基于电刺激、振动和冷却刺激的重新导向行走：比较不同基于前庭刺激的重新导向行走系统

文献标题

Electrical, Vibrational, and Cooling Stimuli-Based Redirected Walking: Comparison of Various Vestibular Stimulation-Based Redirected Walking Systems

文献信息

• 主题领域: Virtual Reality (VR), 人机交互, 定向行走 (Redirected Walking)，前庭刺激技术
• 关键词: VR, Redirected Walking, Vestibular Stimulation, Gait Stability, Multisensory Integration, Haptic Device, Simulator Sickness, Immersion

研究背景与问题

• 发现的问题或挑战:

  1. Redirected Walking (RDW) 技术通过视觉操作将用户的路径弯曲，允许在有限的物理空间中漫游无限的虚拟空间。然而，这种技术的使用受到视觉与前庭感知不一致所带来的检测阈值（Detection Threshold, DT）的限制。
  2. 当前的研究未能充分解决前庭刺激方法之间的比较及非电性替代方案的可行性。
  3. RDW可能会降低用户的步态稳定性，从而形成安全隐患。

• 重要性: 解决视觉和前庭感受的不一致可以提升用户在VR环境中的沉浸感、存在感，并减少模拟病，扩大虚拟空间的可导航范围。同时，非电性刺激可作为传统电性刺激的备选方案，适用于对电流敏感或遭遇副作用的用户群。

• 研究动机与相关工作:

  1. 前庭刺激（如 Galvanic Vestibular Stimulation, GVS 等）已证实可成为扩展DT的有效途径。
  2. 现有研究中关于骨传导振动 (Bone Conduction Vibration, BCV) 和热刺激 (Caloric Vestibular Stimulation, CVS) 的应用有限。
  3. 步态稳定性和模拟病在RDW环境中仍需进一步量化评估。

解决方案

• 提出的解决方案: 作者提出了一种新的RDW系统，通过四种前庭刺激方法（噪声式电刺激（Noisy GVS）、方向式电刺激（Directional GVS）、骨传导振动（BCV）和热刺激（CVS））来减缓视觉与前庭感知的不一致，并改善步态稳定性。

• 创新点:

  1. 首次将非电性刺激（BCV和CVS）作为RDW技术的潜在替代方法进行了探索。
  2. 构建对比实验以综合评估四种刺激技术在DT扩展、步态稳定性、用户体验和模拟病方面的表现。
  3. 提出了具备稳健性和实用性的可穿戴设备以实现实时前庭刺激。

• 实施步骤与关键技术:

  1. 设备开发:
     • 开发支持噪声式和方向式电刺激的GVS设备，搭建骨传导振动模块和冷气刺激装置。
     • 每种设备均注重用户佩戴舒适性和实时数据采集。
  2. 实验设计:
     • 实验1 (E1): 在受控环境中测试DT扩展效果、步态稳定性、模拟病和不适程度。
     • 实验2 (E2): 在虚拟游戏环境中评估用户的沉浸感、任务表现、模拟病及实时不适得分。
  3. 多模态数据记录与分析: 使用压力传感器记录步态稳定数据，利用问卷调查（如SSQ、IPQ等）评估用户体验。

研究成果

• 具体成果:

  1. DT扩展效果: BCV和CVS显著增加了用户在曲率增益上的检测阈值 (DT)，平均扩展幅度达19.27%。
  2. 步态稳定性: 噪声式刺激 (Noisy GVS) 和骨传导振动 (BCV) 降低了步态稳定性，而方向式电刺激 (Directional GVS) 显著提高稳定性。
  3. 用户体验:
     • 噪声式刺激 (Noisy GVS) 有最低的不适和模拟病。
     • 骨传导振动 (BCV) 和热刺激 (CVS) 引发了较高的不适感，且CVS的噪声干扰显著降低了任务表现。
     • 所有前庭刺激均未显著降低沉浸感或存在感。
  4. 模拟病: 噪声式电刺激所引发的模拟病最低，BCV次之，而CVS因风噪声导致较高模拟病。

• 优势:

  • 非电性刺激方法（BCV和CVS）为前庭RDW技术提供了新的选择，适用于对电性刺激敏感的用户。
  • 方向式电刺激 (Directional GVS) 提供了安全且稳定的行走体验。

• 实验局限与未来方向:

  1. 局限性:
     • 当前设备的噪声问题影响了非电性刺激用户接受度。
     • 未系统性研究组合式前庭刺激方法（如方向式与噪声式同时应用）。
  2. 未来方向:
     • 优化设备设计以减少噪声（特别是CVS的风噪声）。
     • 研究前庭刺激与其他RDW技术（如旋转增益和吸引器/干扰器）的组合表现。
     • 在多样化VR场景下进一步验证系统的实用性。

总结： 本研究展示了不同前庭刺激在RDW技术中的可行性与比较，提供了拓展VR应用空间和提高用户体验的重要基础，并为未来的改良方向提供了明确建议。