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 身体感知 功能性身体尺寸 深度压缩 辐辏-调节冲突

📋 核心要点

  1. 现有研究缺乏对VR中感知与动作之间关系的深入理解，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和真实环境下参与者对自身身体尺寸的感知和动作表现。
  3. 实验结果表明，VR环境会导致感知阈值和动作阈值均升高，且深度压缩是主要原因。

📝 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（调整孔径宽度直至可通行且无接触）。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实际更窄，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，从而导致对自身功能性身体尺寸的改变。

🔬 方法详解

问题定义：该论文旨在研究沉浸式虚拟现实（VR）如何影响个体对自身功能性身体尺寸的感知。现有方法缺乏对VR中深度感知扭曲如何影响身体-环境关系的量化分析，以及如何校正这些扭曲以恢复感知与动作之间的协调一致性。

核心思路：核心思路是通过比较参与者在真实环境（UR）和虚拟现实（VR）中执行相同任务（侧身穿过孔径）时的感知和动作阈值，来量化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，并尝试通过数学方法校正这种影响，以恢复VR中感知与动作之间的协调一致性。

技术框架：该研究采用可通行孔径范式，包括以下主要阶段：1) 在UR和VR环境中，参与者执行动作任务（sidle through apertures），确定动作阈值；2) 在UR和VR环境中，参与者执行感知任务（adjust aperture width until passable without contact），确定感知阈值；3) 计算可供性比率（感知阈值/动作阈值），用于评估感知与动作之间的关系；4) 使用几何建模分析深度压缩对感知阈值的影响；5) 通过数学方法校正深度压缩的影响，重新计算可供性比率。

关键创新：该研究的关键创新在于：1) 量化了VR中的深度压缩对功能性身体尺寸感知的影响；2) 提出了通过数学方法校正深度压缩，以恢复VR中感知与动作之间协调一致性的方法；3) 揭示了VR环境对身体-环境关系的系统性改变。

关键设计：实验中，使用了头戴式显示器（HMD）来呈现沉浸式VR环境。可通行孔径的宽度是可调节的，用于确定参与者的动作和感知阈值。几何建模中，考虑了辐辏-调节冲突（VAC）对深度感知的影响，并使用相应的数学模型进行校正。可供性比率（感知阈值/动作阈值）被用作评估感知与动作之间关系的指标。

📊 实验亮点

实验结果表明，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。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，表明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，减少深度感知失真，提高用户在虚拟环境中的沉浸感和操作效率。此外，该研究对于康复医学领域也有潜在价值，可以通过调整虚拟环境的参数，帮助患者恢复身体感知和运动能力。

📄 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.