Desarrollo de un videojuego de realidad virtual para simular corrientes de rasgada

Resumen

Las corrientes de rotura se encuentran entre los peligros meteorológicos más mortíferos de los Estados Unidos. Con el fin de demostrar las acciones adecuadas para tomar cuando se captura en una corriente de rasgadura de una manera memorable y atractiva, se desarrolla un videojuego de realidad virtual.

Resumen

Los bañistas en los Estados Unidos se enfrentan a muchos peligros diferentes, pero las corrientes de rasgadura son anualmente las más mortíferas para los nadadores oceánicos. A pesar del riesgo que presentan las corrientes de rasgadura, es evidente que el público tiene una comprensión limitada de su peligro y las acciones atenuantes adecuadas a tomar cuando se detecta en uno. Un videojuego de realidad virtual (VR) que colocaba a los participantes en una corriente de rasgadura simulada fue desarrollado para ayudar a mejorar este problema. El juego de realidad virtual se utilizó para inspeccionar a los beachgos en la costa atlántica de Long Island, Nueva York durante julio y agosto de 2019. Las acciones que los participantes tomaron cuando se enfrentaron a la corriente de rasgadura fueron registradas, junto con si escaparon o se ahogaron. También se llevó a cabo una entrevista con cada jugador después de que participaron en el juego para determinar el realismo de la simulación de corriente de rasgadura y su eficacia en la demostración de las acciones adecuadas para tomar cuando se ve afectado por uno. El análisis de esos resultados indica que la realidad virtual tiene potencial para comunicar el riesgo actual de rasgadura y formas de minimizarlo de una manera única y atractiva. Sin embargo, se necesita más trabajo para mejorar la facilidad de uso de la simulación de realidad virtual y comprender mejor cómo factores como la demografía influyen en el riesgo de corriente de rasgadura y la respuesta conductual.

Introducción

Las corrientes de desgarramiento son "flujos fuertes y estrechos de agua que se extienden lejos de la playa^1." Las corrientes de rasgadura pueden ocurrir comúnmente en cualquier playa con olas rompiendo y pueden transportar nadadores rápidamente lejos de la costa. Las corrientes de rasgadura peligrosas pueden ocurrir en días de playa aparentemente 'seguros' con alturas de onda de sólo 2 a 3 pies^2,y por lo tanto pueden sorprender a los nadadores, ya que se llevan una distancia considerable de la costa. Esto pone a los nadadores en riesgo de pánico, agotamiento e incluso ahogamiento. Como resultado, las corrientes de rasgadura son una de las principales causas de muertes por tiempo en los Estados Unidos. Por ejemplo, en 2018, se atribuyeron 71 muertes a corrientes de rasgadura, y para el período de 10 años 2009-2018, un promedio de 58 individuos perecieron cada año³. Las corrientes de rasgadura son el peligro principal para los asistentes a la playa; en 2018, las muertes por corriente representaron el 65% de todas las muertes por "zona de surf" en los Estados Unidos. Parece haber cierto control demográfico sobre la vulnerabilidad de la corriente de rasgadura, ya que un estudio encontró que los hombres son más de seis veces más propensos que las mujeres a ahogarse por corrientes de rasgadura que las hembras⁴. Además, investigaciones adicionales encontraron que los usuarios de playas poco frecuentes son más propensos a hacer opciones de seguridad de playa más pobres⁵ y que los no locales son considerablemente más propensos que los lugareños a sufrir lesiones en la zona de surf^6,7.

Sin embargo, a pesar de su lugar entre los peligros climáticos más mortíferos en los Estados Unidos, las corrientes rasgadas son mal entendidas por el público. Una encuesta de 392 usuarios de playas públicas en Texas determinó que sólo el 13% podía identificar correctamente una corriente de rasgadura de las fotografías presentadas^{a ellos 8}, mientras que se encontraron resultados similares en estudios realizados en Pensacola Beach, Florida⁹ (15%) y Miami Beach, Florida¹⁰ (27%). En términos más generales, Houser et al (2017)⁵ realizaron una encuesta basada en Internet con 1622 encuestados en 49 de los 50 estados de Los Estados Unidos y encontraron que el 54% de los participantes reportaron correctamente una acción a tomar cuando se capturaban en una corriente de rasgadura. Sin embargo, la naturaleza auto-seleccionada de la muestra de la encuesta dictaminó que sólo el 10% de la muestra era un usuario de playa poco frecuente, que son más vulnerables a las corrientes de rasgadura y se mostraron en la encuesta para poseer menos conocimiento de qué hacer en uno.

Está claro que las corrientes rasgadas presentan un desafío único, dado que son mal comprendidas por el público, pueden ocurrir repentinamente a pequeña escala con una advertencia mínima o nula, y pueden resultar en la muerte. Por lo tanto, se necesitan nuevos enfoques para hacer frente a este desafío de seguridad pública. La tecnología inmersiva, como la realidad virtual (VR), proporciona un enfoque innovador para aumentar la alfabetización actual y fomentar el comportamiento positivo al impacto. Investigaciones previas han indicado que la realidad virtual y tipos similares de medios inmersivos son altamente eficaces para comunicar información. La realidad virtual se define generalmente como una experiencia interactiva que tiene lugar dentro de un entorno simulado que incorpora retroalimentación auditiva y visual, por lo general con la ayuda de un auricular. Un estudio reciente¹¹ afirmó que la realidad virtual es una tecnología madura, adecuada para ayudar en el proceso de investigación científica. Además, otras investigaciones recientes¹² mostraron que cuando las personas leen una historia del New York Times con un suplemento de realidad virtual, eran más propensos a percibir la fuente como creíble, recordar la información presentada, compartirla con otros y sentir una conexión emocional, que aquellos que leen el artículo en los medios tradicionales, con solo texto y gráficos. Estudios adicionales^13,14 concluyeron que los medios inmersivos promueven la educación mediante el aumento de la participación y la aplicabilidad real de un tema. Más recientemente, los investigadores¹⁵ aprovecharon la realidad virtual para simular una caída de huracanes de categoría 3 y determinaron que los encuestados que ven la realidad virtual eran significativamente más propensos a considerar la evacuación que aquellos que solo ven texto tradicional y productos gráficos. A pesar de su clara utilidad, ningún estudio o iniciativa ha demostrado de forma integral cómo la realidad virtual se puede aplicar eficazmente al desafío único de capacitar a los usuarios de la playa para localizar y reaccionar mejor a las corrientes de rasgadura. El presente trabajo llena ese vacío de investigación enseñando primero a las personas a nadar y saludar en un entorno oceánico virtual y luego evaluar cómo reaccionan ante el inicio repentino y no advertido de una corriente de rasgadura. Los participantes fueron entrenados tanto en natación como en agitación de ayuda porque cada una de esas acciones se consideran respuestas válidas cuando se capturan en una corriente de rasgadura^16,17, con condiciones particulares a una rasgadura individual a menudo dictando qué acción podría ser más eficaz para facilitar la fuga¹⁸. Nos presumemos que la naturaleza realista y memorable de una simulación de corriente de rasgadura VR permitirá a los participantes tomar con éxito la acción evasiva en el juego virtual y luego informar que la experiencia mejoró su conocimiento del riesgo y la mitigación de la corriente de rasgar.

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Protocolo

Todos los métodos utilizados fueron aprobados por la Junta de Investigación Institucional de la Universidad Hofstra (IRB). El videojuego de realidad virtual desarrollado se utilizó para encuestar a 64 personas.

NOTA: Los scripts se escribieron en el lenguaje de C- y están disponibles para su descarga en: https://github.com/Jasebern/HofstraVR.

1. Creación de VR rip juego de vídeo actual: Entorno virtual y entrada / salida del usuario

1. Plataforma de desarrollo de VR abierta (por ejemplo, Unity¹⁸). Este procedimiento se completó en Unity 2018.3.1f1.
   1. Inicie un nuevo proyecto 3D titulado 'Rip Current'. Un proyecto 3D contiene una o varias escenas compuestas de 'objetos de juego' que pueden aparecer como objetos sólidos¹⁹. Los scripts se pueden agregar a los objetos del juego, lo que permite la interactividad y los cambios en tiempo real en el entorno. Este proyecto contendrá cuatro escenas y numerosos objetos de juego.
   2. Abre la pestaña Unity Asset Store. Contiene 'prefabs'-- colecciones ya creadas de objetos de juego 2D y 3D y archivos de audio -- desarrollados por otros usuarios que se pueden agregar al proyecto²⁰.
   3. Importa el recurso "Integración de Oculus" desde Unity Asset Store que proporciona activos fundamentales para el desarrollo de realidad virtual.
2. Cree la primera escena nueva: Menú principal (Figura 1).
   1. Usar activos ? Crear ?? Capa de terreno y luego agregue la coloración adecuada para crear un activo de terreno verde montañoso como un fondo atractivo para la escena del menú principal.
   2. Usar GameObject ? UI ( UI) Lienzo para añadir un nuevo lienzo, titulado Menú principal, con un cuadro de texto para el título Simulación VR. Un lienzo es un objeto de juego que almacena texto y botones que permiten la interacción del usuario y los eventos especificados en la simulación en función de esa entrada^4.
   3. Adjunte scripts, escritos en el lenguaje C- , a un objeto de juego. Agregue el script seleccionando el objeto de juego de destino deseado en la jerarquía de escenas. A continuación, en la pestaña Inspector , seleccione Agregar componente ? Nuevo scripte introduzca el título de script deseado.
   4. Siga el procedimiento anterior para agregar el script titulado MainMenu al lienzo del menú principal.
      NOTA: Consulte la Tabla 1 para conocer el título y la función de todos los scripts utilizados.
   5. Usar GameObject ? UI ( UI) Botón para agregar cuatro botones de texto al lienzo: Inicio, Opciones, Acerca dey Salir. Llame a la función adecuada desde los scripts MainMenu y MouseHover cuando se selecciona un botón.
3. Cree la segunda escena nueva: Prueba de boya (Figura 2).
   1. Descarga el recurso Agua realista de unity Asset Store y añade el prefab Sea a la escena.
      1. Añade un archivo de audio de las olas del océano al prefab del mar en bucle. Agregue desde la pestaña Inspector seleccionando Agregar componente . Fuente de audio.
   2. Utilice la herramienta de capa de terreno como se muestra arriba para crear un objeto de juego denominado Playa. En las opciones De terreno de la ficha Inspector, utilice la herramienta Pintar configuración de terreno y terreno para aplicar estilo y color a arena.
   3. Descarga el paquete De activos estándar de Unity Asset Store y añade el prefab player a la escena. El prefab del jugador incluye una cámara que está incrustada dentro del reproductor, siguiendo así sus movimientos para crear la sensación de que el participante del juego está controlando al jugador.
      1. Como se ha realizado anteriormente, agregue los scripts PlayerController, PlayerMotor, PlayerMotor2 y FloatObject al prefab player. Esos guiones permiten al participante del juego controlar el prefab del jugador mediante el uso de Oculus VR Controllers.
      2. Añadir una animación a la cámara seleccionando Activos . Crear ?? Controlador de animador. Utilice la ventana Animador para grabar una animación de la cámara que se está acelerando hacia arriba y hacia abajo y configurarla en bucle continuamente. Esto simula a una persona que se mantiene a flote en el océano.
      3. Como se ha realizado anteriormente, agregue un Canvas titulado TextCanvas. Texto secundarioCanvas al jugador arrastrándolo al jugador en la jerarquía. Un objeto de juego secundario hereda las propiedades de movimiento y rotación del objeto de juego primario. Añade el texto "Nadar a través de las boyas" a TextCanvas. Grabe un archivo de audio leyendo ese texto, agréguelo a TextCanvas como se realizó anteriormente y establézcalo para que se reproduzca al principio de la escena.
      4. Establezca la ubicación del jugador navegando a la pestaña del inspector y ajustando la Posición en las opciones Transformar. Establezca la ubicación del jugador en X-23,44, Y-1 y Z-5,97.
   4. Descarga el paquete VR Hands and FP Arms de Unity Asset Store y, como superior, el prefab 'FP_Character' al jugador. Esto permitirá que los brazos se muevan con el jugador y también bob arriba y abajo con la cámara del jugador.
      1. Elija el prefab deseado seleccionándolo en la jerarquía y marcando la casilla situada junto a su nombre. El prefab FP_Character contiene prefabs masculinos y femeninos, cada uno con dos brazos, izquierda y derecha.
   5. Agregue un nuevo objeto de juego haciendo clic con el botón derecho en la jerarquía y seleccionando Crear vacío. Asigne al punto de comprobacióndel objeto de juego el nombre .
   6. Descarga el recurso Simple Buoy de Unity Asset Store y añade el prefab de boya a la escena como un niño del Punto de control. Duplica el prefab de la boya haciendo clic derecho sobre él y seleccionando Duplicar. Asigne un nombre a una 'buoy L' y la otra 'buoy R', y colóquelas 4 unidades de parte en el eje X ajustando la posición de transformación de cada una como arriba. Establezca la ubicación de la boya L en X-2, Y-0 y Z-0, y la ubicación para la boya R en X-2, Y-0, Z-0.
      1. En la pestaña Inspector del objeto de juego de punto de control, seleccione Agregar componente . Física (Física) Box Collidor. A continuación, seleccione Editar colisionador y dibuje el colisionador entre las dos boyas.
      2. Como se mencionó anteriormente, agregue el script Checkmark al objeto De juego de punto de control. El guion sale de la escena una vez que el jugador entra en ella (es decir, nada a través de las boyas) y pasa a la siguiente escena.
4. Cree la tercera escena nueva: Prueba de onda ( Figura3) seleccionando Archivo ? Guardar como mientras todavía está en la escena de prueba de boya y cambiarle el nombre.
   1. Elimine el objeto de juego de punto de control haciendo clic con el botón derecho en él en la jerarquía y seleccionando Eliminar.
   2. Añade un sencillo barco de madera a la escena descargando el recurso Old Wooden Row Boat v2 de Unity Asset Store y añade el prefab Boat a la escena. Ajuste la posición de transformación de la embarcación como se ha indicado anteriormente en X-12, Y-0,16 y Z-14,66.
   3. Descarga el recurso Personas animadas de Baja Poli desde la Asset Store de Unity y añade el prefab Kid a la escena. Duplica el prefab Kid como arriba y el niño tanto en el prefab del barco, cambiando el nombre del objeto de juego al barco con los niños,y localizando a los dos niños en la parte superior de los dos asientos en el barco.
   4. Como arriba, añade un Animador al Barco con objetos de juego para niños, y graba una animación del barco dando vueltas lentamente alrededor del agua, emulando un bote de remos moviéndose lentamente.
   5. Navegue hasta el prefab del jugador y sus elementos secundarios en la ventana Jerarquía y cambie el nombre de la mano izquierda a 'mano de onda'.
      1. Como arriba, añade un Animador a la mano de onda y graba una animación del brazo y la mano moviéndose hacia arriba y hacia abajo simulando una onda de mano.
      2. Como se mencionó anteriormente, en la pestaña Inspector del objeto de juegodel jugador , agregue una fuente de audio con un clip de audio de una mano salpicando en el agua, distinto del clip de dos brazos salpicando en el agua añadido anteriormente.
      3. Como se mencionó anteriormente, añade el script FemaleAnimate a la mano de onda, para permitir que el participante del juego controle la onda de la mano usando los Controladores Oculus.
   6. Ajuste el texto en TextCanvas para que lea 'Wave to the people on the boat!', grabe un archivo de audio leyendo ese texto y establézcalo para que se reproduzca al principio de la escena.
   7. Basado en el guión PlayerMotor2, tan pronto como el participante ve el barco y las olas, Unity pasa a la escena Rip Current.
5. Cree la cuarta escena nueva: Rip Current (Figura 4).
   1. Ajuste el texto en TextCanvas para que diga '¡Estás siendo sacado de la orilla!' y como arriba, graba un archivo de audio leyendo ese texto, añádalo a TextCanvasy presébico para que se reproduzca al principio de la escena.
      NOTA: No indique explícitamente que el participante está experimentando una corriente de rasgadura, con el fin de simular con mayor precisión ser atrapado inesperadamente en una corriente de rasgadura.
   2. Como se mencionó anteriormente, cree un nuevo objeto de juego en la jerarquía denominada rip_collider y agregue un Box Collider. Para utilizar rip_collider para emular una corriente de rasgadura como un canal estrecho de flujo que se extiende desde la playa hacia el océano, utilice transform para establecer la posición en X, 251, Y-1, Z-251, y cambie la escala a X-8.2 y Z-35.7 para crear las dimensiones adecuadas. El script PlayerMotor2 también simula una corriente de rasgadura tirando constantemente del reproductor perpendicular (lejos) de la orilla (es decir, el terreno de la playa). Esta corriente de rasgadura es una fuerza constante 1,25 veces más fuerte que los movimientos normales de natación del jugador.
      1. Seleccione GameObject ? Efectos ? Sistema de partículas para añadir un nuevo sistema de partículas, titulado 'Rain Basic', y el niño a rip_collider. Un sistema de partículas emula entidades líquidas en 3D, como la lluvia y las nubes. El sistema de partículas se utiliza para simular el agua espumosa, lo que ayuda a demarcar una corriente de rasgadura en el agua del océano. Para ello, en la pestaña Inspector, establezca la posición de la transformación en X-0, Y-3 y Z-0.97, y la escala X-0.1 y Z-0.1, para incrustar las partículas dentro del canal de corriente de rasgadura.
   3. Como se mencionó anteriormente, utilice la pestaña Inspector para agregar el script RipExit al objeto rip_collider Game. El script registra si el jugador escapa de la corriente de rasgadura (es decir, sale del colisionador rip_collider).
      NOTA: Como se describe en la Tabla 1,el script PlayerMotor2 controla la mayoría de los aspectos de la escena Rip Current, saliendo de la escena y volviendo a la escena del menú principal una vez que se cumple alguna de las siguientes condiciones:
      -- Olas de jugadores
      -- El jugador sale de rip_collider
      -- La resistencia llega a cero
      El script también escribe los resultados de la interacción del jugador en la escena en un archivo, utilizado para el análisis de datos posteriores sobre las interacciones generales de los participantes con la corriente de rasgadura.
6. Para compilar el proyecto final, seleccione Archivo . Configuración de compilación y asegúrese de que las cuatro escenas creadas están desactivadas y en el orden correcto. A continuación, seleccione la plataforma PC, Mac y Linux Standalone y seleccione Build. Esto solicitará una ventana de selección para una carpeta de salida de compilación. Seleccione una carpeta adecuada (es decir, 'Escritorio') y, a continuación, compile. Esto creará un acceso directo de archivo ejecutable en la carpeta deseada titulada 'Rip Current.'

2. Encuesta a individuos con el videojuego vr rip actual

1. Abra el software 'Oculus' utilizando el acceso directo del escritorio y, a continuación, configure el hardware a través del programa. Asegúrese de que los auriculares, dos sensores y dos controladores se muestren como verdes(Figura 5).
   1. Determinar la ubicación de una encuesta y el método de reclutamiento. En este estudio, se empleó un muestreo de conveniencia. Los investigadores visitaron una playa pública dos veces por semana durante ocho semanas durante julio y agosto y solicitaron a los participantes potenciales mientras caminaban por el paseo marítimo. Además de tener al menos 16 años de edad, no había ningún otro requisito además de la voluntad de participar.
2. Administrar la primera parte de la encuesta (formulario de consentimiento y preguntas demográficas) en un iPad separado.
3. Entregue los controladores de RV al participante y asegúrese de que los sujetan correctamente en las manos correctas, y estén familiarizados/cómodos con los controles, y luego coloque los auriculares en el participante.
4. Seleccione y ejecute el acceso directo Rip Current desde el escritorio.
5. Permita que el participante proceda a través de la simulación, proporcionando coaching / asesoramiento sólo cuando sea necesario. Deben completar la escena actual de rasgadura principal por su cuenta.
6. Una vez que terminen, retire los auriculares y comience la segunda parte de la encuesta, la parte de la entrevista.
7. Conecte un micrófono a una tableta y comience a grabar. Haga preguntas sobre el conocimiento previo y la experiencia con las corrientes rasgadas y la eficacia de la simulación de corriente de rasgadura para demostrar las acciones adecuadas a tomar, así como la calificación de su realismo y naturaleza inmersiva.
8. Una vez completada la entrevista, detenga la grabación, agradezca al participante y proporcione la compensación que desee. Guarde el archivo de entrevista con el nombre correspondiente a la fecha y el número de jugador tal como se registra en la escena Rip Current.

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Resultados

La encuesta de videojuegos VR rip current se llevó a cabo en julio y agosto de 2019 en Long Island en la ciudad de Hempstead Beach en Point Lookout, Nueva York (los resultados detallados se pueden encontrar en la Tabla Suplementaria 1-3). 64 personas jugaron el juego y respondieron a la encuesta, con 60 escapando de la corriente de rasgadura y 4 ahogados (es decir, la resistencia llegó a cero). Entre los 60 que escaparon, 51 salieron saludando pidiendo ayuda, y 9 lo hicieron nadando físicamente fuera ...

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Discusión

El análisis preliminar de los resultados de la encuesta de seguimiento demuestra que el videojuego vr rip current fue generalmente eficaz para representar con precisión el riesgo y demostrar las acciones adecuadas para tomar de una manera atractiva y memorable. Los encuestados a las preguntas a escala Likert indicaron que la simulación de realidad virtual les dio lugar a sentirse más preparados que no para una corriente de rasgadura y también que era bastante inmersivo. Además, los resultados de elegir una de las s...

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dell 17.3" Alienware 17 R5 Laptop	Dell		PC for virtual reality development
Oculus Rift S	Oculus		Virtual reality headset