确定虚拟现实骑行中真实与虚拟倾斜的感知阈值

文献标题

Determining Perception Thresholds for Real and Virtual Inclinations While Cycling in Virtual Reality

出版信息

• 主题领域: 虚拟现实骑行系统中的人类感知研究。
• 关键词: 虚拟现实、骑行、感知阈值、倾斜不匹配、感觉整合、运动游戏、沉浸式训练、前庭反馈、本体感受、VR晕动症。

背景与问题

• 问题/挑战: 虚拟现实骑行中真实倾斜与虚拟倾斜之间的不匹配会破坏沉浸感并引发网络晕动症。现有研究缺乏关于这些不匹配的经验性阈值。
• 重要性: 理解感知阈值可以拓展虚拟现实设计的可能性，用于沉浸式训练、运动游戏和康复系统。
• 动机与相关研究: 先前关于视觉-触觉不匹配和虚拟现实错觉的研究表明视觉在其他感官中的主导作用。然而，虚拟现实骑行中倾斜不匹配的具体阈值尚未被探索。

解决方案

• 提出的方法: 在虚拟现实骑行过程中，实证测量真实与虚拟倾斜之间不匹配的感知检测阈值。
• 创新点:
  1. 定量分析真实与虚拟倾斜不匹配的一致性窗口。
  2. 鉴别上坡与下坡不匹配的非对称容忍度。
  3. 在虚拟现实骑行模拟中整合视觉、前庭和本体感受线索。
  4. 开发阶梯程序以测量感知阈值。
• 实验程序与关键技术:
  • 参与者在一个倾斜的固定自行车上骑行，体验虚拟城市模拟场景。
  • 真实倾斜范围为-15%到+15%，虚拟倾斜范围扩展至±50%。
  • 使用多阶梯程序测量每个真实倾斜的上下感知阈值。
  • 参与者通过车把按钮进行二元响应，判断虚拟坡度是否“过陡”或“过平”。

结果

• 具体发现:
  • 虚拟倾斜可以显著偏离真实倾斜而不被察觉，例如真实-15%下坡与虚拟-50%配对，以及真实+15%上坡与虚拟+31%配对。
  • 阈值具有非对称性，对下坡不匹配的容忍度更高。
  • 阈值与人口统计学特征、VR/骑行经验或主观负荷之间无显著相关性。
• 相较基线的优势: 提供了可操作的阈值，用于在不破坏沉浸感的情况下操控虚拟倾斜，从而扩展虚拟现实骑行系统的设计空间。
• 实验/评估:
  • 30名参与者（年龄21–56岁）完成了上下阈值测量的平衡实验。
  • 测量指标包括感知阈值、姿态分析以及标准化问卷（Borg-RPE、NASA-TLX、VRSQ、IPQ）。
  • 结果显示阈值在人口统计学和经验变量之间保持稳定。
• 局限性与未来工作:
  • 样本偏向年轻参与者，结果可能无法推广至老年群体。
  • 阈值测量基于P50检测水平；容忍阈值（P75）尚未探索。
  • 未来研究应调查连续坡度变化和更广泛的感知操控（例如踏板阻力、速度）。

总结

本研究确立了虚拟现实骑行中真实与虚拟倾斜不匹配的感知检测阈值，揭示了偏差不被察觉的一致性窗口。结果显示上坡与下坡不匹配的容忍度具有非对称性，对虚拟下坡夸张的容忍度更高。这些发现使设计者能够在虚拟现实骑行系统中操控倾斜，用于沉浸式训练、运动游戏和康复，同时保持用户的沉浸感与舒适度。未来工作应进一步完善容忍阈值，探索长期影响，并将研究扩展至其他虚拟现实领域。