实时减少虚拟现实病的新方法:设计与验证研究

简介

最近，以流媒体服务(如YouTube VR、Netflix等)为基础，提供虚拟现实(VR)内容的技术得到了迅速发展。头戴式显示器(hmd)的用户也在增加，根据ResearchAndMarkets.com [1]，到2026年，全球HMD市场预计将增长超过360亿美元。但是，戴着HMD观看VR内容时出现的“VR病”并没有对VR内容的扩散产生积极影响。为了解决这一问题，目前正在进行以下3个方向的研究。

第一个方向是查明VR病的病因。几项研究证实，速度[2]，看时间[3.]、俯仰和滚转[4影响虚拟现实疾病。另一项研究证实，VR病的程度因性别而异。5］．此外，研究[6-8]，以确认VR疾病与VR内容的要素、设备、人为因素之间的相关性。

第二个方向是VR疾病测量方法的推导。VR疾病测量方法分为主观方法和客观方法。主观方法采用模拟疾病问卷(SSQs)等调查方法[9-11]、晕动病易感性问卷[12]、游戏体验问卷[13，14]、沉浸倾向问卷及临场感问卷[14］．此外，在客观方法中，研究人员利用生物信号，如心电图、皮电活动、眼电和呼吸，来预测VR疾病[9，10，15］．然而，利用生物信号的VR疾病测量方法很难应用于普通用户，因为需要使用额外的设备。此外，主观测量方法需要调查，在播放VR内容时很难实时测量VR疾病。

第三个方向是虚拟现实疾病减少方法的推导。根据Singla等人[16)的研究结果证实，HTC Vive提供了一个比Oculus Rift更低水平的VR晕机环境。然而，我们很难得出结论，特定的硬件在减少VR疾病方面更有效，因为新的hmd不断被开发出来。因此，人们正在研究如何从内容上减少VR病。一项利用虚拟现实内容的视觉效果来减少虚拟现实疾病的研究[17]，还有一些研究试图通过在VR内容中使用虚拟人鼻子作为固定地球的网格来减少VR疾病[18，19］．虚拟人鼻技术的特点是鼻尖被固定在虚拟现实用户视野的中下方，作为一个休息框架，大脑可以利用它来进行自然的空间调整，从而减少模拟疾病[18］．此外，“虚拟引导化身”[20.]结合了各种运动属性与独立的视觉背景和动态视场修改技术[21]，这在一定程度上限制了用户为减少VR疾病而开发的FOV。然而，上述方法只是在内容开发步骤中预先应用，并没有在播放VR内容时实时应用VR疾病减少方法来适应用户的情况。

因此，很少有研究试图减少用户戴着HMD实时观看VR内容时发生的VR疾病。因此，提出了一种新的方法来测量和减少当用户戴着HMD实时观看VR内容时发生的VR疾病。提出的方法使用VR疾病反应，这是当用户戴着HMD观看VR内容时发生的VR疾病的直接反应的结果。三种已知能有效减少VR疾病的方法已被用于检验所提出方法的有效性，实验结果证实了这一点。此外，基于我们的结果，讨论了新方法对实时VR疾病减少的效果和VR疾病响应的效果。

方法

VR疾病测量与减少的新方法

本节将介绍一种实时VR减少疾病的新方法。在提出的方法中，当用户戴着HMD观看VR内容时发生VR晕眩时，用户点击一个按钮直接表达VR晕眩反应。在本文中，用户直接表达的反应被定义为“VR疾病反应”。图1展示了一种新方法的概念图，该方法旨在实时减少VR疾病。当用户戴着HMD观看VR内容时，如果出现VR晕机，点击按钮，点击次数之和就成为了VR晕机反应。然后，根据虚拟现实疾病反应值应用虚拟现实疾病减少方法。以下规则显示了如何根据VR疾病反应应用VR疾病减少方法:

例如，如果VR疾病反应在一定时间间隔内等于或大于阈值(方程中为α)(方程中为β)，则应用VR疾病减少方法。此外，如果应用VR疾病减少方法时，在一定时间间隔内VR疾病反应小于阈值(方程中为α)(方程中为β)，则不应用VR疾病减少方法。应用所提出的方法所需的参数、时间间隔和阈值是从初步实验中推导出来的，如图所示图2．

当他/她在观看VR内容时出现VR病时，被试者会点击一个按钮。另外，是否每1秒被试点击按钮被保存(点击，1;例如，如果视频播放时间为60秒，则保存其中60个表示为0或1的数据点。使用此数据集，时间间隔和阈值由以下4步确定。

首先，根据几种情况的时间间隔(如时间间隔= 5,10,15…n)，将VR内容的章节进行均匀划分。其次，计算每个病例在平均划分的部分中受试者的VR疾病反应的平均值。第三，从每个情况的平均值中选取最大值和最小值，并计算其差值。最后，将最大值与最小值之间的差异最小的病例的时间间隔设置为所提方法的时间间隔，并将同一病例的平均VR疾病反应设置为阈值。

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实验

本节描述了验证所提出的实时减少VR疾病新方法有效性的实验方法。该实验以20 ~ 30多岁的40名被试(男女各20名)为对象进行。此外，如图图3，选取了一段3D VR太空飞行视频作为原创VR内容，命名为M0。

原始VR内容的视图会根据受试者的头部运动而改变(图3B，过渡到图3A和3C根据头部运动)。原始的VR内容让受试者沿着预定的路径移动3D空间60秒。此外，相机的加速、减速和旋转(偏航、俯仰和滚动)也会引起VR病。如图4，受试者使用HTC Vive Pro Eye观看VR内容，并点击Xbox控制器按钮，实时表达他们对VR病的反应。

首先进行了初步实验，得到了新方法的参数(时间间隔和阈值)。在初步实验中，测量了40名受试者的VR疾病反应和SSQ。图5给出了初步实验得出的时间间隔和阈值。将之前实验中使用的原始VR内容按照时间间隔共分为4个案例，如图所示图5A(情况1的时间间隔为5秒;情况2,10秒;情况3,15秒;情况3,20秒)然后，在每种情况下，在分割的切片中推导VR疾病反应平均值，如图所示图5B.因此，推导出病例3中VR疾病反应最大值与最小值差异最小的时间间隔作为本文方法的时间间隔(时间间隔=15秒)。另外，我们推导出案例3中VR疾病反应的平均值作为阈值(threshold=3)。在得到参数后，选择了所提出方法中使用的虚拟现实疾病减少方法。为此，参考了已知有效的虚拟现实疾病减少方法。视觉引导是一种诱导凝视运动的视觉元素，已知可以有效减少VR疾病[21］．此外，已知VR疾病减少的效果随着FOV的降低而提高[22］．结果如图所示表1，共设计了3种VR疾病实时减少方法用于所提出的方法中，每种方法分别命名为M1、M2和M3。

第一种VR疾病减少方法(M1)与视觉导向一起应用，其纵横比大小为30%，位置与用户头部运动方向同步。第二种VR疾病减少方法(M2)采用了FOV，其大小为90°，位置与用户头部运动方向同步。

当M2被应用时，如果被试者的头部从屏幕的中心移动到屏幕的左侧，FOV将被限制在屏幕左侧的基础上。

第三种VR疾病减少方法(M3)， FOV大小为90°，位置与用户注视运动方向同步。当使用M3时，如果被摄者的视线从屏幕的中心移动到屏幕的左侧，FOV将在屏幕左侧的基础上受到限制。

图6展示了在建议的新方法中使用的虚拟现实疾病减少方法的例子。

实验采用如图所示的方案进行图73种VR疾病方法(M1-M3)。受试者在实验前响应MSSQ和SSQ，佩戴HMD后进行眼动跟踪校准。实验总时间为35 min，为保证可靠性，各方法(M1-M3)均随机进行。在观看VR内容时，研究人员根据这三种方法测量了受试者的实时VR疾病反应。

在实验过程中，如果在15秒内测量到VR疾病反应超过3次，则应用上述3种方法。

此外，在时间间隔内应用VR疾病减少方法，如果在时间间隔后VR疾病反应小于阈值，则停止该方法。

在观看完每个VR内容后，受试者有时间回答SSQ和关于疲劳和沉浸感的问卷;然后让他们休息一段时间，以降低VR病的程度。

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伦理批准

本研究已获得韩国科技教育大学机构审查委员会的批准(批准号19090401)。

结果

本节描述了验证新方法有效性的实验结果。总的来说，40名受试者中有26名没有体验过VR病;因此，没有采用减少VR疾病的方法，并分析了基于14名体验过VR疾病的受试者的结果。首先，使用配对比较M0和M1 ~ M3的SSQ评分t测试(2-tailed)。分析结果显示，当使用VR减病方法(M1-M3)时，恶心、动眼力不适和定向障碍的评分显著降低(所有患者均为P< . 05)。

M2组SSQ评分最低，M1和M3组SSQ评分相近。表2为根据SSQ评分的VR疾病减少结果。图8为虚拟现实疾病减少方法的SSQ得分。

此外，M0和M1对M3的VR疾病反应进行了配对比较t测试。所有VR疾病减少方法(M1-M3)均有显著的VR疾病减少。

与SSQ评分结果相似，M2的结果最低，M1和M3的结果相似。

表3显示了基于VR疾病反应的VR疾病减少结果。图9显示了对这些方法的VR疾病反应。

最后，从疲劳和浸泡问卷的结果来看，M3引起的疲劳程度最大，同时引起的浸泡程度最低。表4显示疲劳和浸泡的问卷结果。图10显示疲劳和沉浸感的问卷得分。

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讨论

在这项研究中，提出了一种新的方法来实时减少VR疾病。提出的方法使用了VR疾病反应，这是当用户戴着HMD观看VR内容时发生的VR疾病的直接反应的结果。通过初步实验推导出该方法所需的参数，并进行实验验证减少VR疾病的效果。

此外，通过实验验证了所提方法的有效性，从实验结果可以得出以下结论:(1)之前所采用的方法(M1-M3) [21，22]可有效减少VR疾病;(2)从被试VR疾病反应与SSQ评分有相似模式的结果可以看出用户的VR疾病状况;(3)基于虚拟现实疾病反应提供虚拟现实疾病减少方法的新方法意义重大;(4) VR疾病减少方法与凝视运动同步，导致疲劳和沉浸感降低。

从我们的结果中，我们证实了VR疾病可以在不佩戴设备的情况下进行测量，并且本文提出的方法可以根据用户的情况实时应用VR疾病减少方法。该方案将应用于内容流媒体服务，有望对VR内容的传播做出贡献。

这项研究有两个局限性。首先，在实验中使用了单一类型的VR内容;因此，需要使用各种类型的VR内容进行实验来补充这一局限性。其次，将所提出的方法应用于用户VR生病发生后;因此，需要进一步的研究来预测和减少VR疾病。