VR健身單車(chē)暈動(dòng)癥的研究

彭曉倩　方曉敏　張楊昊

【摘 要】針對(duì)VR健身單車(chē)使用中容易產(chǎn)生暈動(dòng)癥，設(shè)計(jì)了阻力機(jī)構(gòu)和風(fēng)扇機(jī)構(gòu)來(lái)增加運(yùn)動(dòng)真實(shí)感，采用Unity 3D繪制虛擬場(chǎng)景，在視角、紋理貼圖、場(chǎng)景復(fù)雜度、場(chǎng)景中物體的大小比例和場(chǎng)景移動(dòng)速度等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，測(cè)試結(jié)果表明，本VR健身單車(chē)的設(shè)計(jì)可以有效地降低暈動(dòng)癥。同時(shí)測(cè)試結(jié)果表明虛實(shí)運(yùn)動(dòng)不一致是產(chǎn)生VR健身單車(chē)暈動(dòng)癥的重要因素，VR健身單車(chē)暈動(dòng)癥最容易產(chǎn)生方向障礙，女生較男生更容易產(chǎn)生暈動(dòng)癥。

【關(guān)鍵詞】VR;健身單車(chē);暈動(dòng)癥

中圖分類(lèi)號(hào)： TS952.91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）26-0097-002

【Abstract】Aiming at the motion sickness easily occurring in the use of VR fitness bicycle， resistance mechanism and fan mechanism are designed to increase the motion realism. Virtual scene is drawn by Unity 3D. Optimum design is made in the aspects of visual angle， texture mapping， scene complexity， object size ratio in scene and scene moving speed. The VR fitness bicycle design can effectively reduce motion sickness. At the same time， the test results show that the inconsistency between virtual and real exercise is an important factor in VR fitness bike motion sickness. VR fitness bike motion sickness is the most prone to direction obstacles. Girls are more prone to motion sickness than boys.

【Key words】VR; Fitness bicycle; Motion sickness

0 引言

健身單車(chē)是一種不受場(chǎng)地、天氣限制的健身器材，但是長(zhǎng)時(shí)間的鍛煉容易感到單調(diào)乏味。VR技術(shù)運(yùn)用在健身單車(chē)上能夠很好地解決這個(gè)的問(wèn)題。室內(nèi)VR健身單車(chē)鍛煉一段時(shí)間會(huì)感到暈眩，即VR暈動(dòng)癥，表現(xiàn)最明顯的就是惡心、動(dòng)眼神經(jīng)不適和方向障礙三大主要癥狀。針對(duì)VR暈動(dòng)癥，當(dāng)前研究表明VR暈動(dòng)癥產(chǎn)生主要是因?yàn)橐曈X(jué)前庭沖突。人體所處的位置信息和狀態(tài)是通過(guò)視覺(jué)、前庭器官、肌肉以及大腦共同協(xié)作完成的。VR設(shè)備給使用者視覺(jué)的是運(yùn)動(dòng)信息，而前庭器官感受到的卻是實(shí)際靜止的信息，大腦神經(jīng)中樞兩種信息產(chǎn)生矛盾，從而使人體失去了平衡狀態(tài)，就會(huì)產(chǎn)生眩暈惡心等生理反應(yīng)。

1 VR健身單車(chē)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

VR暈動(dòng)癥的產(chǎn)生主要有三個(gè)方面因素：硬件、軟件和使用者體質(zhì)情況。硬件原因主要包括：屏幕的大小、頭顯設(shè)備的分辨率、設(shè)備的延時(shí)時(shí)間等。軟件原因包括場(chǎng)景的設(shè)計(jì)、場(chǎng)景移動(dòng)的速度等。本文將從硬件、場(chǎng)景設(shè)計(jì)方面來(lái)改善VR健身單車(chē)的暈動(dòng)癥。

為了獲得更好的沉浸感和運(yùn)動(dòng)真實(shí)感，本文在健身單車(chē)上增加了阻力機(jī)構(gòu)和風(fēng)扇機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)USBHID通信接收上下坡信號(hào)，并調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿阻力，產(chǎn)生騎行阻力感;干簧管傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)騎行速度，控制系統(tǒng)根據(jù)速度快慢調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生速度感。上位機(jī)的場(chǎng)景中移動(dòng)速度和實(shí)時(shí)騎行速度保持一致。

2 Unity場(chǎng)景設(shè)計(jì)

為了盡可能地減小VR健身單車(chē)的暈動(dòng)癥，增加運(yùn)動(dòng)真實(shí)感，本文在場(chǎng)景設(shè)計(jì)時(shí)考慮了視角、紋理貼圖、場(chǎng)景復(fù)雜度、場(chǎng)景中物體的大小比例和場(chǎng)景移動(dòng)速度等方面。

本文用采用Unity 3D繪制虛擬場(chǎng)景，首先導(dǎo)入創(chuàng)建地形所需要的資源包，選擇菜單欄中的Assets→Import Package→Environment命令，導(dǎo)入所需的環(huán)境資源包。然后建立地形繪畫(huà)場(chǎng)景，具體步驟如下：

（1）選擇gameobject—3D object—terrain，為場(chǎng)景新建三維地形。

（2）給地形添加草地模型，繪制草坪。首先導(dǎo)入所需要的資源包，然后在地形工具欄中為地形添加貼圖。

（3）采用地形刷子繪制山坡地形，選擇合適的地形刷子刷出高度地形，單擊可以上升高度地形，按住shift單擊可以下降高度地形。

（4）繪制小路。先選擇小路的貼圖，然后選擇合適的筆刷刷出路的造型，路的寬窄可以調(diào)節(jié)筆刷的大小來(lái)調(diào)節(jié)。

（5）添加小路行道樹(shù)模型，選擇地形設(shè)置欄中的種樹(shù)命令。通過(guò)設(shè)置欄中筆刷的參數(shù)可以改變樹(shù)的密度。

最終設(shè)計(jì)的場(chǎng)景如圖1所示。這是USB設(shè)備未連接時(shí)的狀態(tài)。

3 不同場(chǎng)景顯示模式下效果圖展示

場(chǎng)景顯示模式很多，有實(shí)景模式、單屏模式、VR模式。分別如圖2、圖3和圖4所示。實(shí)景模式是采用攝像機(jī)拍攝實(shí)景，轉(zhuǎn)化為ogv格式，然后導(dǎo)入到Unity中，并可以對(duì)視頻進(jìn)行剪輯，也可以選擇圖片作為貼圖在場(chǎng)景中使用。但是缺點(diǎn)是不能控制實(shí)景視頻中物體的屬性、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

單屏模式是不需要戴VR眼鏡，用電腦或手機(jī)觀看的模式。這里設(shè)置了速度、里程、心率和卡路里，作為用戶(hù)界面UI，固定在屏幕右上方。其中速度和心率是下位機(jī)讀取的數(shù)據(jù)，采用USBHID通信發(fā)送到上位機(jī)的?？防锏挠?jì)算公式是：

E=M×S×K

式中M為鍛煉者的體重，S為鍛煉的里程，K為運(yùn)動(dòng)系數(shù)，騎自行車(chē)的運(yùn)動(dòng)系數(shù)是0.6142。

VR模式是指配戴VR眼鏡，它的沉浸感比單屏模式更強(qiáng)，增加了騎行的趣味性，給人身臨其境的感覺(jué)，猶如在室外騎行鍛煉。

4 VR健身單車(chē)暈動(dòng)癥測(cè)試

虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)完成后，10名大學(xué)生進(jìn)行了騎行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的SSQ量化總分如圖5所示。從量化總分可以看出，虛實(shí)運(yùn)動(dòng)不一致實(shí)驗(yàn)SSQ量化總分更高，即更容易產(chǎn)生暈動(dòng)癥。虛實(shí)運(yùn)動(dòng)不一致是產(chǎn)生VR健身單車(chē)暈動(dòng)癥的重要因素。

虛實(shí)運(yùn)動(dòng)一致和不一致實(shí)驗(yàn)的三大癥狀得分如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：運(yùn)動(dòng)不一致實(shí)驗(yàn)中惡心、動(dòng)眼神經(jīng)不適、方向障礙三個(gè)癥狀的得分都要高于運(yùn)動(dòng)一致實(shí)驗(yàn)。其中兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中方向障礙的得分差異最大，也就是說(shuō)VR健身單車(chē)暈動(dòng)癥最容易產(chǎn)生方向障礙。

不同性別在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出：虛實(shí)運(yùn)動(dòng)不一致實(shí)驗(yàn)中男生的SSQ得分更高，運(yùn)動(dòng)一致實(shí)驗(yàn)中女生的SSQ得分更高。由該圖可知道男生暈動(dòng)癥更低，測(cè)試中表現(xiàn)更好，騎行時(shí)間更長(zhǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)VR健身單車(chē)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了阻力機(jī)構(gòu)和風(fēng)扇機(jī)構(gòu)，有效的增加了騎行時(shí)的運(yùn)動(dòng)真實(shí)感。采用Unity 3D繪制虛擬場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)視角、紋理貼圖、場(chǎng)景復(fù)雜度、場(chǎng)景中物體的大小比例和場(chǎng)景移動(dòng)速度等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地降低了暈動(dòng)癥。測(cè)試結(jié)果還表明虛實(shí)運(yùn)動(dòng)不一致是產(chǎn)生VR健身單車(chē)暈動(dòng)癥的重要因素，VR健身單車(chē)暈動(dòng)癥最容易產(chǎn)生方向障礙，同時(shí)VR健身單車(chē)的暈動(dòng)癥還與測(cè)試者的性別以及體質(zhì)有關(guān)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張楊昊，李孝祿，許滄粟，等.具有運(yùn)動(dòng)真實(shí)感的VR健身單車(chē)設(shè)計(jì)及測(cè)試[J].體育科學(xué)，2018，38（7）：50-55.

[2]陳和恩，陳揚(yáng)枝.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的健身車(chē)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代制造工程，2007，34（9）：132-133.