kommunikationstechnologien haben einen wachsenden Einfluss auf professionelle Anwendungsbereiche und unseren Alltag. Virtuelle Umgebungen haben das Potenzial, Einfluss darauf zu nehmen, wie Mensche sich selbst wahrnehmen und wie sie mit anderen umgehen. Im Vergleich zu anderen Technologien ermöglicht Virtual Reality die überzeugende Visualisierung einer virtuellen Selbstdarstellung, eines Avatars, sichtbar für den Nutzer/die Nutzerin selbst aber auch für andere. Dies bezeichnet man als Nutzerverk¨orperung. Avatare können von unterschiedlichem Realismus und Abstraktion in Bezug auf ihr Aussehen sowie der Darstellung von Verhaltensweisen geprägt sein. Solche nutzerverkörpernde Schnittstellen wiederum können die Wahrnehmung des Selbst sowie die Wahrnehmung von Interaktionen beeinflussen. Für Forscher/-innen, Designer/-innen und Entwickler/-innen ist es von besonderem Interesse, diese Wahrnehmungseffekte zu verstehen, um sie beispielsweise auf Therapie, assistive Anwendungen, soziale Plattformen oder Spiele anzuwenden. Die vorliegende Arbeit untersucht und bezieht sich auf diese Auswirkungen in drei Bereichen: intrapersonelle Effekte, zwischenmenschliche Effekte sowie Effekte durch soziale Augmentierungen, die durch die Simulation bereitgestellt werden. Im Hinblick auf intrapersonelle Effekte widmet sich die vorliegende Arbeit insbesondere der Frage, welche Simulationseigenschaften die Illusion des Besitzens/Innehabens und der Kontrolle eines virtuellen Körpers sowie eine wahrgenommene Veränderung des Körperschemas beeinflussen. Die vorgestellten Studien führen zur Konstruktion eines Instruments zur Erfassung dieser Dimensionen und die Ergebnisse zeigen, dass die empfundene Verkörperung besonders von dem Grad der Immersion, der Simulationslatenz sowie dem Grad der Personalisierung des Avatars abhängt. Im Hinblick auf zwischenmenschliche Effekte vergleicht diese Dissertation physische (realweltliche) und virtuelle soziale Interaktionen sowie unterschiedliche Freiheitsgrade in der Replikation nonverbalen Verhaltens. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die funktionalen Ebenen der Interaktion aufrechterhalten werden, während Aspekte der Präsenz durch avatarvermittelte Interaktionen beeinflusst werden und die kollaborative motorische Koordination durch immersive Simulationen gestört werden kann. Die soziale Interaktion besteht aus vielen unbekannten Symbolen und harmonischen Mustern, die das menschliche Verst¨andnis und zwischenmenschliche Beziehungen definieren. Für erfolgreiche virtuelle soziale Interaktionen mag eine bloße Replikation von physikalischenWeltverhaltensweisen auf virtuelle Umgebungen m¨oglich erscheinen. Das Potenzial computervermittelter sozialer Interaktionen geht jedoch über diese bloße Replikation hinaus. Im dritten Bereich dieser Arbeit werden alternative Konzepte vorgeschlagen und evaluiert, wie Computer genutzt werden können, um eine aktive Rolle in sozialen Interaktionen einzunehmen. Diese Technologien werden als hybride Avatar-Agenten-Technologien definiert. Insbesondere wird untersucht, welche Möglichkeiten das soziale Verhalten zu erweitern emtstehen, indem die Verhaltensweisen der Benutzer/-innen entsprechend sozialer Ph¨anomene und Verhaltensweisen modifiziert und transformiert werden. Beispiele sind die nonverbale Spiegelung, der Fokus des Blicks, eine gemeinsame Aufmerksamkeit und die Gruppenbildung. Basierend auf den Ergebnissen argumentiert diese Arbeit, dass solche Technologien für computervermittelte soziale Interaktionen von Vorteil sein könnten, beispielsweise zum Ausgleich fehlender Sensorik, Störungen bei der Datenübertragung oder zur Verbesserung sozialer Präsenz durch visuelle Substitution oder Verstärkung des sozialen Verhaltens. Basierend auf verwandten Arbeiten und präsentierten Ergebnissen wird abgeleitet, dass Computer als soziale Mediatoren fungieren können. Ausgehend von Prototypen und empirischen Studien kann das Potenzial der Technologie, ein aktiver Vermittler in Bezug auf dieWahrnehmung des Selbst sowie dieWahrnehmung sozialer Interaktionen zu sein, unserer Gesellschaft zugutekommen. Dadurch können beispielsweise weitere Methoden zur Diagnose, der Behandlung und Ausbildung sowie der Inklusion von Menschen mit sozialen Störungen ermöglicht werden. In diesem Zusammenhang werden die Auswirkungen auf unsere Gesellschaft und ethische Aspekte diskutiert. Diese Arbeit erweitert frühere empirische Arbeiten und präasentiert darüber hinaus neue Instrumente, Konzepte und Implikationen, um neue Perspektiven für die Entwicklung von Virtual Reality, Mixed Reality und Augmented Reality Anwendungen zu beleuchten.

The use of digital media by children and young people offers opportunities for communication, collaboration, and participation. However, to prepare them for the risks and challenges of media usage, promoting digital competencies of students and teachers is an indispensable goal for educational institutions. To meet this requirement, teacher education must be opened to innovative pedagogical concepts for initial teacher education that considers new technologies in a reflective, action-oriented way to promote competencies. Therefore, this work aims to promote the technological pedagogical content knowledge (TPACK) of prospective teachers that enables the purposeful integration of social virtual reality (social VR) into the classroom. Consequently, a pedagogical concept is developed and evaluated in an iterative research and development process following the design- based research approach (DBR) through four consecutive studies. The first study involved an analysis of the requirements of teachers and students for the effective use of social VR in the classroom. The second study examined how prospective teachers perceive teaching and learning activities within two theory-driven scenarios in social VR. The third study investigated the development of Technological Pedagogical Content Knowledge (TPACK) among students in social VR compared to video-based communication. Finally, the fourth study measured the development of TPACK in social VR using epistemic network analysis, finding that social VR can be an effective tool for teacher education, emphasizing the importance of authentic contexts and practical experiences for effective teaching in social VR. In the concluding chapter, appropriate implications for teacher education research and practice are derived from findings. For example, that a deeper understanding of TPACK as metacognitive awareness could enhance teacher education for media integration. It also highlights the need for digital literacy in seminars that address new technologies, emphasizing the importance of considering moral values and sustainability when using VR. / Die tägliche und mittlerweile selbstverständliche Nutzung digitaler Medien durch Kinder und Jugendliche bietet neue Möglichkeiten für Partizipation, Kommunikation und Kollaboration. Um dieses Potenzial jedoch voll ausschöpfen zu können und junge Menschen auf die Risiken und Herausforderungen der Mediennutzung vorzubereiten, ist es eine wichtige Aufgabe, die digitalisierungsbezogenen Kompetenzen von Schülern und Lehrern gezielt zu fördern. Um dieser Aufgabe nachkommen zu können, besteht die Notwendigkeit der Öffnung der Lehrerbildung für innovative pädagogische Konzepte für die Hochschullehre, die neue Technologien reflektieren und handlungsorientiert für eine Kompetenzförderung berücksichtigen. Ziel dieser Arbeit ist es daher, das Professionswissen TPACK zukünftiger Lehrkräfte zu fördern, damit diese social Virtual Reality (social VR) handlungsorientiert in den Schulunterricht integrieren können. Dazu werden im Rahmen von vier konsekutiven Studien, einem Design-Based Research Ansatz folgend, ein Lehrkonzept für die Lehrerbildung entwickelt und in einem iterativen Forschungs- und Entwicklungsprozess evaluiert. In der ersten Studie werden die Anforderungen von Lehrern und Schülern für den effektiven Einsatz von Social VR im Unterricht analysiert. Die zweite Studie untersucht, wie angehende Lehrer das Lehren und Lernen in zwei theoriebasierten Szenarien in Social VR wahrnehmen. Die dritte Studie untersucht die Entwicklung des Technologisch-Pädagogischen Content-Knowledge (TPACK) bei Schülern in Social VR im Vergleich zur Video-basierten Kommunikation. Schließlich wird in der vierten Studie die Entwicklung von TPACK in social VR unter Verwendung von epistemischer Netzwerkanalyse gemessen. Es zeigt sich, dass social VR ein effektives Werkzeug für die Lehrerausbildung sein kann und betont die Bedeutung authentischer Kontexte und praktischer Erfahrungen für effektives Lehren in social VR. Im Schlusskapitel werden aus den Erkenntnissen relevante Implikationen für Forschung und Praxis in der Lehrerbildung abgeleitet. Beispielsweise könnte ein tieferes Verständnis von TPACK als metakognitives Bewusstsein die Lehrerausbildung für die Integration von Medien verbessern. Es betont auch die Notwendigkeit digitaler Kompetenz in Seminaren, die sich mit neuen Technologien befassen, und betont die Bedeutung der Berücksichtigung von moralischen Werten und Nachhaltigkeit bei der Verwendung von VR.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Nebenläufigkeit, Konsistenz und Latenz in asynchronen Interaktiven Echtzeitsystemen durch die Techniken des Profilings und des Model Checkings untersucht. Zu Beginn wird erläutert, warum das asynchrone Modell das vielversprechendste für die Nebenläufigkeit in einem Interaktiven Echtzeitsystem ist. Hierzu wird ein Vergleich zu anderen Modellen gezogen. Darüber hinaus wird ein detaillierter Vergleich von Synchronisationstechnologien, welche die Grundlage für Konsistenz schaffen, durchgeführt. Auf der Grundlage dieser beiden Vergleiche und der Betrachtung anderer Systeme wird ein Synchronisationskonzept entwickelt. Auf dieser Basis wird die Nebenläufigkeit, Konsistenz und Latenz mit zwei Verfahren untersucht. Die erste Technik ist das Profiling, wobei einige neue Darstellungsformen von gemessenen Daten entwickelt werden. Diese neu entwickelten Darstellungsformen werden in der Implementierung eines Profilers verwendet. Als zweite Technik wird das Model Checking analysiert, welches bisher noch nicht im Kontext von Interaktiven Echtzeitsystemen verwendet wurde. Model Checking dient dazu, die Verhaltensweise eines Interaktiven Echtzeitsystems vorherzusagen. Diese Vorhersagen werden mit den Messungen aus dem Profiler verglichen. / In this thesis the concurrency, latency, and consistency of asynchronous Realtime Interactive Systems (RIS) are analyzed using profiling and model checking. At the beginning, it is described why the Asynchronous Model is the most promising model to increase concurrency in a RIS. Therefore, it is compared to several other models. Furthermore, synchronization techniques are compared, which are used to provide consistency in a concurrent application. Upon both results, a synchronization concept is created. Using this concept, the concurrency, latency, and consistency are analyzed using two techniques. The first technique is profiling. New visualizations are developed to visualize profiling data measured by profiling. The second technique is model checking. In this thesis, model checking is used for the first time in context of a RIS. Model checking is used to predict the behavior of a RIS. The predicition and the measurement from the profiling are compared.