Virtual Reality Alters Perceived Functional Body Size

📄 arXiv: 2510.00824v1 📥 PDF

作者: Xiaoye Michael Wang, Ali Mazalek, Catherine M. Sabiston, Timothy N. Welsh

分类: cs.HC, cs.GR

发布日期: 2025-10-01

💡 一句话要点

虚拟现实通过深度压缩改变感知到的功能性身体尺寸

🎯 匹配领域: 支柱三：空间感知与语义 (Perception & Semantics)

关键词: 虚拟现实 身体尺寸感知 深度压缩 辐辏-调节冲突 可供性 人机交互 感知扭曲

📋 核心要点

  1. 现有研究缺乏对VR中感知和动作之间关系如何受到影响的深入理解，尤其是在功能性身体尺寸感知方面。
  2. 该研究通过可通行孔径范式，比较了VR和UR环境中参与者对自身身体尺寸的感知和动作表现，揭示了VR对感知的影响。
  3. 实验结果表明，VR环境会显著提高参与者对自身身体尺寸的感知阈值，且这种影响部分归因于深度压缩。

📝 摘要（中文）

本研究旨在探讨通过头戴式显示器(HMD)呈现的沉浸式虚拟现实(VR)如何影响感知到的功能性身体尺寸，采用可通行孔径范式。参与者(n=60)在物理的、无中介的现实(UR)和VR中执行动作任务(侧身穿过孔径)和感知任务(调整孔径宽度直到可以无接触地通过)。结果表明，VR中的动作和感知阈值显著高于UR。VR中的可供性比率(感知阈值/动作阈值)也较高，表明VR中感知阈值的增加部分是由于感觉运动的不确定性(反映在动作阈值的增加中)，部分是由于VR施加的感知扭曲。这种VR中的感知高估在VR暴露后作为后效持续存在于UR中。几何建模将VR中感知阈值不成比例的增加主要归因于深度压缩。这种源于辐辏-调节冲突(VAC)的压缩导致虚拟孔径被感知为比描绘的更窄，因此需要更宽的调整孔径。关键是，在数学上校正VAC对感知孔径宽度的影响后，VR中的可供性比率变得与UR中的可供性比率相当。这些结果表明恢复了一种不变的几何缩放，表明一旦考虑到VAC引起的扭曲，感知在功能上仍然与动作能力相协调。这些发现强调，VR引起的深度压缩系统地改变了感知的身体-环境关系，导致对自身功能性身体尺寸的感知发生改变。

🔬 方法详解

问题定义：该论文旨在解决虚拟现实(VR)环境中，由于辐辏-调节冲突(VAC)引起的深度压缩，如何影响个体对自身功能性身体尺寸的感知问题。现有方法缺乏对VR中感知和动作之间关系的深入理解，特别是VAC对身体尺寸感知的影响，导致VR环境下的交互体验可能存在偏差。

核心思路：论文的核心思路是通过比较参与者在真实环境(UR)和虚拟现实(VR)中对可通行孔径的感知和动作表现，量化VR对身体尺寸感知的影响。通过几何建模分析深度压缩对感知阈值的影响，并尝试校正VAC引起的扭曲，以恢复感知和动作之间的不变关系。

技术框架：该研究采用可通行孔径范式，包含以下主要阶段：1) 在UR和VR环境中，参与者执行动作任务(侧身穿过孔径)和感知任务(调整孔径宽度直到可以无接触地通过)。2) 记录参与者的动作阈值和感知阈值。3) 计算可供性比率(感知阈值/动作阈值)，用于评估感知和动作之间的关系。4) 使用几何建模分析深度压缩对感知阈值的影响。5) 通过数学方法校正VAC对感知孔径宽度的影响。

关键创新：该论文的关键创新在于：1) 揭示了VR环境中的深度压缩会系统性地改变个体对自身功能性身体尺寸的感知。2) 通过几何建模和数学校正，量化了VAC对感知阈值的影响，并成功恢复了感知和动作之间的不变关系。3) 证明了在考虑VAC引起的扭曲后，感知在功能上仍然与动作能力相协调。

关键设计：实验中，参与者需要在UR和VR环境中分别进行动作和感知任务。动作任务要求参与者侧身穿过不同宽度的孔径，记录能够顺利通过的最小孔径宽度作为动作阈值。感知任务要求参与者调整孔径宽度，直到他们认为可以无接触地通过，记录此时的孔径宽度作为感知阈值。通过比较UR和VR环境下的动作阈值、感知阈值和可供性比率，分析VR对身体尺寸感知的影响。几何建模用于分析深度压缩对感知阈值的影响，并使用数学方法校正VAC引起的扭曲。

📊 实验亮点

实验结果表明，VR环境中的动作和感知阈值显著高于UR环境。VR中的可供性比率也较高，表明VR中感知阈值的增加部分是由于感觉运动的不确定性，部分是由于VR施加的感知扭曲。通过数学校正VAC对感知孔径宽度的影响后，VR中的可供性比率变得与UR中的可供性比率相当，证明了感知在功能上仍然与动作能力相协调。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于VR/AR环境设计，例如优化虚拟环境的视觉呈现，减少深度感知偏差，提升用户交互体验。此外，该研究对于康复医学领域也具有潜在价值，通过调整VR环境参数，可以帮助患者更好地感知自身身体尺寸，从而改善运动控制和协调能力。未来，该研究可以扩展到其他感知维度，例如触觉和听觉，以构建更加逼真和自然的虚拟环境。

📄 摘要（原文）

Virtual reality (VR) introduces sensory perturbations that may impact perception and action. The current study was designed to investigate how immersive VR presented through a head-mounted display (HMD) affects perceived functional body size using a passable aperture paradigm. Participants (n=60) performed an action task (sidle through apertures) and a perception task (adjust aperture width until passable without contact) in both physical, unmediated reality (UR) and VR. Results revealed significantly higher action and perceptual thresholds in VR compared to UR. Affordance ratios (perceptual threshold over action threshold) were also higher in VR, indicating that the increase in perceptual thresholds in VR was driven partly by sensorimotor uncertainty, as reflected in the increase in the action thresholds, and partly by perceptual distortions imposed by VR. This perceptual overestimation in VR also persisted as an aftereffect in UR following VR exposure. Geometrical modelling attributed the disproportionate increase in the perceptual threshold in VR primarily to depth compression. This compression, stemming from the vergence-accommodation conflict (VAC), caused the virtual aperture to be perceived as narrower than depicted, thus requiring a wider adjusted aperture. Critically, after mathematically correcting for the VAC's impact on perceived aperture width, the affordance ratios in VR became equivalent to those in UR. These outcomes demonstrate a recovered invariant geometrical scaling, suggesting that perception remained functionally attuned to action capabilities once VAC-induced distortions were accounted for. These findings highlight that VR-induced depth compression systematically alters perceived body-environment relationships, leading to an altered sense of one's functional body size.