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翁冬冬:晕动症是制约VR发展的重要因素

VRAll2018-11-07 14:32:25



小V有话说

一周未见,小伙伴们有没有想念小V呀?下面小V要放大招啦!

一份来自北理工的VR干货!


作者介绍
翁冬冬:北京理工大学光电学院副研究员,澳大利亚国立大学访问学者,新媒体娱乐领域专家。2006年毕业于北京理工大学光电工程系,获工学博士学位。参与多项国家863、973科研项目。


虚拟现实技术近几年发展迅速,因为虚拟现实技术具有许多传统设备并不具备的优点,例如:严谨的环境控制、可以创造出生态学有效刺激呈现的可能性和及时的反馈等。但是,伴随着虚拟现实技术的发展,许多虚拟现实技术独有的问题也随之而来。其中,最主要也是最经常发生的问题就是虚拟现实晕动症,大量的使用者在体验虚拟现实产品中都经历过类似晕动症的症状,这种症状被称为虚拟现实晕动症。




与运动不适的概念有三个:晕动症、模拟器晕动症、虚拟现实晕动症。




晕动病是汽车、轮船或飞机运动时所产生的颠簸、摇摆或旋转等任何形式的加速运动,刺激人体的前庭神经而发生的疾病。患者初时感觉上腹不适,继有恶心、面色苍白、出冷汗,旋即有眩晕、精神抑郁、唾液分泌增多和呕吐。由于运输工具不同,可分别称为晕车病、晕船病、晕机病(航空晕动病)。




前庭系统、视觉系统和其他系统从日常生活中感受到的刺激信号储存于中枢神经系统内,当处于乘车、乘船、乘机等新的运动环境时,其感觉信号与储存于中枢神经内的信号相异,产生不适应状态,这是晕动症产生的主要原因。


前庭系统不会记录持续的匀速的被动运动。如果速率保持稳定,如火车、飞机和电梯的匀速运动时候,这种运动就不能被探知。这是由于以下事实,在恒定的被动运动情况下,前庭液、耳石和感受器很快就会以同样的速度运动,重力和惯性都被克服了,并且前庭机构之间也没有相对运动了。因此,就没有足够的刺激来探测到运动。



模拟器疾病指的是使用模拟器的环境出现不适的症状,也叫模拟器适应综合征,产生的原因是因为模拟器模拟的环境并不符合真实情况。


晕动症最经常的发生方式是在实际的运动中(如导致晕船的上下摆动)时,而模拟器晕动症是受到模拟环境中的视觉信息的刺激,但是没有任何实际行动。

模拟器晕动症还有特别的症状,比如:眼睛疲劳,这在晕动症中是很少发生的。



虚拟现实晕眩症用于描述用户在使用头部控制的虚拟现实系统后产生的晕动病。


在一个典型的虚拟环境中,用户经常需要在身体不动的情况下观察动态场景。这种情况下,用户经常产生强制性的自我运动感觉(称为运动错觉),症状包括恶心,眼疲劳,晕眩等。




虚拟现实晕动症三大典型症状:恶心,眼部不适和方向障碍。



虚拟现实晕动症16个小型症状:身体不适、疲劳、头痛、眼睛疲劳、眼睛聚焦困难、唾液分泌增加、出汗、恶心、注意力不集中、头胀、视觉模糊、眼花(眼睛睁开时)、眼花(眼睛闭合时)、头晕、胃部不适、打嗝等症状。另外有干扰平衡能力、方向感的副作用,还有在使用后不相信真实环境的真实性的情况。




虚拟现实晕动症会使三种能力丧失.




模拟器晕动症的症状与晕动症的症状相似,但是症状通常要轻得多,许多晕动症会产生的症状在模拟器晕动症中不再发生。



虚拟现实晕动症比模拟器晕动症的症状更加严重,可能是因为虚拟现实技术能够带来更高的沉浸感。




为了解释有关虚拟现实晕动症产生的不良反应,提出了虚拟现实晕动症产生的3大主流的理论,即:1、感知冲突理论2、姿态平衡理论3、中毒理论。




感知冲突理论:感知冲突理论是目前对虚拟现实晕动症最普遍的解释。这个理论认为,如果外部环境的刺激被不同的感知器官感知的结果不同,就会引起晕动症。如图所示:这个人的前庭系统体验到的重力是竖直向下的,而视觉上认为重力方向应该是跟着图片旋转的,这样就会出现感知冲突。感知冲突主要体现在跟踪不准确和延迟。




姿势平衡理论:姿势平衡理论认为一旦一个人在外界环境的刺激下无法保持一个稳定的姿势就会诱发晕动症。姿势的稳定性通常被定义为人体重心偏移的距离,如图1所示:这个人的姿势会发生倾斜来矫正视觉刺激的取向,但是因为重力的感觉是竖直向下的,所以姿势变得不平衡,姿势不平衡感越强,人们就会感到越来越不舒适。事实上,姿势不稳可以看做是感知冲突的更加受限制的形式。因为它关注的是前庭系统无法应付的刺激。姿势平衡理论在虚拟现实晕动症研究领域越来越受到欢迎,因为它可以进行客观的评价。




中毒理论:中毒理论试图从进化的角度说明晕动症的发生机理。该理论认为,毒物摄入会导致涉及视觉,前庭的协调,以及其他感官输入系统的生理效应。有些设计不合理的仿真或者游戏会让身体误认为它已经摄取某种类型的有毒物质,这种物质能够影响视觉和前庭系统。这样就会导致紊乱的状况,导致呕吐反应发生。这个理论认为虚拟现实晕动症的产生就是基于一个帮助人体排出体内毒素的过程。


除了上述三个主流的观点,仍然有很多引起虚拟现实晕动症的因素。显示的问题,个人因素等也可能会引起虚拟现实晕动症。



造成或影响虚拟现实晕动症的主要原因可以分为四个类别:1、系统原因(由于软硬件系统整体设计不当导致的晕眩)、2、由于硬件设备性能不足产生的晕眩、3、由于软件内容设计不当导致的晕眩,4、由于个人因素导致的晕眩反应的不同。




由于目前很多虚拟现实系统,并不能提供真实的运动输出。所以基于这样的系统设计快速运动的内容将会导致严重的前庭感知与视觉感知不一致。


这一问题在多数情况下是产生虚拟现实晕动症的主要原因,例如:在一些漫游类场景中,由于佩戴者并不会随着场景的移动而移动,因此,在前庭的感知和视觉的感知上发生冲突,所以大部分这一类的场景会诱发运动不适。




理工大学与圣威特的这一联合实验中,首先让用户乘坐汽车并实时获得汽车的定位位置,以保证用户在虚拟环境中所见运动与真实运动相一致。之后再让用户坐在一个固定位置重温更刚才的内容。结果发现,在前一个体验中(虚实运动一致)被试几乎没有产生晕动症症状,而在第二个体验中(虚实运动不一致)几乎所有被试都报告出现不适反应。





除了系统设计本身的原因,硬件性能不足也是导致晕动症的一个重要原因。




硬件方面导致晕动症最主要的一个原因是系统延迟,这一参数与显示器件刷新率、交互系统延迟、跟踪系统延迟和运算性能限制密切相关。




这张图说明的系统总体延迟与其他参数的关系。




显示器视场角与晕动症的关系:Seay等人指出,SSQ-T的分数在60度视场比180度视场要高。Duh等人在测试了两种不同的虚拟环境中的30,60,90,120,150,180度视场之后,发现了类似结论。对于所有的虚拟场景,虚拟现实晕动症的症状程度也随着视场大小的增加而增加。并且在不同的场景之间没有明显的统计学差异。Dizio and Lackner说视场角减半会减轻一半的虚拟现实晕动症症状,尽管他们并没有提出有效的数据。上图是部分人的实验关于视场角和虚拟现实晕动症的关系。




接着是软件方面,包含很多具体的影响因素。




视角的影响:减轻这种不舒适的一个意外有效的方法是丢弃第一人称视角。比如Lucky’s Tale、Edge of Nowhere 和 Blaze Rush 使用的是第三人称的视角。玩家仍然可以环顾四周,看看这个世界的范围和深度,但是断开你的化身和你眼睛的联系却使运动变得不那么使人不安。


我们发现在虚拟现实世界中最舒适的方式是待在交通工具上(不管是汽车、飞机还是机器人),而且是以第三人称进行的。


但第三人称也存在一些问题。因为针对VR晕动症采用的这个视角,有可能会使VR内容的趣味性降低。作为VR内容的最大魅力 - 存在感和真实感,会因为第三人称而变得不那么突出。导致使用者问道“这种内容有必要做成VR吗?”这种负面影响会随着越来越多的人习惯VR而逐渐显现出来。


对于这个问题,他表示可能会采用游戏角色向镜头挥手等与玩家进行互动的动作来弥补。如何通过专用手柄在VR空间内与各种物体互动是最大的挑战之一。

无论是第三视角跑酷游戏还是横版跑酷游戏,它都留有足够的时间让玩家根据环境做出反应。但是在虚拟现实当中不同,虚拟现实讲求沉浸感,讲求第一人称视角的体验,那么跑酷游戏的运动状态就与之发生冲突。这样的直接反应就是,玩家眼睛所接受到的画面与大脑反应能力无法直接对上号,于是就会产生眩晕。



场景复杂程度的影响:Richard等通过实验证明:虚拟现实晕动症随着场景复杂度的提升而提升。这可能是由于更多的细节导致了更频繁的眼动或是更重的大脑负担。



主动与被动:Xiao Dong等人通过实验,让Driver玩30min游戏并记录,随后将记录的运动放给Passenger,确保Driver和Passenger所接受的视觉刺激完全相同。


结果发现晕动症发生率:Passenger(69%) >>Driver(15%)


Driver:13个人中有2人产生了晕动症,中断游戏时平均参与时间为26.35min

Passenger:13人中有9人产生了晕动症,中断游戏时平均参与时间为15.23min




场景比例:虚拟场景一旦与真实场景比例有偏差,就会影响用户体验,引发晕动症,这种偏差越大,越容易诱发虚拟现实晕动症,比如:虚拟场景中人的高度与真实场景的高度不一致,导致用户无法适应异于真实场景的视觉,从而引发晕动症。

 

但是这一因素随着在线时间逐渐减弱。实验证明人类具有很强的适应能力,只要新世界的规则稳定可靠,人们一般会在3-5分钟逐渐适应新的规则。

如图是斯坦佛大学著名的三只手实验。


实验一共20个参与者(10男,10女),9个人在普通组,11个人在“3胳膊”组。参与者都是美国中等规模大学的大学生和毕业生。模型也通过性别和身高进行了调整。


通过触摸方块的任务进行实验。有两组方块,一组离自己比较近,另一组离自己比较远,触摸了以后改变颜色,记录规定时间内触摸方块数量。


普通组中,通过跟踪参与者的手部位置来控制角色模型的手部位置,远距离的方块组需要参与者往前走一步才能触摸到。


“3胳膊”组中,参与者不仅仅用自己的手控制角色模型的手,还通过两个手腕的旋转,控制第3只手的位置。第3只手很长,并不需要往前走一步,就能够触摸到远距离的那一组方块。


在”3胳膊“组中的参与者触碰了更多的方块。当和普通组中的参与者表现进行比较的话,拥有3只手的参与者能够触摸更多的方块,因为他们不用移动就可以触摸很大的范围,即时是参与者的运动映射到模型上面是不一样的(通过转动手腕进行控制)。这些实验确认了人们可以很快的学习使用奇特的角色模型,而且效果很成功,即使是角色模型和原本是身体完全不一样。

 

从实验数据可以看出,但在3-5分钟后,人们开始大量使用“3胳膊”(新规则),即使这种规则与他们日常的习惯不同,但只要它能够提供更高的效率,人们还是更乐意使用新规则。




环境特性:如果虚拟场景设计成在真实场景中也不容易辨别方向的狭窄、黑暗的环境,也容易让用户产生晕眩症状。




在大部分的第一人称射击游戏中,用户视线集中的位置对用户体验有着很大的影响,比如加上准心的虚拟场景和不加任何静态参照物的虚拟场景对用户体验有很大的区别,有静态参照物的虚拟场景会让用户的视线集中于一个位置,不会分散在其他运动的物体上,减少了眼睛疲劳。


虽然改良的运动追踪及低延时技术在一定程度上解决了这一问题,但还是有很多人反映,会出现不适感。不过普杜大学计算机图形技术学院的研究人员发现,只要在VR场景中加一个虚拟的鼻子,就能解决头晕等问题。


研究人员称,它就是一个虚拟化的鼻子,之所以能产生治晕的效果,可能是因为人需要一个固定的视觉参照物,所以就算在VR中加入一个汽车仪表盘,也能产生相同的效果。


研究人员在各种虚拟场景中对41名参与者进行了测试,一部分人会有虚拟鼻子,一部分没有。结果发现,有鼻子的人都能保持更长时间的清醒。




北理工与圣威特的联合实验也验证了这一现象:在虚拟场景中旋转、漫游时,由于手机屏幕刷新率低会导致眩晕感,设计不随场景移动、永远清晰呈现在屏幕上的静态标志物来削弱眩晕感,这些标志物有不同的形状和呈现方式,通过它们来牵扯用户的注意力使用户不会因为屏幕内容变化产生的模糊而感到不适。




通过在旋转搜索的应用中增加不同的静态参照物,研究人员发现:位于中心的复杂且较大的静态参照物明显降低了用户的晕眩程度。




摄像机不良运动:人们在体验虚拟现实技术的时候,人眼看到的虚拟场景其实就是虚拟相机拍摄到的场景,因此虚拟相机的摆放位置、缩放、旋转、以及抖动都会影响虚拟现实晕动症的发生率,相机的位置摆放不合理,经常快速的缩放、旋转和抖动,会让使用者的视觉产生疲劳,进而诱发了晕动症。




个人差异也是晕动症的重要影响因素:


经验或习惯的影响:经过证明是可以降低虚拟现实晕动症的。在虚拟环境中的持续时间也是确定可以增加虚拟现实晕动症的。


心理因素: Young提出了一个有意思的结论,心理预期会对虚拟现实晕动症实验产生至关重要的作用。同样的,有实验表明虚拟现实晕动症和焦虑有很强的相关性。





SSQ量表由MSQ(晕动症)量表发展而来,通过16个症状来评价整体的晕眩情况。是最为常用的晕动症测量手段。




由于量表的主观性,研究者们致力于研究出一种客观的评测方法能够对虚拟现实晕动症进行有效的评估。姿势稳定性评估就成为了一种低成本的客观的评价方法。


姿势稳定性与晕动症密切相关,理论认为,人们的晕眩程度越高,姿势就更加不稳定。目前,姿势不稳定性评估有两种主要的手段,即一定时间内保持固定姿势失败次数和保持固定姿势直到失败所需要的时间。



为了提供一些客观的容易检测的评价方法,多种生理特征评价方法已经被开发出来。心跳速率和血压分析已经被证实与虚拟现实晕动症有一定的相关性。这种评测方法具有易于操作和便于分析的特点。还有一些更常见的检测方法包括ECG(心电图),血压,胃电图(EGG)和呼吸(RSP)等。心电图检测了心脏的信号,胃电图检测胃的运动。目前这两种方式被证明是有效的。Roberts等人在2005年使用胃电图作为检测手段对虚拟现实晕动症做了检测。他们分析了胃的变化,变化幅度和功率谱的变化数据。他们的研究集中在胃动过速上。他们发现胃动过速会在参与者收到虚拟现实环境刺激的时候发生,并与持续时间相关。



本文内容来源自公众号北京圣威特科技有限公司,不代表VRAll微信平台的立场。



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