与车辆旋转同步的周边视觉提示可以减轻车载虚拟现实中的晕动症症状

《Applied Ergonomics》：Vehicle-synchronized rotational peripheral cues reduce motion sickness in in-car virtual reality

　　

金恩晶（Eunjee Kim）| 吉贤载（Hyunjae Gil）| 奥克利·伊恩（Ian Oakley）| 申官燮（Gwanseob Shin）

韩国龟尾市国立工业技术学院工业工程系

摘要

随着独立式虚拟现实（VR）头显（HMD）技术的进步，在旅行过程中使用VR的机会（即车载VR）也得到了扩展。然而，由于视觉信息与前庭感知之间的冲突导致的晕动症仍然是VR广泛应用的主要障碍。本研究提出了一种与车辆运动同步的旋转周围视觉提示（VSRP）机制，旨在减轻感知到的车辆运动与实际车辆运动之间的感官冲突，同时不影响主要任务的执行。15名参与者在行驶中的车辆内完成了颜色识别任务，分别体验了两种条件：无VSRP提示的条件和有VSRP提示的条件。结果显示，使用VSRP提示后，模拟器晕动症问卷的总分降低了33%，且任务表现没有受到影响。此外，由于该方法仅依赖HMD内嵌的惯性测量单元（IMU），因此无需额外硬件，提升了便携性。这些发现表明，VSRP提示可以通过减少乘员的不适感来延长车载VR的使用时间，适用于需要持续注意力的各种VR活动，如阅读或观看视频。

引言

虚拟现实（VR）作为一种能够沉浸式交互三维环境的技术已崭露头角。近年来，独立式头显（HMD）如Apple Vision Pro和Meta Quest 3的进展消除了对外部硬件的有线连接需求，使得VR能够在多种环境中灵活使用。特别是在车载娱乐需求不断增加的背景下，独立式HMD为旅行中的VR应用（即车载VR）开辟了新的可能性。车载VR提供了传统的车内显示器和移动设备无法提供的广阔视觉空间和高度沉浸式体验，因此被视为补充或替代传统车内显示器的潜在方式，使乘客能够工作、阅读、观看视频或玩游戏，从而提升旅行中的生产力和娱乐性（Hock等人，2017；McGill等人，2017；Schmelter和Hildebrand，2020）。

多项研究探讨了车载VR的应用。Kodama等人（2017）开发了COMS-VR系统，该系统用小型电动车替代了传统的运动平台。参与者在单座电动车内通过虚拟环境（VE）中的木质轨道驾驶小车。虽然大多数参与者感到愉悦，但有25%的参与者在3分钟内出现了晕动症症状。Paredes等人（2018）设计了旨在为自动驾驶车辆中的乘客提供平静和专注于当下的VR内容，他们开发的岛屿和海洋场景在移动和静止的车辆中都进行了测试。尽管这些VR内容降低了乘客的兴奋程度，但仍有人出现晕动症。

晕动症表现为恶心、头晕和呕吐等不适症状，会严重影响乘客的舒适度，并可能阻碍车载VR的使用。解决这一问题是实现车载VR广泛应用的关键挑战。解释晕动症的最著名理论之一是感官冲突理论，该理论认为晕动症源于视觉系统、前庭系统和本体感觉系统提供的信号与大脑对运动预期的不匹配（Reason和Brand，1975；Davis等人，2014；Ng等人，2020）。在行驶中的车辆中使用VR时，由于车辆运动具有不可预测性且与VR场景无关，感官冲突会加剧（McGill等人，2017；Karjanto等人，2018）。尤其是在强烈侧向力的突然转向或加速情况下，晕动症的发生概率和严重程度会进一步增加（McGill等人，2017；Henry等人，2023）。因此，在车辆旋转运动过程中最小化感官冲突对于减轻晕动症至关重要。

一种减少车辆运动与虚拟环境（VE）之间感官冲突的有效方法是提供与车辆运动同步的周围视觉提示。McGill等人（2017）根据外部陀螺仪和车载诊断（OBD）数据，在VR场景的周围区域嵌入了反向旋转的景观视频（图1A）。虽然一些用户认为这些提示有助于提升情境感知并减轻晕动症，但系统限制（如传感器延迟和陀螺仪漂移）在某些情况下反而加剧了晕动症。此外，由于景观视频占据了大部分周围视野，这种方法可能通过限制视野而降低VR的实用性，而视野正是VR的一个关键优势。Cho和Kim（2022）则通过在虚拟环境中通过墙壁可视化与车辆运动同步的粒子流来减少晕动症（图1B）。这些研究表明，周围运动提示可以缓解晕动症，但仍需要额外的OBD和IMU传感器，这会导致延迟。此外，这些研究未评估这些提示是否能在需要持续视觉注意力的场景中（如观看视频、开会或玩游戏）不会干扰主要任务的表现。

本研究提出了一种与车辆运动同步的旋转周围提示机制，该机制仅利用HMD内嵌的IMU来实现，从而减轻车载VR中的晕动症。由于无需外部传感器，该系统具有便携性。这些提示叠加在周围视野中，可以与VR内容共存而不干扰中心任务。因此，它们可以应用于需要持续视觉专注或注意力的VR应用，如观看视频和在线会议。我们假设与车辆运动同步的旋转周围提示可以减轻晕动症，在曲折道路上的效果更明显。同时，我们也假设这些提示不会干扰主要任务的表现。

章节摘要

参与者

参与者通过大学生社区和社交媒体渠道招募，其中15名参与者（7名女性）年龄在20至33岁之间。他们的平均年龄为23.5岁（标准差=2.6），平均晕动症易感性问卷（MSSQ）得分为35.6%（标准差=20.1%，范围从10.0%到76.5%）。所有参与者均签署了知情同意书。

结果

控制组与VSRP组之间的SSQ总分数差异没有显著差异（Welch's t(8.02) = 0.74, p = 0.48, 95% CI [?16.87, 32.89]），表明顺序对结果没有显著影响。

讨论

本研究测试了旨在通过视觉方式传达车辆旋转运动的与车辆同步的旋转周围视觉提示（VSRP）对减轻车载VR晕动症的效果。结果表明，VSRP提示显著降低了晕动症程度和模拟器不适症状，同时不影响主要任务的表现。

在使用VSRP提示的颜色识别任务中，平均SSQ得分比不使用提示的情况降低了33%。

结论

本研究证明，与车辆运动同步的旋转周围视觉提示（VSRP）可以通过减轻视觉引起的感官冲突有效减少车载VR中的晕动症。这些提示没有干扰主要任务的表现，证明了它们在需要持续视觉专注和注意力的场景中的可行性。此外，仅使用HMD内嵌的IMU进一步消除了对额外硬件的需求，提高了便携性。

作者贡献声明

金恩晶（Eunjee Kim）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、资源管理、方法论设计、研究方案制定、资金申请、数据分析、概念构建。吉贤载（Hyunjae Gil）：撰写——审稿与编辑、验证、软件开发、概念构建。奥克利·伊恩（Ian Oakley）：撰写——审稿与编辑。申官燮（Gwanseob Shin）：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究由政府（科学技术信息通信部）资助，并得到韩国国家研究基金会（项目编号：RS-2023-00247071）的支持。此外，该研究还获得了教育部和庆尚北道支持的区域创新系统与教育（RISE）-（Idea Start-up Valley）计划的支持（项目编号：2025-rise-15-105）。