HeadTurner：通过辅助肩部和头部动作增强躺下时使用虚拟和混合现实头戴设备的视野范围和舒适度

研究背景与问题

• 问题或挑战： 作者发现，当用户以仰卧姿势使用虚拟现实（VR）或混合现实（MR）头戴设备时，肩膀和头部的旋转受到支持面的限制。这种限制导致观看范围减小和头部旋转舒适度降低。研究显示，与站立姿势相比，仰卧姿势下头部水平旋转范围从261°减小到130°，垂直旋转范围从172°减小到94.9°。此外，用户在仰卧时需要显著更大的主观努力和颈部肌肉激活来完成同样的旋转角度。
• 重要性： 随着VR/MR设备日趋普及，用户在不同情景下的舒适性成为关键，例如用于长期观看、医学治疗或休闲。现有的硬件和软件方法（如虚拟视口旋转或整个身体运动支持）均不能完全解决这一问题，并可能加剧VR晕动症。
• 研究动机： 本研究的动机是通过研究仰卧姿势下的制约条件，提出能扩展观看范围和提升舒适度的创新解决方案，同时不会产生额外的VR晕动症。

解决方案

• 方法或解决方案：
  • 作者提出了一款名为“HeadTurner”的设备，这是一种基于使用者主动头部旋转触发响应的2自由度(DoF)平台。该系统通过控制床的俯仰（pitch）和枕头的角度来配合用户的头部和肩膀运动，从而增加视角范围并提升舒适度。
• 创新之处：
  1. 系统的双子系统设计：一个用于头部引导的枕头子系统，支持俯仰运动；另一个用于身体辅助的倾斜子系统，支持水平旋转。
  2. 通过用户头部旋转触发相应平台动作，避免感官冲突和VR晕动症。
  3. 系统基于精确的实时数据获取（如头部姿态和距离感知），提供顺滑平稳的响应。
• 实施步骤与关键技术：
  1. 使用Meta Quest 3头显的追踪功能记录用户的头部运动数据，配合使用OptiTrack系统提供准确的空间位置捕捉。
  2. 使用PID控制和角位置反馈技术来驱动平台上的线性电机，实现枕头的俯仰调整和身体平台的旋转。
  3. 系统通过Unity程序实时分析和传递控制信号，并提供自动化校准功能。
  4. 系统提供高安全性设计（如速度和加速度限制）以确保用户在使用过程中的舒适与安全。

研究成果

• 具体成果：
  • HeadTurner扩展了用户的观看范围，水平旋转增加了24%，垂直旋转增加了9%。
  • 在实验场景（观看视频和第一人称射击游戏）中，使用HeadTurner时能显著提高观看范围（例如在游戏中扩展了12.4%的头部旋转范围），同时降低了主观努力和肌肉负荷。
  • 主观反馈表明，75%的参与者更喜欢带有HeadTurner的仰卧体验。
• 与现有解决方案的优势：
  • HeadTurner相比于纯软件或纯硬件方式避免了感官冲突，显著降低了物理约束，同时确保VR使用体验的自然和舒适。
  • 与能引发VR晕动症的现有体感旋转（如旋转椅）相比，HeadTurner在减少不适方面效果更佳，且在用户参与感和沉浸感方面表现优秀。
• 实验或评估结果：
  • 与普通床相比，使用HeadTurner观看视频时，主观舒适度显著提升；在FPS游戏中，主观努力降低了1.4分（10分制），但轻微的VR晕动症改善（FMS评分减少0.4分）未达到统计显著性。
  • 使用HeadTurner时，少数用户报告沉浸感提升，尤其表现在游戏环境中的战术操作和增强互动中。
• 局限性与未来方向：
  • 局限性：
    • 系统成本偏高，当前实现采用价格较昂贵的运动捕捉设备和平台。
    • 系统的响应速度存在改进余地（特别是枕头的角度调整），以适应快速变化场景。
    • 实验参与者主要是年轻人，缺乏包含老年用户或身体障碍人士的样本。
  • 未来方向：
    1. 优化系统硬件，降低实现成本，例如使用VR设备自带的陀螺仪代替外部追踪系统。
    2. 增加主动控制模式，预测用户意图，通过眼动追踪或其他技术自动调整设备。
    3. 将系统扩展到更多场景，如用于运动游戏、虚拟会议、甚至智能化多功能游戏椅。

总结

HeadTurner提供了一个创新的解决方案，解决了仰卧姿势下VR观看范围受限和舒适度不足的问题。其用户驱动的设计和实际实施证明了在多个应用场景中的有效性，同时为更广泛的仿真应用和辅助设备设计提供了参考。