彭曉倩　方曉敏　張楊昊

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

【關(guān)鍵詞】VR;健身單車;暈動癥

中圖分類號： TS952.91文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 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

健身單車是一種不受場地、天氣限制的健身器材，但是長時間的鍛煉容易感到單調(diào)乏味。VR技術(shù)運(yùn)用在健身單車上能夠很好地解決這個的問題。室內(nèi)VR健身單車鍛煉一段時間會感到暈眩，即VR暈動癥，表現(xiàn)最明顯的就是惡心、動眼神經(jīng)不適和方向障礙三大主要癥狀。針對VR暈動癥，當(dāng)前研究表明VR暈動癥產(chǎn)生主要是因?yàn)橐曈X前庭沖突。人體所處的位置信息和狀態(tài)是通過視覺、前庭器官、肌肉以及大腦共同協(xié)作完成的。VR設(shè)備給使用者視覺的是運(yùn)動信息，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)，就會產(chǎn)生眩暈惡心等生理反應(yīng)。

1 VR健身單車的優(yōu)化設(shè)計(jì)

VR暈動癥的產(chǎn)生主要有三個方面因素：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)備的延時時間等。軟件原因包括場景的設(shè)計(jì)、場景移動的速度等。本文將從硬件、場景設(shè)計(jì)方面來改善VR健身單車的暈動癥。

為了獲得更好的沉浸感和運(yùn)動真實(shí)感，本文在健身單車上增加了阻力機(jī)構(gòu)和風(fēng)扇機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)通過USBHID通信接收上下坡信號，并調(diào)節(jié)電動推桿阻力，產(chǎn)生騎行阻力感;干簧管傳感器實(shí)時監(jiān)測騎行速度，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)的場景中移動速度和實(shí)時騎行速度保持一致。

2 Unity場景設(shè)計(jì)

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

本文用采用Unity 3D繪制虛擬場景，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。然后建立地形繪畫場景，具體步驟如下：

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

（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)筆刷的大小來調(diào)節(jié)。

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

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

3 不同場景顯示模式下效果圖展示

場景顯示模式很多，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，并可以對視頻進(jìn)行剪輯，也可以選擇圖片作為貼圖在場景中使用。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)動系數(shù)，騎自行車的運(yùn)動系數(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，猶如在室外騎行鍛煉。

4 VR健身單車暈動癥測試

虛擬場景設(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)動不一致實(shí)驗(yàn)SSQ量化總分更高，即更容易產(chǎn)生暈動癥。虛實(shí)運(yùn)動不一致是產(chǎn)生VR健身單車暈動癥的重要因素。

虛實(shí)運(yùn)動一致和不一致實(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)動不一致實(shí)驗(yàn)中惡心、動眼神經(jīng)不適、方向障礙三個癥狀的得分都要高于運(yùn)動一致實(shí)驗(yàn)。其中兩個實(shí)驗(yàn)中方向障礙的得分差異最大，也就是說VR健身單車暈動癥最容易產(chǎn)生方向障礙。

不同性別在兩個實(shí)驗(yàn)中的測試結(jié)果如圖7所示。從實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可以看出：虛實(shí)運(yùn)動不一致實(shí)驗(yàn)中男生的SSQ得分更高，運(yùn)動一致實(shí)驗(yàn)中女生的SSQ得分更高。由該圖可知道男生暈動癥更低，測試中表現(xiàn)更好，騎行時間更長。

5 結(jié)束語

本文對VR健身單車進(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的運(yùn)動真實(shí)感。采用Unity 3D繪制虛擬場景，通過對視角、紋理貼圖、場景復(fù)雜度、場景中物體的大小比例和場景移動速度等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地降低了暈動癥。測試結(jié)果還表明虛實(shí)運(yùn)動不一致是產(chǎn)生VR健身單車暈動癥的重要因素，VR健身單車暈動癥最容易產(chǎn)生方向障礙，同時VR健身單車的暈動癥還與測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)動真實(shí)感的VR健身單車設(shè)計(jì)及測試[J].體育科學(xué)，2018，38（7）：50-55.

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