在虚拟现实中骑行意味着什么？探索虚拟现实自行车模拟器的骑行真实感和控制

文献标题

What does it mean to cycle in Virtual Reality? Exploring Cycling Fidelity and Control of VR Bicycle Simulators

文献信息

• 主题领域: 虚拟现实中的骑行模拟器设计与评估
• 关键词: 虚拟现实, 骑行, 移动性, 自行车模拟器, 控制, 仿真真实感

研究背景与问题

• 作者发现的问题或挑战:

  • 当前的虚拟现实（VR）自行车模拟器通常采用固定平台设计，但这种设计缺乏完整的骑行体验，包括平衡、协调和通过空间的物理移动。
  • 虚拟现实头戴设备占据骑行者的视觉通道，无法确定外部真实感的需求以及自行车控制的精确程度。
  • 创建高现实感的VR骑行体验通常成本高昂且耗时，但不清楚这是否总是必要。

• 重要性:

  • 自行车模拟器在娱乐、健康和研究评估中发挥着重要作用。提高其真实感和安全性可以为用户提供更沉浸的虚拟骑行体验，同时降低虚拟现实疾病（如晕动症）的影响。

• 研究动机与相关工作:

  • 作者查阅相关研究发现，虽然软件上的细节真实感对骑行体验影响不大，但硬件真实感对用户体验效果至关重要。
  • 之前的研究集中在减少VR晕动症和增强沉浸感，但缺乏对硬件真实感如何影响骑行安全性、真实感以及晕动症的系统探索。

解决方案

• 作者提出的方法或解决方案:

  • 设计和评估三种VR骑行模拟器：
    1. Bikeless: 不使用实际自行车，仅利用手把和踏板。
    2. Stationary: 使用固定平台上的自行车。
    3. Tandem: 使用移动的联体自行车，通过空间移动实现贴近现实的骑行体验。
  • 考察四种控制级别（无控制、仅转向、仅踏板、转向+踏板），分析其对骑行真实感和安全性的影响。

• 创新点:

  • 提出基于联体自行车的模拟器设计，以实现更高真实感的VR骑行体验，同时探索是否需要实际自行车来模拟骑行。
  • 采用实验设计结合安全性、真实感和晕动症评估，系统比较硬件和控制维度对虚拟骑行的影响。

• 实施步骤与关键技术:

  • 使用Unity开发虚拟环境，与VR设备（Oculus Quest）和传感器（Arduino板和脚踏传感器）进行集成。
  • 搭建实验设备，分别在室内和室外场景对24名参与者进行实验。
  • 收集模拟器使用中的运动量、头部转动数据及主观问卷反馈，包括晕动症、真实感和安全性。

研究成果

• 具体成果:

  • 通过实验发现：
    • Bikeless设置提供最高的安全感，但真实感较低。
    • Tandem设置提供最高的骑行真实感，同时不会显著增加晕动症。
    • 转向+踏板的控制组合能显著增强用户对虚拟骑行体验的掌控度。

• 与现有解决方案的优势:

  • 提出的联体自行车设置能提供更贴近现实的骑行体验，是当前固定平台模拟器无法实现的。
  • 对于是否需要实际自行车的质疑，实验数据表明虚拟环境中自行车并非必需，这为成本较低的室内模拟器设计提供了支撑。

• 实验或评估结果:

  • 所有设置都表现出较低的VR晕动症评分（SSQ），并且Tandem设置的IPQ（存在感问卷）得分最高。
  • 在参与者的主观排名中，Tandem被认为最真实、Bikeless最安全。

• 局限性与未来方向:

  • 局限性：
    • 未探讨下坡及多转弯路线的复杂场景。
    • Tandem设置的安全性仍需优化，例如增强刹车机制。
    • 仅使用固定转向手把，未研究基于身体倾斜的自然转向方式。
  • 未来方向：
    • 研究复杂线路下虚拟骑行的控制需求。
    • 探索室内设置中引入风速、噪音等环境因素来提高真实感。
    • 开发更加多功能的VR移动模拟器，支持骑电动车等其他微型移动方式。