Контролируемое вращение человеческих наблюдателей в среде виртуальной реальности

Многие сигналы объединяются в естественных условиях, чтобы создать ощущение самодвижения¹. Создание такого чувства является целью во многих развлекательных, оздоровительных и образовательных приложениях VR ^2,3,4,5, и простое понимание того, как сигналы объединяются, чтобы дать ощущение самодвижения, было долгосрочным усилием нейробиологов ^{6,7,8,9,10,11} . Тремя наиболее важными классами сигналов для восприятия самодвижения являются визуальный, вестибулярный и проприоцептивный¹. Все три объединяются конгруэнтно во время естественного активного движения в реальном мире, чтобы обеспечить надежное и богатое чувство собственного движения. Чтобы понять роль каждого класса сигналов и получить представление о том, как сигналы сочетаются, исследователи традиционно лишали экспериментальных наблюдателей одного или нескольких сигналов и / или помещали сигналы в конфликт друг с другом ^1,12. Например, для обеспечения вращательных вестибулярных сигналов при отсутствии проприоцептивных сигналов наблюдатель может пассивно поворачиваться моторизованным креслом 13,14,15,16. Было показано, что такое пассивное движение обеспечивает очень убедительные сигналы к самодвижению¹⁷. Контролируемые визуальные сигналы, обеспечиваемые гарнитурой VR, могут быть конгруэнтными или несовместимыми с движением стула или вообще отсутствовать. Проприоцептивные сигналы могут быть добавлены путем того, чтобы наблюдатель вращал стул своим ходом, например, толкая стул ногами.

Здесь представлен метод преобразования офисного поворотного кресла в среду для физического вращения тела наблюдателя и интеграции этого движения в визуальный (и потенциально слуховой) виртуальный опыт. Вращение стула может осуществляться под контролем наблюдателя, компьютерной программы или другого человека, такого как экспериментатор. Вращение, управляемое наблюдателем, может быть пассивным, делая вращение с приводом от двигателя функцией положения ручного контроллера наблюдателя, или активным, выключая стул и заставляя наблюдателя вращать стул самостоятельно.

Также представлено психофизическое приложение для этой системы chair/VR. Этот пример приложения подчеркивает полезность контролируемого пассивного вращения наблюдателя для понимания того, как сигналы самодвижения взаимодействуют для получения общего восприятия. Конкретная цель состояла в том, чтобы получить представление о давно изученном движении, вызванном зрительной иллюзией^18,19. При индуцированном движении неподвижная или движущаяся цель перцептивно «отталкивается» от движущегося фона. Например, если красная целевая точка движется вертикально вверх против поля синих точек, движущихся вправо, целевая точка будет двигаться вверх, как и ожидалось, но также и влево, в сторону от направления движущегося ^{фона 20,21}. Цель состояла в том, чтобы проверить, является ли отталкивание результатом интерпретации фонового движения как вызванного самодвижением^22,23.

Если это так, то добавление физического вращения, которое согласуется с фоновым визуальным движением, должно привести к более сильному ощущению, что фоновое движение связано с самовоскручиванием через неподвижную среду. Это, в свою очередь, должно привести к большей тенденции вычитать фоновое движение из целевого движения, чтобы получить целевое движение относительно стационарного мира²³. Эта повышенная тенденция к вычитанию приведет к большему воспринимаемому целевому отталкиванию. Для проверки этого было добавлено физическое самоповорота, которое либо соответствовало, либо не соответствовало фоновому движению. Представленная здесь система позволила точно контролировать физическое движение и соответствующее визуальное движение для проверки этой гипотезы. В этом примере движение стула находилось под непосредственным контролем наблюдателя с помощью ручного контроллера системы VR.

Хотя в литературе есть много примеров моторизованных вращающихся стульев для различных приложений VR ^{24,25,26,27,28,29}, авторы не знают о кратком наборе инструкций по созданию такого стула и интеграции его в интерактивный опыт VR. Ограниченные инструкции доступны для SwiVRChair²⁹, который похож по структуре на представленный здесь, но который разработан с другой целью, то есть управляется компьютерной программой для улучшения погружения в среду VR, где движение стула может быть переопределено пользователем, поместив ноги на землю. Учитывая стоимость коммерчески доступных стульев^30,31, создание одного «внутреннего» может быть более жизнеспособным вариантом для некоторых исследователей. Для тех, кто находится в этой ситуации, протокол ниже должен быть полезен.

Обзор системы
Протокол состоит из инструкций по преобразованию офисного кресла в вращающееся кресло с электрическим приводом и интеграции движения стула в опыт VR. Вся система, после завершения, состоит из четырех частей: механической, электрической, программной и VR-подсистем. Фотография всей системы показана на рисунке 1. Показанная система была той, которая использовалась в примере эксперимента.

Работа механической подсистемы заключается в физическом вращении верхнего вала поворотного кресла с помощью двигателя. Он состоит из офисного кресла, к которому прикреплены две вещи: шкив, закрепленный на верхнем вращающемся валу офисного кресла, и регулируемая монтажная рама, прикрепленная к нижней неподвижной части вала. К креплению прикреплен электрический шаговый двигатель, который имеет шкив, прикрепленный к его валу, который выравнивается со шкивом на верхнем валу офисного кресла. Ремень соединяет шкив двигателя со шкивом стула, позволяя двигателю вращать стул.

Электрическая подсистема обеспечивает питание двигателя и позволяет осуществлять электронное управление двигателем. Он состоит из драйвера двигателя, блока питания для двигателя, платы Arduino для сопряжения драйвера с компьютером и блока питания для Arduino (опционально). Плата Arduino – популярная небольшая плата среди любителей и профессиональных производителей чего-либо электронного, которая содержит программируемый микропроцессор, контроллеры, входные и выходные контакты и (в некоторых моделях) USB-порт (требуется здесь). Все электрические компоненты размещены в специально модифицированной коробке с электрической изоляцией. Поскольку сетевое питание требуется для трансформатора, который обеспечивает питание двигателя и для (опционального) источника питания Arduino, и поскольку двигатель требует высокого рабочего напряжения, все, кроме низковольтной электронной работы (этапы протокола 2.5-2.10 ниже), должны выполняться квалифицированным специалистом.

Программная подсистема состоит из программного обеспечения Arduino для программирования Arduino, программного обеспечения Unity для создания среды VR, программного обеспечения Steam для управления системой VR и Ardity — плагина Unity, который позволяет Unity взаимодействовать с платой Arduino. Это программное обеспечение было установлено на ноутбуке Gygabyte Sabre 15WV8 под управлением Microsoft Windows 10 Enterprise для примера эксперимента (рисунок 1).

Система VR состоит из головного дисплея (HMD), ручного контроллера и базовых станций для определения положения и ориентации шлема и контроллера в пространстве. Система VR, используемая для этого проекта, была HTC Vive Pro (рисунок 1).

Ниже описана процедура объединения этих компонентов для достижения виртуального опыта, который включает в себя физическое вращение (эксперимент или иное) с движением стула, управляемым наблюдателем через ручной контроллер или хозяином / экспериментатором с помощью компьютерной мыши или потенциометра. Заключительная часть протокола состоит из шагов, необходимых для инициирования опыта VR. Обратите внимание, что метод кодирования Unity для проведения испытаний и сбора данных выходит за рамки данной рукописи. Некоторые этапы, особенно для механической подсистемы, требуют определенного оборудования мастерской и определенного уровня мастерства. В принципе, представленные методы могут быть скорректированы в соответствии с наличием этих ресурсов. Предлагаются альтернативы для некоторых из более технических шагов.