虛擬礦山地貌漫游防暈動(dòng)癥設(shè)計(jì)與效果驗(yàn)證

曾健友，徐慶杰，王 茜，鄢穩(wěn)中

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 藝術(shù)與傳媒學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.黃河科技學(xué)院 藝體學(xué)部，河南 鄭州 450063；4.武漢華夏理工學(xué)院 藝術(shù)與傳媒學(xué)院，湖北 武漢 430223)

1 引 言

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地質(zhì)科學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)(VR，Virtual Reality)技術(shù)為地學(xué)信息可視化科學(xué)理論研究提供了手段和方法支持，不僅提高了地質(zhì)研究工作的生產(chǎn)效率[2],也在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)和地質(zhì)學(xué)科的結(jié)合可以分為以下方面：①虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地球科學(xué)研究方面，羅珽等[4]討論了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地球科學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢前景，認(rèn)為在虛擬現(xiàn)實(shí)中可以幫助使用者更好地對三維地球數(shù)據(jù)進(jìn)行理解和交互。廖朗等[5]利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，對比傳統(tǒng)系統(tǒng)能獲得更高的監(jiān)測精度。②虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地質(zhì)旅游應(yīng)用方面，徐文靜等[6]通過地質(zhì)信息構(gòu)建三維模型用于地質(zhì)路線導(dǎo)航和地質(zhì)導(dǎo)游功能助力旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展。③虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地質(zhì)過程仿真模擬中的應(yīng)用，赫俊民等[7]利用虛擬技術(shù)對濟(jì)陽坳陷數(shù)字盆地進(jìn)行數(shù)字化仿真研究，擴(kuò)展了勘探研究人員開展工作的手段。周杰等[8]通過虛擬現(xiàn)實(shí)模擬川藏鐵路沿線地質(zhì)環(huán)境，分析沿線滑坡泥石流等災(zāi)害易發(fā)區(qū)的影響。④虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地質(zhì)教學(xué)中的應(yīng)用，唐玄等[9]將用虛擬仿真的形式將地下油氣過程演變應(yīng)用于教學(xué)中，以提升教學(xué)效果；顏丹平等[10]通過三維動(dòng)畫技術(shù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)手段幫助學(xué)生理解地質(zhì)演化過程；此外，在煤層開采[11]、巖溶地面塌陷[12]等高危場景中使用虛擬學(xué)習(xí)，可以有效提高作業(yè)人員的安全意識和操作技能。

虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在使用過程中對人體視覺產(chǎn)生的一種副作用現(xiàn)象。Irwin[13]定義為描述來自物理運(yùn)動(dòng)環(huán)境(如空中、陸地、海上)產(chǎn)生癥狀的術(shù)語使用。眩暈是虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥現(xiàn)在最明顯的不適癥狀之一，會(huì)使人體對空間關(guān)系的定向或平衡產(chǎn)生感覺障礙，它屬于一種運(yùn)動(dòng)幻覺，癥狀表現(xiàn)為周圍環(huán)境和自身不自主地旋轉(zhuǎn)，或有搖擺不穩(wěn)、頭重腳輕的感覺[14]。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序的內(nèi)容對虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥現(xiàn)象的不適程度也存在影響[15]。使用時(shí)間可能會(huì)影響虛擬現(xiàn)實(shí)疾病的可能性和嚴(yán)重性[16]。虛擬現(xiàn)實(shí)疾病的測量是虛擬環(huán)境中用來確定患病率和癥狀的基礎(chǔ)[17]。

本文通過GIS(Geographic Information System)地理信息數(shù)據(jù)構(gòu)建湖北省黃石國家公園大冶鐵礦礦山地貌模型，基于特定地貌特征提出礦山地貌漫游防暈動(dòng)癥設(shè)計(jì)原則。在虛擬地貌沉浸式環(huán)境中對使用者進(jìn)行防暈動(dòng)癥效果驗(yàn)證，獲得較為理想的交互漫游體驗(yàn)結(jié)果。

2 虛擬礦山地貌漫游防暈動(dòng)癥設(shè)計(jì)

2.1 虛擬地理數(shù)據(jù)獲取

礦山地理數(shù)據(jù)是構(gòu)建虛擬地貌的基礎(chǔ)，本研究構(gòu)建礦山地貌所使用的GIS地理信息數(shù)據(jù)通過中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院國家仿真實(shí)驗(yàn)室獲取。 虛擬礦山漫游場景選取湖北省黃石國家公園大冶鐵礦。根據(jù)原始數(shù)據(jù)對目標(biāo)區(qū)域的地理坐標(biāo)在虛幻5(Unreal Engine 5.0)中對目標(biāo)區(qū)域紋理貼圖進(jìn)行裁剪，在截取捕捉到目標(biāo)區(qū)域地形的紋理貼圖之后，需要根據(jù)獲取高度信息才能生成三維可編輯地貌模型紋理，如圖1所示。

圖1 虛幻5構(gòu)建大冶鐵礦地貌紋理Fig.1 The landform texture of Daye iron mines builded from Unreal Engine 5

2.2 虛擬礦山地貌構(gòu)建

虛擬礦山地貌模型數(shù)據(jù)是通過GIS數(shù)據(jù)獲取的高度信息，在紋理圖片上觀察到的圖象存在圖像噪點(diǎn)。為滿足地質(zhì)研究需求，需要對獲取的地形圖進(jìn)行層級的細(xì)分，最后通過圖像處理和智能算法輸出更為精準(zhǔn)的圖像。圖2內(nèi)容為涂層細(xì)化過程中對地貌網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，圖3內(nèi)容為圖像處理過程中生成高程。

圖2 虛擬地貌網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)Fig.2 Virtual landform grid map

圖3 虛擬地貌高程Fig.3 Virtual landform height map

大冶鐵礦虛擬地貌渲染和編輯在Unreal Engine中完成，通過參數(shù)模塊將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)圖和高度信息數(shù)據(jù)生成Object模型。在虛擬場景中根據(jù)真實(shí)地貌特征編輯地貌紋理并配植灌木、喬木等植被，達(dá)到豐富場景內(nèi)容和真實(shí)還原真實(shí)環(huán)境的視覺設(shè)計(jì)目的。圖4內(nèi)容為大冶鐵礦地貌三維模型，圖5為大冶鐵礦虛擬地貌截圖。

圖4 大冶鐵礦地貌三維模型Fig.4 3D model of Daye iron mines landform

圖5 大冶鐵礦虛擬地貌Fig.5 Virtual landform of Daye iron mines

圖6 虛擬漫游觀測點(diǎn)設(shè)計(jì)Fig.6 The design of virtual roaming observation point

2.3 虛擬漫游防暈動(dòng)癥設(shè)計(jì)

礦山地貌受環(huán)境侵蝕和堆積變化影響較大，在虛擬漫游中對視線移動(dòng)和屏幕刷新幀數(shù)要求較高。以湖北黃石市大冶鐵礦為例，長期礦產(chǎn)資源開發(fā)利用對礦山帶來了較嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境問題[18]。目前虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥生物學(xué)產(chǎn)生的原因尚未確立，考慮到虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥現(xiàn)象主要是視覺不適所引起，選擇虛實(shí)運(yùn)動(dòng)不一致原理和視覺迷糊干預(yù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。虛實(shí)運(yùn)動(dòng)不一致原理認(rèn)為，如果外部環(huán)境的刺激與感知的結(jié)果不同，就會(huì)引起暈動(dòng)癥。視覺與前庭的沖突程度與虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥程度密切相關(guān)。在引起視覺前庭沖突的所有原因中，虛實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不一致是主要原因。視覺模糊干預(yù)現(xiàn)象原理認(rèn)為依據(jù)人眼雙眼視差的生理特征，添加基于景深的模糊梯度和周圍模糊可以改善虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器顯示屏的真實(shí)感體驗(yàn)，在不影響虛擬現(xiàn)實(shí)質(zhì)量的情況下減少視覺不舒適度。

本文以大冶鐵礦虛擬地貌為虛擬漫游場景，選取其中一處觀測點(diǎn)進(jìn)行防暈動(dòng)癥體驗(yàn)設(shè)計(jì)(圖6)。從虛擬現(xiàn)實(shí)特征出發(fā)，利用計(jì)算機(jī)生成模擬環(huán)境[19]。根據(jù)礦山地貌起伏大、坡度陡、溝谷深的特征，對虛擬礦山地貌漫游防暈動(dòng)癥設(shè)計(jì)原則進(jìn)行探究，基于尼爾森可用性原則[20]和運(yùn)動(dòng)不一致理論[21]，提出并采用周圍模糊和局部視線遮擋的設(shè)計(jì)方法。通過理論研究和案例分析可知，人眼在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中獲得過多的視覺內(nèi)容會(huì)在一定程度上影響大腦的判斷,進(jìn)而產(chǎn)生不同程度的暈動(dòng)癥現(xiàn)象，通過對虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器進(jìn)行遮罩和視野周圍模糊的處理手法對虛擬現(xiàn)實(shí)使用者在移動(dòng)過程時(shí)的視線進(jìn)行干預(yù)，以此達(dá)到視覺模糊的效果，從而緩解虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境場景下暈動(dòng)癥現(xiàn)象造成的不適現(xiàn)象。

由于受到操作空間、應(yīng)用環(huán)境和展示內(nèi)容等因素的限制，設(shè)計(jì)方案對虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥現(xiàn)象產(chǎn)生的不適感覺有所改善是否具有顯著性還需要進(jìn)行驗(yàn)證，為判斷設(shè)計(jì)在防暈動(dòng)癥現(xiàn)象上是否真的有效提供參考依據(jù)。

3 虛擬礦山地貌漫游防暈動(dòng)癥效果驗(yàn)證

3.1 方法

本研究選用配對t檢驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)特征，通過較少的樣本量獲取較好的可信結(jié)果。實(shí)驗(yàn)選用變量為眼部神經(jīng)不適程度、方向迷失程度、惡心癥狀程度，然后對這三個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合均值之間是否存在顯著統(tǒng)計(jì)差異進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取在校大學(xué)生10人，其中男女生人數(shù)各5人，年齡為20～26歲之間。所有體驗(yàn)者無運(yùn)動(dòng)障礙等運(yùn)動(dòng)疾病，身體協(xié)調(diào)能力正常。實(shí)驗(yàn)過程完全采取自愿原則，且不會(huì)對體驗(yàn)者造成任何身體和精神上的傷害，問卷填寫不涉及敏感隱私問題。實(shí)驗(yàn)后要求體驗(yàn)者填寫相應(yīng)的暈動(dòng)癥問卷，進(jìn)而獲取其在體驗(yàn)過程中的暈動(dòng)癥現(xiàn)象程度的數(shù)據(jù)，并在每組實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)行一個(gè)簡單的訪談，以便及時(shí)地掌握體驗(yàn)者的心理活動(dòng)和思想狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)分為對照組和實(shí)驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)組按照設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，體驗(yàn)者會(huì)以現(xiàn)實(shí)中的步速和視線旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行勻速變化。對照組會(huì)對步速和視線旋轉(zhuǎn)角度數(shù)值進(jìn)行不規(guī)律變化。同一組體驗(yàn)者在不同時(shí)間內(nèi)參加兩次實(shí)驗(yàn)(對照組和實(shí)驗(yàn)組)虛擬現(xiàn)實(shí)場景體驗(yàn)。最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)后的訪談結(jié)果對設(shè)計(jì)方案中防暈動(dòng)癥效果的顯著性和設(shè)計(jì)方案的可用性進(jìn)行討論和總結(jié)。實(shí)驗(yàn)組可視效果如圖7所示，對照組可視效果如圖8所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)組可視效果Fig.7 Visual effect of experimental group

圖8 對照組可視效果Fig.8 Visual effect of control group

實(shí)驗(yàn)問卷基于模擬器癥狀SSQ(Simulator Sickness Questionnaire)調(diào)查問卷進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)不一致理論重新設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)量表，采用李克特的5分計(jì)分法則，分別對模擬器癥狀調(diào)查問卷中涉及的眼部不適程度、方向迷失程度和惡心程度三大類虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥現(xiàn)象癥狀進(jìn)行量化分析，虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥現(xiàn)象問卷如表1所示。

表1 暈動(dòng)癥現(xiàn)象問卷

3.2 步驟

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)北區(qū)綜合樓實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用 HTC VIVE Cosmos 頭戴式顯示器，2 個(gè) 3.4 英寸屏幕，雙眼分辨率2 880×1 700，刷新率 90 Hz。整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分完成，分別為實(shí)驗(yàn)部分和訪談部分。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程步驟如下：

1)體驗(yàn)者填寫基本信息，之后研究者為體驗(yàn)者講解操作過程和虛擬場景下的移動(dòng)等操作使用信息。

2)體驗(yàn)者按照約定好的要求佩戴頭戴式顯示器，并在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)場景完成相應(yīng)的交互操作。體驗(yàn)者在保持移動(dòng)的過程中根據(jù)虛擬內(nèi)容轉(zhuǎn)動(dòng)視野，驗(yàn)證是否出現(xiàn)暈動(dòng)癥現(xiàn)象。

3)研究者對體驗(yàn)者進(jìn)行對照組實(shí)驗(yàn)場景的簡單訪談，并填寫實(shí)驗(yàn)問卷，研究者主要詢問體驗(yàn)者在操作過程中的主觀體驗(yàn)感受和對虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥現(xiàn)象感受是否明顯等問題。

4)體驗(yàn)者按照規(guī)定完成實(shí)驗(yàn)組的操作，過程要求和步驟3)相同。

5)研究者對體驗(yàn)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)組實(shí)驗(yàn)場景的訪談并填寫實(shí)驗(yàn)問卷，詢問內(nèi)容和步驟4)相同，目的是對實(shí)驗(yàn)效果和體驗(yàn)者的體驗(yàn)感受有一個(gè)整體的評估。

3.3 結(jié)果

3.3.1 樣本數(shù)據(jù)結(jié)果

對搜集的所有實(shí)驗(yàn)問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì)和描述分析，形成一個(gè)較為直觀的認(rèn)識，表2 所示為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述。

表2 問卷數(shù)據(jù)

由于兩組實(shí)驗(yàn)涉及到多項(xiàng)指標(biāo)，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均值繪制成雷達(dá)圖方便對數(shù)據(jù)整體趨勢有一個(gè)直觀的理解，如圖9所示。通過觀察可知，對照組整體均值要高于實(shí)驗(yàn)組的整體均值，其中對照組眼部不適程度均值最高(avg=2.90)，實(shí)驗(yàn)組中方向迷失程度較為明顯(avg=1.90)，但相較對照組方向迷失程度(avg=2.60)均值數(shù)值較低。

圖9 數(shù)據(jù)結(jié)果平均值雷達(dá)Fig.9 Radar chart of data average result

3.3.2 訪談結(jié)果

眼部神經(jīng)不適程度方面，體驗(yàn)者在虛擬現(xiàn)實(shí)場景移動(dòng)過程中通過轉(zhuǎn)換視角會(huì)感覺到不同程度的暈動(dòng)癥現(xiàn)象，當(dāng)視角轉(zhuǎn)動(dòng)在90°以上時(shí)更易產(chǎn)生眩暈感。

方向迷失程度方面，體驗(yàn)者在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中會(huì)出現(xiàn)不同程度的方向迷失，其中有一部分方向迷失是由于對虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備和操作環(huán)境不熟悉導(dǎo)致。

惡心程度方面，兩組實(shí)驗(yàn)中少數(shù)體驗(yàn)者會(huì)出現(xiàn)一定程度的惡心感覺，反應(yīng)出現(xiàn)惡心癥狀的體驗(yàn)者會(huì)認(rèn)為是由于方向迷失影響了移動(dòng)過程中的體驗(yàn)效果。

3.4 討論與不足

對實(shí)驗(yàn)獲取到的問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表3所示。

表3 配對t檢驗(yàn)分析結(jié)果

從表3中可知3組配對數(shù)據(jù)中，眼部神經(jīng)不適和方向迷失這2組配對數(shù)據(jù)會(huì)呈現(xiàn)出差異性(p<0.05)。通過利用配對t檢驗(yàn)去研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異性，Cohen’sd值表示效應(yīng)量大小(差異幅度大小)，該值越大,說明差異越大。通過具體分析可知：對照組的眼部不適和實(shí)驗(yàn)組的眼部不適之間呈現(xiàn)出0.05水平的顯著性(t=2.449，p=0.037)，對比差異可知，對照組眼部不適的平均值(avg=2.90)明顯高于實(shí)驗(yàn)組眼部不適的平均值(avg=2.10)。對照組方向迷失和實(shí)驗(yàn)組方向迷失之間呈現(xiàn)出0.05水平的顯著性(t=2.333，p=0.045)，通過具體對比差異可知，對照方向迷失的平均值(avg=2.60)高于實(shí)驗(yàn)方向迷失的平均值(avg=1.90)。

對于眼部神經(jīng)不適，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果一致，說明通過控制虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器的視域范圍和添加周圍模糊的視覺效果可以在一定程度上降低虛擬現(xiàn)實(shí)暈動(dòng)癥現(xiàn)象產(chǎn)生的負(fù)面影響。

對于方向迷失，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果一致，說明在行進(jìn)路線上設(shè)置方向指引和通過設(shè)置半透明隔斷以及視覺模糊可以在一定程度上降低產(chǎn)生的視覺不適和方向感迷失，絕大多數(shù)體驗(yàn)者認(rèn)為相較于對照組場景，實(shí)驗(yàn)組場景交互過程中的防暈動(dòng)癥現(xiàn)象使用體驗(yàn)會(huì)更好一些。

對于惡心程度，兩組實(shí)驗(yàn)組之間并不具有顯著性，兩組實(shí)驗(yàn)中惡心程度均值都是該組實(shí)驗(yàn)最低?？梢哉J(rèn)為該實(shí)驗(yàn)場景中惡心程度并不會(huì)直接影響體驗(yàn)效果，相較之下，眼部神經(jīng)不適和方向迷失程度對暈動(dòng)癥的影響更為明顯。

但是，研究過程中仍存有不足之處。由于對硬件研究涉及較少，研究中使用的設(shè)計(jì)方法經(jīng)測試驗(yàn)證對暈動(dòng)現(xiàn)象具有預(yù)防效果，但對虛擬現(xiàn)實(shí)硬件性能存在依賴，在其他虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中的使用效果有待檢測。此外，本文針對礦山地貌的防暈動(dòng)癥設(shè)計(jì)方法是否適用于其他地質(zhì)場景還需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

4 結(jié) 語

本文以大冶鐵礦虛擬礦山地貌漫游虛擬應(yīng)用為研究對象，針對礦山地貌的特征采用局部視野模糊的設(shè)計(jì)方法對體驗(yàn)者視線進(jìn)行干擾的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得了較好的防暈動(dòng)癥現(xiàn)象效果。本文是針對虛擬山地地貌漫游進(jìn)行的防暈動(dòng)癥方法設(shè)計(jì)，是否適用于其他地質(zhì)場景還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。此外，虛擬可視化、虛擬感官識別也是后期進(jìn)行研究的方向。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，除虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)與地質(zhì)科學(xué)之間的交叉研究也越來越多，成為了未來地質(zhì)科學(xué)研究的一個(gè)發(fā)展趨勢。