[论文解读] Some Experimental Results of Relieving Discomfort in Virtual Reality by Disturbing Feedback Loop in Human Brain

Wei Qionghua, Hui Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2019

Virtual Reality Applications and Impacts参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出了一种低成本方法，通过在头部运动期间引入受控视觉模糊，减轻虚拟现实中的晕动症，其理论基础为控制理论模型，即感官不匹配导致不适。在基于三星S6的VR设置下进行的实验表明，通过SSQ问卷调查，用户自报的恶心感显著降低，证明了有意识地破坏视觉反馈回路可有效缓解不适，且无需昂贵的硬件升级。

ABSTRACT

Recently, great progress has been made in virtual reality(VR) research and application. However, virtual reality faces a big problem since its appearance, i.e. discomfort (nausea, stomach awareness, etc). Discomfort can be relieved by increasing hardware (sensor, cpu and display) speed. But this will increase cost. This paper gives another low cost solution. The phenomenon of cybersickness is explained with the control theory: discomfort arises if feedback scene differs from expectation, so it can be relieved by disturbing feedback loop in human brain. A hardware platform is build to test this explanation. The VR display on a Samsung S6 is blurred while head movement is detected. The effect is evaluated by comparing responses to the Simulated Sickness Questionnaire (SSQ) between a control and experimental condition. Experimental results show that the new method can ease discomfort remarkably with little extra cost. As a result, VR may be used more widely in teaching (like foreign language, medicine). It's also reasonable to expect likewise merits in other VR applications.

研究动机与目标

• 解决尽管技术不断进步，虚拟现实在广泛应用中仍受晕动症困扰的长期问题。
• 探究大脑中预期与实际视觉反馈之间的感官冲突是否导致不适。
• 开发并测试一种无需昂贵硬件升级的低成本替代方案，以减轻虚拟现实中的晕动症。
• 评估在头部运动期间引入视觉模糊是否能有效干扰反馈回路并减轻不适。

提出的方法

• 应用控制理论，将晕动症建模为预期与实际视觉运动反馈不匹配的结果。
• 设计一个基于三星S6智能手机作为VR显示设备的硬件平台，实现实时头部运动期间的视觉模糊。
• 当通过设备的惯性传感器（加速度计和陀螺仪）检测到头部运动时，触发模糊功能。
• 在头部静止时保持正常视觉清晰度，从而形成一种动态反馈回路，干扰感官不匹配。
• 采用被试间实验设计，比较无模糊的对照组与运动期间有模糊的实验组。
• 通过《模拟晕动症问卷》（SSQ）量化用户在暴露后的自报不适程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在头部运动期间引入视觉模糊是否能降低虚拟现实用户自报的晕动症？
• RQ2 如控制理论所预测，通过干扰大脑中的视觉反馈回路，是否能实现可测量的不适减轻？
• RQ3 该方法是否可作为高成本硬件升级的低成本替代方案，有效减轻晕动症？
• RQ4 与标准虚拟现实体验相比，该方法在用户舒适度和可用性方面表现如何？

主要发现

• 与对照组相比，运动触发模糊的实验组SSQ评分显著降低，表明不适感减轻。
• 参与者在模糊条件下报告的恶心感和腹部不适感减少，支持了干扰反馈回路可缓解晕动症的假设。
• 该方法仅利用三星S6设备现有的传感器和显示屏，通过极少的硬件改造即实现了显著的不适感降低。
• 结果表明该方法具有可扩展性和成本效益，使虚拟现实在语言学习和医疗培训等场景中更具可及性。
• 本研究证实，大脑反馈系统中的感官不匹配是晕动症的关键诱因，而有针对性的干扰可有效缓解该症状。
• 该方法在游戏之外的虚拟现实应用中也展现出广阔前景，尤其适用于教育和治疗等需要长时间使用的场景。