Sensitivity to Redirected Walking Considering Gaze, Posture, and Luminance

📄 arXiv: 2503.15505v2 📥 PDF

作者: Niall L. Williams, Logan C. Stevens, Aniket Bera, Dinesh Manocha

分类: cs.HC, cs.GR

发布日期: 2025-01-23 (更新: 2025-03-26)

备注: Accepted for publication in TVCG, proceedings of IEEE VR 2025 conference

DOI: 10.1109/TVCG.2025.3549908

💡 一句话要点

研究注视、姿势和亮度对重定向行走敏感性的影响，提升VR体验

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 重定向行走 虚拟现实 生理信号 注视跟踪 姿势分析

📋 核心要点

  1. 现有重定向行走技术缺乏对用户生理信号的细致分析，可能导致用户不适感。
  2. 论文通过心理物理学实验，结合多层建模，分析了姿势、注视和亮度对重定向行走敏感性的影响。
  3. 实验结果表明，生理信号与重定向增益、试验时长和试验次数相关，为优化重定向行走策略提供依据。

📝 摘要（中文）

本文研究了虚拟现实(VR)中重定向行走(RDW)旋转增益与用户姿势和注视数据模式之间的相关性。为此，我们进行了一项心理物理学实验，以测量用户对RDW旋转增益的敏感性，并收集实验期间的注视和姿势数据。利用多层建模，我们研究了VR系统和用户的不同因素如何影响他们的生理信号。特别是，我们研究了重定向增益、试验持续时间、试验次数（即在VR中花费的时间）和参与者性别对姿势摇摆、注视速度（注视稳定性的指标）以及扫视和眨眼率的影响。结果表明，一般来说，生理信号与重定向增益强度、试验持续时间和试验次数呈显著正相关。注视速度与试验持续时间呈负相关。此外，我们还测量了用户在光照良好（明视觉）和光照昏暗（中间视觉）的虚拟照明条件下对旋转增益的敏感性。结果表明，在明视觉和中间视觉亮度条件下，RDW检测阈值没有显著差异。

🔬 方法详解

问题定义：重定向行走（RDW）旨在让用户在有限的物理空间内体验无限的虚拟环境。然而，过度的重定向增益会导致用户感知到不自然的旋转，从而影响VR体验。现有方法缺乏对用户生理信号的深入分析，难以确定最佳的重定向增益阈值，可能导致用户出现不适感。

核心思路：本文的核心思路是通过心理物理学实验，测量用户对不同重定向增益的敏感性，并同时收集用户的姿势和注视数据。然后，利用多层建模分析这些生理信号与重定向增益之间的相关性，从而了解哪些因素会影响用户对重定向的感知。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个阶段：1) 心理物理学实验设计：设计不同强度的重定向增益，并控制虚拟环境的亮度条件（明视觉和中间视觉）。2) 数据采集：使用VR设备跟踪用户的姿势和注视数据，包括姿势摇摆、注视速度、扫视和眨眼率。3) 多层建模：利用多层模型分析生理信号与重定向增益、试验持续时间、试验次数和参与者性别等因素之间的关系。4) 阈值分析：分析不同亮度条件下，用户对重定向增益的检测阈值。

关键创新：该研究的关键创新在于将用户的生理信号（姿势和注视数据）与重定向行走的旋转增益联系起来，并利用多层建模分析了它们之间的复杂关系。这为优化重定向行走策略提供了一种新的视角，可以根据用户的生理状态动态调整重定向增益，从而提升VR体验。

关键设计：实验中，重定向增益被设置为不同的强度，以测量用户的敏感性。虚拟环境的亮度条件被控制在明视觉和中间视觉范围内。姿势数据通过VR头显和手柄进行跟踪，注视数据通过眼动追踪设备进行采集。多层模型中，将参与者作为随机效应，将重定向增益、试验持续时间、试验次数和参与者性别作为固定效应。通过分析这些因素对姿势摇摆、注视速度、扫视和眨眼率的影响，来评估用户对重定向的感知。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，生理信号（姿势摇摆、注视速度、扫视和眨眼率）与重定向增益强度、试验持续时间和试验次数呈显著正相关。注视速度与试验持续时间呈负相关。此外，在明视觉和中间视觉亮度条件下，RDW检测阈值没有显著差异。这些结果为优化重定向行走策略提供了重要的依据。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于VR游戏、VR训练、VR康复等领域。通过实时监测用户的生理信号，动态调整重定向增益，可以有效降低用户的不适感，提升VR体验的沉浸感和舒适度。未来，该技术还可以扩展到其他类型的VR交互中，例如手势识别和语音控制。

📄 摘要（原文）

We study the correlations between redirected walking (RDW) rotation gains and patterns in users' posture and gaze data during locomotion in virtual reality (VR). To do this, we conducted a psychophysical experiment to measure users' sensitivity to RDW rotation gains and collect gaze and posture data during the experiment. Using multilevel modeling, we studied how different factors of the VR system and user affected their physiological signals. In particular, we studied the effects of redirection gain, trial duration, trial number (i.e., time spent in VR), and participant gender on postural sway, gaze velocity (a proxy for gaze stability), and saccade and blink rate. Our results showed that, in general, physiological signals were significantly positively correlated with the strength of redirection gain, the duration of trials, and the trial number. Gaze velocity was negatively correlated with trial duration. Additionally, we measured users' sensitivity to rotation gains in well-lit (photopic) and dimly-lit (mesopic) virtual lighting conditions. Results showed that there were no significant differences in RDW detection thresholds between the photopic and mesopic luminance conditions.