Embodied avatar movement distortions in virtual reality: effects on gait symmetry and goal-directed reaching movements of the upper and lower limbs

Willaert, Iris (2025). Embodied avatar movement distortions in virtual reality: effects on gait symmetry and goal-directed reaching movements of the upper and lower limbs. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In immersive virtual reality, when full-body tracking is enabled, a self-avatar can mimic the user’s movements from a first-person perspective and can serve as a representation of the user’s body within the virtual environment. If the avatar’s movements are sufficiently synchronized with the user’s actual movements, the user can experience a sense of embodiment over the avatar. Recent studies have shown that the sense of embodiment can persist even when the avatar is programmed to spatially deviate from the user’s actual movements. While such studies have primarily focused on upper-limb movements, which are typically deliberate, visually guided, and goal-directed, gait is a rhythmic and automatic motor behavior, and it remains unclear whether spatial distortions would persist in this context. Furthermore, in these prior studies, the avatar’s movements were directed toward a visible target, which may have contributed to the observed motor alignment, reflecting a response which was influenced by the goal and task structure, rather than a tendency to follow the distorted avatar’s movements.

Therefore, the main objective of this thesis is to better understand how spatial distortions applied to an embodied avatar influence individuals’ tendency to follow the avatar’s movements, and to explore the interrelation between these distortions, motor adjustments, and the sense of embodiment.

To better understand how gait responds to these distortions, we developed an algorithm to manipulate one of the avatar’s step lengths in real time by gradually increasing or decreasing the distortion. The first study assessed at which point the step length distortion became consciously noticeable and evaluated the impact of this detection on the sense of embodiment. Results showed that, on average, increasing distortions up to 12% could go undetected, while decreasing distortions were no longer noticed once they dropped below 9%. The sense of embodiment decreased with increasing distortion but was not disrupted by conscious detection alone. Furthermore, embodiment could be induced at high levels by gradually decreasing the distortion applied to an avatar, rather than the traditional method that consists of inducing embodiment without distortions and gradually applying them.

A secondary analysis of the same experimental data examined whether participants would adjust their gait to follow the avatar’s distorted step length, and whether such adjustments were influenced by conscious detection or changes in embodiment. However, despite perceiving the distortion, participants showed no changes in gait symmetry, suggesting that gait may be resistant to visual feedback manipulation. In contrast, earlier studies reporting an effect where participant align their movements with their distorted avatars typically involved discrete upper-limb movements, which differ from gait in being less automatic and more visually guided. Moreover, as those previous studies typically involved reaching movements toward visible targets, it remained unclear whether participants would align with a distorted avatar in the absence of such visual cues.

To verify whether participants would follow the avatar in more deliberate actions without explicit visual guidance, we designed a third study focusing on upper and lower-limb reaching movements performed without visual targets. An algorithm was developed that progressively increased the avatar’s lateral deviation relative to a fixed straight-ahead reference, with the magnitude of distortion increasing gradually after each reach. Contrary to our hypothesis, participants did not align their movements with the avatar’s distorted reaching trajectory but instead actively counteracted the distortion.

Together, these findings provide new insights into the boundaries of embodiment and the mechanisms supporting motor adaptation. They demonstrate that a strong sense of embodiment can persist even in the presence of spatial distortions, but that this does not necessarily lead to behavioral motor alignment with the avatar. During gait, participants largely disregarded the spatial distortions, likely due to the automatic and rhythmical nature of walking. In contrast, during a goal-directed reaching task, when distortions conflicted with expectations about how a movement should unfold, participants actively counteracted them.

Titre traduit

Distorsions des mouvements d’un avatar incarné en réalité virtuelle : effets sur la symétrie de la marche et les mouvements de portée dirigés du membre supérieur et inférieur

Résumé traduit

Dans la réalité virtuelle immersive, lorsque le suivi du corps entier est activé, un avatar peut reproduire les mouvements de l’utilisateur en vue à la première personne et ainsi servir de représentation du corps de l’utilisateur dans l’environnement virtuel. Si les mouvements de l’avatar sont suffisamment synchronisés avec ceux de l’utilisateur, ce dernier peut ressentir un sentiment d’incarnation envers l’avatar. Des études récentes ont montré que ce sentiment peut persister même lorsque les mouvements de l’avatar s’écartent spatialement de ceux de l’utilisateur. Toutefois, ces études se sont principalement concentrées sur les mouvements du membre supérieur, qui sont généralement délibérés, guidés visuellement et orientés vers un but, tandis que la marche est un comportement moteur rythmique et automatique. Il reste donc à déterminer si de telles distorsions spatiales auraient le même effet dans ce contexte. Par ailleurs, dans ces études antérieures, les mouvements de l’avatar étaient dirigés vers une cible visible, ce qui pourrait avoir contribué à l’alignement moteur observé, traduisant une réponse influencée par la cible et la structure de la tâche, plutôt qu’une tendance à suivre les mouvements déformés de l’avatar.

L’objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre comment les distorsions spatiales appliquées à un avatar incarné influencent la tendance des individus à suivre les mouvements de l’avatar, ainsi que la manière dont le sentiment d’incarnation est affecté et modulé par ces ajustements moteurs.

Pour mieux comprendre comment la marche réagit à ces distorsions, nous avons développé un algorithme permettant de manipuler en temps réel la longueur d’un pas de l’avatar, en augmentant ou diminuant progressivement la distorsion. La première étude a évalué le seuil à partir duquel la distorsion devenait consciemment perceptible, ainsi que son impact sur le sentiment d’incarnation. Les résultats ont montré que des distorsions allant jusqu’à 12% pouvaient passer inaperçues lorsqu’elles augmentaient progressivement, tandis qu’elles n’étaient plus détectées lorsqu’elles descendaient en dessous de 9%. Le sentiment d’incarnation diminuait avec l’ampleur de la distorsion, mais n’était pas rompu par la simple détection consciente. De plus, l’incarnation pouvait être induite à des niveaux élevés de distorsion lorsqu’elle était réduite progressivement, plutôt que par la méthode traditionnelle consistant à induire l’incarnation sans distorsion avant de l’augmenter graduellement.

Une analyse secondaire des mêmes données expérimentales a examiné si les participants ajustaient leur démarche pour suivre la longueur de pas déformée de l’avatar, et si ces ajustements étaient influencés par la détection consciente ou les variations du sentiment d’incarnation. Cependant, malgré la perception de la distorsion, aucun changement de symétrie de la marche n’a été observé, ce qui suggère que la marche pourrait être résistante à la manipulation par retour visuel. En revanche, les études antérieures montrant un effet d’alignement avec un avatar déformé concernaient généralement des mouvements discrets du membre supérieur, qui diffèrent de la marche par leur nature plus volontaire et visuellement guidée. De plus, ces études impliquaient souvent des mouvements vers des cibles visibles, laissant incertain si un alignement persisterait en l’absence de repères visuels.

Pour vérifier si les participants suivraient l’avatar dans des actions plus délibérées, sans repères visuels explicites, nous avons conçu une troisième étude portant sur des mouvements de portée du membre supérieur et inférieur réalisés sans cibles visuelles. Un algorithme a été développé pour introduire progressivement une déviation latérale dans la trajectoire de l’avatar, relative à une direction de référence droite vers l’avant, la distorsion augmentant après chaque mouvement. Contrairement à notre hypothèse, les participants ne se sont pas alignés sur la trajectoire déformée de l’avatar, mais ont activement contre-réagi à la distorsion.

Ensemble, ces résultats apportent un éclairage nouveau sur les limites de l’incarnation et les mécanismes sous-jacents à l’adaptation motrice. Ils montrent qu’un fort sentiment d’incarnation peut persister en présence de distorsions spatiales, mais que cela ne conduit pas nécessairement à un alignement comportemental avec l’avatar. Lors de la marche, les participants ont largement ignoré les distorsions, probablement en raison du caractère automatique et rythmique de la locomotion. En revanche, dans une tâche de portée dirigée, lorsque la distorsion contredisait les attentes liées au déroulement du mouvement, les participants ont activement contre-réagi.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 145-155).
Mots-clés libres:	réalité virtuelle, incarnation, ego-avatars, perception, distorsion, symétrie de la marche, longueur de pas, rééducation de la marche, mouvements de pointage, contrôle moteur
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Labbé, David
Codirecteur:	Codirecteur Aissaoui, Rachid
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	17 nov. 2025 15:23
Dernière modification:	17 nov. 2025 15:23
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3739

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