סיבוב מבוקר של משקיפים אנושיים בסביבת מציאות מדומה

רמזים רבים משתלבים בתנאים טבעיים כדי ליצור תחושה של תנועה עצמית¹. הפקת חוש כזה היא מטרה ביישומי VR רבים^של פנאי, בריאות וחינוך 2,3,4,5, ופשוט להבין כיצד רמזים משתלבים כדי לתת תחושה של תנועה עצמית הייתה מאמץ ארוך טווח של מדעני מוח 6,7,8,9,10,11 . שלושת סוגי הרמזים החשובים ביותר לתפיסת תנועה עצמית הם חזותיים, שיווי משקל ופרופריוספטיבית¹. כל השלושה משתלבים באופן עקבי במהלך תנועה פעילה טבעית בעולם האמיתי כדי לספק תחושה חזקה ועשירה של תנועה עצמית. כדי להבין את התפקיד של כל סוג של רמזים ולקבל תחושה של האופן שבו רמזים משתלבים, חוקרים שללו באופן מסורתי מצופים ניסיוניים רמז אחד או יותר ו/או הציבו רמזים בקונפליקט זה עם זה ^1,12. לדוגמה, כדי לספק רמזים שיווי משקל סיבוביים בהיעדר רמזים פרופריוצפטיים, ניתן לסובב את הצופה באופן פסיבי על ידי כיסא ממונע ^13,14,15,16. תנועה פסיבית כזו הוכחה כמספקת רמזים משכנעים מאוד לתנועה עצמית¹⁷. רמזים חזותיים מבוקרים המסופקים על ידי משקפי מציאות מדומה יכולים להיות תואמים או לא תואמים את תנועת הכיסא או נעדרים לחלוטין. ניתן להוסיף רמזים פרופריוספטיביים על ידי כך שהצופה יסובב את הכיסא בכוחות עצמו, למשל, על ידי דחיפת הכיסא עם הרגליים.

מוצגת כאן שיטה להמרת כיסא מסתובב משרדי למדיום לסיבוב פיזי של גוף הצופה ולשילוב תנועה זו בחוויה וירטואלית חזותית (ואולי שמיעתית). סיבוב הכיסא יכול להיות בשליטת הצופה, תוכנת מחשב, או אדם אחר כגון הנסיין. סיבוב הנשלט על ידי הצופה יכול להיות פסיבי על ידי הפיכת הסיבוב המונע על ידי המנוע לפונקציה של מיקום הבקר הידני של הצופה או אקטיבי על ידי כיבוי הכיסא והפיכת הצופה לצופה לסובב את הכיסא בעצמו.

כמו כן מוצג יישום פסיכופיזי עבור מערכת כיסא / VR זו. יישום לדוגמה זה מדגיש את התועלת של הסיבוב הפסיבי המבוקר של צופה בהבנת האופן שבו רמזים לתנועה עצמית מתקשרים כדי לייצר חוויות תפיסתיות כוללות. המטרה הספציפית הייתה לקבל תובנה לגבי אשליה חזותית שנחקרה זה מכבר – תנועה מושרית^18,19. בתנועה מושרית, מטרה נייחת או נעה “נרתעת” מבחינה תפיסתית מרקע נע. לדוגמה, אם נקודת מטרה אדומה נעה אנכית כלפי מעלה כנגד שדה של נקודות כחולות הנעות ימינה, נקודת היעד תיראה כאילו היא נעה כלפי מעלה, כצפוי, אך גם שמאלה, הרחק מכיוון הרקע הנע^20,21. המטרה הייתה לבחון אם הדחייה היא תוצאה של פירוש תנועת הרקע כנגרמת על ידי תנועה עצמית^22,23.

אם זה המקרה, אז תוספת של סיבוב פיזי שעולה בקנה אחד עם התנועה החזותית ברקע צריכה להוביל לתחושה חזקה יותר שתנועת הרקע נובעת מסיבוב עצמי דרך סביבה נייחת. זה, בתורו, אמור להוביל לנטייה גדולה יותר להפחית את תנועת הרקע מתנועת המטרה כדי לקבל תנועת מטרה ביחס לעולם הנייח²³. נטייה מוגברת זו להחסיר תגרום לדחיית מטרה נתפסת גדולה יותר. סיבוב עצמי פיזי שהיה תואם או לא עלה בקנה אחד עם תנועת הרקע נוסף כדי לבחון זאת. המערכת שהוצגה כאן אפשרה שליטה מדויקת בתנועה הפיזיקלית ובתנועה החזותית המתאימה כדי לבחון את ההשערה הזו. בדוגמה, תנועת הכיסא הייתה תחת שליטה ישירה של הצופה באמצעות הבקר הידני של מערכת ה-VR.

למרות שישנן דוגמאות רבות לכיסאות מסתובבים ממונעים ליישומי VR שונים בספרות 24,25,26,27,28,29, המחברים אינם מודעים לסט תמציתי של הוראות להכנת כיסא כזה ולשילובו בחוויית VR אינטראקטיבית. הוראות מוגבלות זמינות עבור SwiVRChair²⁹, אשר דומה במבנה לזה שהוצג כאן אבל זה מתוכנן עם מטרה אחרת בראש, כלומר, להיות מונע על ידי תוכנית מחשב כדי לשפר את הטבילה בסביבת VR, שבו תנועת הכיסא יכולה להיות דרוס על ידי המשתמש על ידי הצבת הרגליים על הקרקע. בהתחשב בהוצאות של כיסאות זמינים מסחרית^30,31, יצירת “פנימי” אחד עשויה להיות אפשרות מעשית יותר עבור חלק מהחוקרים. עבור אלה במצב זה, הפרוטוקול שלהלן צריך להיות שימושי.

סקירה כללית של המערכת
הפרוטוקול מורכב מהוראות להסבת כיסא משרדי לכיסא מסתובב המונע חשמלית ולשילוב תנועת הכיסא בחוויית VR. המערכת כולה, לאחר השלמתה, מורכבת מארבעה חלקים: תת-המערכות המכניות, החשמליות, התוכנה וה-VR. תמונה של המערכת השלמה מוצגת באיור 1. המערכת המוצגת הייתה זו ששימשה בניסוי לדוגמה.

תפקידה של תת-המערכת המכנית הוא לסובב פיזית את הפיר העליון של כיסא מסתובב באמצעות מנוע. הוא מורכב מכיסא משרדי שאליו מחוברים שני דברים: גלגלת קבועה לפיר המסתובב העליון של הכיסא המשרדי ומסגרת הרכבה מתכווננת המחוברת לחלק הקבוע התחתון של הפיר. מנוע חורג חשמלי מחובר לתושבת, אשר יש גלגלת מחוברת לפיר שלה כי קו עם הגלגלת על הפיר העליון של הכיסא המשרדי. חגורה מצמידה את הגלגלת המנועית לגלגלת הכיסא, ומאפשרת למנוע לסובב את הכיסא.

תת-המערכת החשמלית מספקת כוח למנוע ומאפשרת שליטה אלקטרונית במנוע. הוא מורכב מנהג מנוע, ספק כוח עבור המנוע, לוח Arduino עבור התממשקות הנהג עם מחשב, וספק כוח עבור Arduino (אופציונלי). לוח Arduino הוא לוח קטן פופולרי בקרב חובבים ויצרנים מקצועיים של כל דבר אלקטרוני, המכיל מיקרו מעבד ניתן לתכנות, בקרים, פיני קלט ופלט, ו (בדגמים מסוימים) יציאת USB (נדרש כאן). כל הרכיבים החשמליים שוכנים בקופסה מבודדת חשמלית מותאמת אישית. מכיוון שהספק החשמל נדרש עבור השנאי המספק כוח למנוע ועבור ספק הכוח הארדואינו (האופציונלי), וכיוון שהמנוע דורש מתחי הפעלה גבוהים, כל העבודה האלקטרונית מלבד המתח הנמוך (שלבי הפרוטוקול 2.5 עד 2.10 להלן) צריכה להתבצע על ידי אדם מוסמך.

תת-מערכת התוכנה מורכבת מתוכנת Arduino לתכנות הארדואינו, תוכנת Unity ליצירת סביבת VR, תוכנת Steam להנעת מערכת ה-VR, ו-Ardity – תוסף Unity המאפשר ליוניטי לתקשר עם לוח Arduino. תוכנה זו הותקנה על מחשב נייד Gygabyte Sabre 15WV8 שבו פועל Microsoft Windows 10 Enterprise עבור הניסוי לדוגמה (איור 1).

מערכת ה-VR מורכבת מתצוגה המותקנת על הראש (HMD), בקר ידני ותחנות בסיס לקביעת המיקום והכיוון של ה-HMD והבקר בחלל. מערכת ה-VR ששימשה לפרויקט זה הייתה HTC Vive Pro (איור 1).

להלן הנוהל לשילוב רכיבים אלה כדי להשיג חוויה וירטואלית המשלבת סיבוב פיזיקלי (ניסוי או אחר) עם תנועת הכיסא הנשלטת על ידי הצופה באמצעות הבקר המוחזק ביד או על ידי המארח/הנסיין באמצעות עכבר מחשב או פוטנציומטר. החלק האחרון של הפרוטוקול מורכב מהשלבים הדרושים כדי ליזום את חוויית ה- VR. שים לב שהשיטה לקידוד Unity כדי לאפשר ניסויים ואיסוף נתונים היא מעבר להיקף של כתב יד זה. שלבים מסוימים, במיוחד עבור תת-המערכת המכנית, דורשים ציוד סדנה מסוים ורמה מסוימת של מיומנות. באופן עקרוני, ניתן להתאים את השיטות המוצגות כך שיתאימו לזמינות של משאבים אלה. חלופות מוצעות עבור כמה מהשלבים הטכניים יותר.