Μια ανασκόπηση σχετικά με τις εργονομικές αξιολογήσεις της εικονικής πραγματικότητας Μέρος 1

Αφηρημένη

ΙΣΤΟΡΙΚΟ:Η εικονική πραγματικότητα (VR) είναι ένας συνδυασμός τεχνολογιών που επιτρέπουν στον χρήστη να αλληλεπιδρά με ένα προσομοιωμένο περιβάλλον με την εμπειρία της εμβάπτισης, της διαδραστικότητας και της φαντασίας. Ωστόσο, τα εργονομικά προβλήματα που σχετίζονται με την εικονική πραγματικότητα έχουν αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία και την εμπειρία των χρηστών, γεγονός που περιορίζει την εφαρμογή της τεχνολογίας εικονικής πραγματικότητας.

Το Cistanche μπορεί να δράσει ως ενισχυτικό κατά της κούρασης και αντοχής, και πειραματικές μελέτες έχουν δείξει ότι το αφέψημα του Cistanche tubulosa θα μπορούσε να προστατεύσει αποτελεσματικά τα ηπατικά κύτταρα και τα ενδοθηλιακά κύτταρα που έχουν υποστεί βλάβη σε ποντίκια που κολυμπούν με βάρος, να ρυθμίζει προς τα πάνω την έκφραση του NOS3 και να προάγει το ηπατικό γλυκογόνο. σύνθεση, ασκώντας έτσι αποτελεσματικότητα κατά της κόπωσης. Το πλούσιο σε γλυκοσίδη φαινυλαιθανοειδή εκχύλισμα Cistanche tubulosa θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά τα επίπεδα κρεατινικής κινάσης, γαλακτικής αφυδρογονάσης και γαλακτικού ορού και να αυξήσει τα επίπεδα αιμοσφαιρίνης (HB) και γλυκόζης σε ποντικούς ICR, και αυτό θα μπορούσε να διαδραματίσει έναν ρόλο κατά της κόπωσης μειώνοντας τη μυϊκή βλάβη και καθυστερώντας τον εμπλουτισμό γαλακτικού οξέος για αποθήκευση ενέργειας σε ποντίκια. Το Compound Cistanche Tubulosa δισκία παρέτεινε σημαντικά τον χρόνο κολύμβησης που αντέχουν το βάρος, αύξησε το ηπατικό απόθεμα γλυκογόνου και μείωσε το επίπεδο ουρίας στον ορό μετά την άσκηση σε ποντίκια, δείχνοντας την αντικαταθλιπτική του δράση. Το αφέψημα του Cistanchis μπορεί να βελτιώσει την αντοχή και να επιταχύνει την εξάλειψη της κόπωσης στα ποντίκια που ασκούνται και μπορεί επίσης να μειώσει την άνοδο της κινάσης της κρεατίνης ορού μετά από άσκηση και να διατηρήσει φυσιολογική την υπερδομή των σκελετικών μυών των ποντικών μετά την άσκηση, πράγμα που δείχνει ότι έχει τα αποτελέσματα ενίσχυσης της σωματικής δύναμης και κατά της κούρασης. Το Cistanchis παρέτεινε επίσης σημαντικά τον χρόνο επιβίωσης των δηλητηριασμένων από νιτρώδη ποντίκια και ενίσχυσε την ανοχή έναντι της υποξίας και της κόπωσης.

Κάντε κλικ στο εξαντλημένο

【Για περισσότερες πληροφορίες:george.deng@wecistanche.com / WhatsApp:8613632399501】

ΣΚΟΠΟΣ:Η εργασία στοχεύει να παρέχει μια επισκόπηση της εργονομικής αξιολόγησης της VR για περαιτέρω ανάπτυξη λογισμικού και υλικού VR.

ΜΕΘΟΔΟΙ:Αυτή η εργασία περιγράφει και συζητά τα ζητήματα εργονομίας που εμπλέκονται στο λογισμικό και το υλικό της VR από τρεις πτυχές: οπτική, φυσιολογική και γνωστική. Η εργασία συνοψίζει επίσης τις μεθόδους έρευνας και τις μετρήσεις αξιολόγησης.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ:Έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για τη μελέτη ζητημάτων εργονομίας του VR, όπως η πίεση, η μυϊκή κόπωση, η θερμική άνεση, η οπτική κόπωση και η ασθένεια κίνησης. Οι μελέτες εργονομίας είναι πολύ πολύτιμες για έρευνα που σχετίζεται με την εικονική πραγματικότητα. Υπάρχει ένας συνοπτικός πίνακας που παραθέτει τις κύριες μετρήσεις και μεθόδους αξιολόγησης.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ:Σύμφωνα με την τρέχουσα έρευνα, αυτή η ανασκόπηση παρέχει τρεις συστάσεις για περαιτέρω έρευνα σχετικά με την εικονική πραγματικότητα, οι οποίες θα είναι χρήσιμες για περαιτέρω ανθρωποκεντρική έρευνα και εργασία σχεδιασμού στη βιομηχανία VR.

Λέξεις-κλειδιά:Εικονική πραγματικότητα, οθόνη στήριξης κεφαλής, εργονομία/ανθρώπινοι παράγοντες, μέθοδοι αξιολόγησης

1. Εισαγωγή

Βασισμένη στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των υπολογιστών, η εικονική πραγματικότητα συνδυάζει την ηλεκτρονική τεχνολογία πληροφοριών και την τεχνολογία προσομοίωσης για να δημιουργήσει ένα ψηφιακό περιβάλλον που είναι πολύ παρόμοιο με το πραγματικό περιβάλλον όσον αφορά την όραση, την ακοή και την αφή. Ο χρήστης αλληλεπιδρά με τα αντικείμενα στο ψηφιακό περιβάλλον με τον απαραίτητο εξοπλισμό για να δημιουργήσει μια καθηλωτική εμπειρία. Η τεχνολογία εικονικής πραγματικότητας έχει τρία βασικά χαρακτηριστικά: Εμβάπτιση, Αλληλεπίδραση και Φαντασία [1]. Αυτά τα τρία βασικά χαρακτηριστικά αναφέρονται ως χαρακτηριστικά 3I της εικονικής πραγματικότητας.

Με την ανάπτυξη της παραγωγικότητας και τη συνεχή πρόοδο της τεχνολογίας, η ζήτηση για τεχνολογία εικονικής πραγματικότητας είναι ολοένα και πιο έντονη σε διάφορους κλάδους. Η τεχνολογία VR χρησιμοποιείται πλέον ευρέως στην εθνική άμυνα και τον στρατό, την εκπαίδευση και την εκπαίδευση, τα παιχνίδια και την ψυχαγωγία, την υγειονομική περίθαλψη, τη βιομηχανική κατασκευή και άλλους τομείς. Το 5 G, είναι μια νέα γενιά ευρυζωνικής τεχνολογίας κινητής επικοινωνίας με υψηλή ταχύτητα, χαμηλή καθυστέρηση και μεγάλη συνδεσιμότητα, είναι μια υποδομή δικτύου για την υλοποίηση της διασύνδεσης ανθρώπων, μηχανών και πραγμάτων. Η πολυπλοκότητα της αναδυόμενης αρχιτεκτονικής 5 G θα προσφέρει πολλές ευκαιρίες για τους επαγγελματίες και θα ανοίξει συναρπαστικές νέες προοπτικές για έρευνα [2]. Με την ανάπτυξη του 5 G, η μελλοντική εφαρμογή του VR θα είναι πολύ ευρύτερη. Στις μέρες μας, η εικονική πραγματικότητα θεωρείται μια από τις σημαντικότερες τεχνολογικές τάσεις για την προώθηση της ψηφιοποίησης όλων των τομέων της ανθρώπινης ζωής [3].

Ωστόσο, η εμπειρία χρήστη της εικονικής πραγματικότητας δεν είναι τέλεια λόγω τεχνικών περιορισμών. Τα ίδια τα προϊόντα εικονικής πραγματικότητας υποφέρουν από υπερβολικό βάρος εξοπλισμού, υψηλή τοπική πίεση, θερμική δυσφορία, οπτική κόπωση, ναυτία κ.λπ., που κάνουν τους ανθρώπους να διστάζουν να φορούν τα ακουστικά για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτά τα προβλήματα όχι μόνο επηρεάζουν αρνητικά την υγεία και τη χρήση των χρηστών αλλά περιορίζουν επίσης την εφαρμογή της τεχνολογίας εικονικής πραγματικότητας και την εφαρμογή της στο κοινό. Επομένως, με το ολοένα και πιο ανταγωνιστικό περιβάλλον της βιομηχανίας VR, είναι σημαντικό να πραγματοποιηθεί έρευνα εργονομίας για εικονική πραγματικότητα. Αυτή η εργασία εξετάζει την εργονομική έρευνα που σχετίζεται με το υλικό και το λογισμικό VR και στοχεύει να βοηθήσει στην ανθρωποκεντρική έρευνα VR και ανάπτυξη προϊόντων.

2. Η σημασία της έρευνας εργονομίας για την εικονική πραγματικότητα

Σύμφωνα με τον ορισμό που δόθηκε από την IEA (International Ergonomics Association) το 2000 [4], "Εργονομία (ή ανθρώπινοι παράγοντες) είναι ο επιστημονικός κλάδος που ασχολείται με την κατανόηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ανθρώπων και άλλων στοιχείων ενός συστήματος και του επαγγέλματος που ισχύει θεωρία, αρχές, δεδομένα και μεθόδους σχεδιασμού για τη βελτιστοποίηση της ανθρώπινης ευημερίας και της συνολικής απόδοσης του συστήματος." Η τεχνολογία εικονικής πραγματικότητας που δημιουργεί ένα καθηλωτικό περιβάλλον θα είναι μια κατάλληλη λύση για τη βελτίωση της εργονομίας του χώρου εργασίας [5, 6].

Η τεχνολογία εικονικής πραγματικότητας έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή από τους εργονόμους. Ήδη από το 1998, ο Stanney κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η έρευνα για τους ανθρώπινους παράγοντες στην εικονική πραγματικότητα σχετίζεται με την αποτελεσματικότητα της ανθρώπινης απόδοσης, τα θέματα υγείας και ασφάλειας και τον κοινωνικό αντίκτυπο, και επεσήμανε ότι η εικονική πραγματικότητα πρέπει να λαμβάνει πλήρως υπόψη τους ανθρώπινους παράγοντες [7]. Οι παρενέργειες και ο επακόλουθος αντίκτυπος της συμμετοχής σε εικονικά περιβάλλοντα (VE), η καταλληλότητα των διεπαφών υλικού και λογισμικού VR και η κατανόηση των παραγόντων που καθορίζουν την απόδοση των συμμετεχόντων είναι τα κύρια θέματα για εργονομικές μελέτες της VR πρόσφατα [8]. Σε αυτό το άρθρο, εξετάζουμε την εργονομική έρευνα για το υλικό και το λογισμικό της VR από τρεις πτυχές, συμπεριλαμβανομένης της Φυσικής εργονομίας, της Οπτικής εργονομίας και της Γνωστικής εργονομίας, και συνοψίζουμε τα εργονομικά ζητήματα, τις μεθόδους, τους δείκτες και τις μελλοντικές τάσεις. Αυτή η συστηματική ανασκόπηση θα είναι χρήσιμη για περαιτέρω ανθρωποκεντρικό σχεδιασμό στη βιομηχανία VR και μπορεί να βελτιώσει τη δημοτικότητα της VR.

3. Θέματα εργονομίας για εικονική πραγματικότητα

3.1. Σύνθεση συστήματος VR

Τα συστήματα εικονικής πραγματικότητας έχουν σχεδιαστεί για να δημιουργούν ένα διαδραστικό εικονικό περιβάλλον και περιλαμβάνουν στοιχεία υλικού και λογισμικού. Το υλικό μπορεί να χωριστεί σε συσκευές εισόδου και εξόδου. Το λογισμικό περιλαμβάνει κυρίως λογισμικό τρισδιάστατης μοντελοποίησης, ανοιχτή πλατφόρμα εικονικής πραγματικότητας και μηχανή εικονικής πραγματικότητας (Εικ. 1).

3.1.1. Εξαρτήματα υλικού

Τα στοιχεία υλικού του συστήματος εικονικής πραγματικότητας περιλαμβάνουν συσκευές εισόδου και συσκευές εξόδου. Οι συσκευές εισόδου περιλαμβάνουν κυρίως γάντια δεδομένων, joysticks και ιχνηλάτες κίνησης. Οι συσκευές εξόδου χρησιμοποιούνται για την παρουσίαση του περιβάλλοντος VR ​​στον χρήστη και την παροχή ανατροφοδότησης, συμπεριλαμβανομένων οπτικών, ακουστικών και απτικών οθονών [9]. Οι συσκευές εξόδου περιλαμβάνουν κυρίως οθόνη εικονικής πραγματικότητας που τοποθετείται στο κεφάλι (HMD), cave (Cave Automatic Virtual Environment), γυαλιά VR και ακουστικά. Σε σύγκριση με το παραδοσιακό HMD, το Virtual Reality All-in-one Headset είναι φορτωμένο με έναν ανεξάρτητο επεξεργαστή για να κάνει το σύστημα ασύρματο. Οι Ahn et al. [10] πρότεινε ότι οι μελλοντικές συσκευές εικονικής πραγματικότητας θα πρέπει να εξετάσουν τα περιβάλλοντα εικονικής πραγματικότητας πολλών χρηστών και ζητήματα ασύρματης συνδεσιμότητας. Πίστευαν ότι οι ασύρματες και ανέπαφες συσκευές εικονικής πραγματικότητας ήταν οι μελλοντικές τάσεις της τεχνολογίας VR.

3.1.2. Στοιχεία λογισμικού

Το λογισμικό συστήματος εικονικής πραγματικότητας αποτελείται κυρίως από λογισμικό τρισδιάστατης μοντελοποίησης, μια ανοιχτή πλατφόρμα εικονικής πραγματικότητας και έναν κινητήρα. Μοντελοποίηση εικονικής πραγματικότητας βασισμένη σε λογισμικό 2D σχεδίασης. Τα 3DS Max®, AutoCAD®, Softimage 3D® και Maya® είναι παραδείγματα εμπορικά διαθέσιμων λογισμικού τρισδιάστατης μοντελοποίησης που χρησιμοποιούνται συνήθως. Η ανοιχτή πλατφόρμα VR διαθέτει ένα προσβάσιμο κιτ ανάπτυξης λογισμικού εικονικής πραγματικότητας (VR SDK). Η Oculus παρέχει ένα SDK που ενημερώνεται συνεχώς για τη δημιουργία πρωτοτύπων και τη συμμετοχή του κοινού στη διαδικασία ανάπτυξης εφαρμογών. Και ο κινητήρας είναι το καθολικό εργαλείο ανάπτυξης και δημιουργίας για την εικονική πραγματικότητα. Παραδείγματα βασικών κινητήρων VR είναι οι Unreal Engine 4®, Unity 3D®, Cry ENGINE® και VR Platform®.

3.2. Θέματα εργονομίας που σχετίζονται με παράγοντες υλικού

Η HMD θεωρείται η πιο δημοφιλής συσκευή εικονικής πραγματικότητας [11]. Βασίζεται σε ένα σύστημα παρακολούθησης κίνησης σε πραγματικό χρόνο που παρουσιάζει τον εικονικό κόσμο στο οπτικό πεδίο του χρήστη. Επομένως, τα θέματα ανθρώπινου παράγοντα που σχετίζονται με παράγοντες υλικού VR που συζητούνται εδώ αφορούν κυρίως το HMD, εστιάζοντας τόσο στη φυσική εργονομία όσο και στην οπτική εργονομία.

3.2.1. Φυσική εργονομία

3.2.1.1. Πίεση.Το βάρος, η κατανομή βάρους και το στυλ χρήσης διαφορετικών HMD μπορεί να ασκήσουν διαφορετικές πιέσεις στο σημείο στήριξης του προσώπου, επηρεάζοντας έτσι τη συνολική υποκειμενική ενόχληση του χρήστη [12]. Η έρευνα για την πίεση HMD έχει επικεντρωθεί τόσο στο φυσικό φορτίο όσο και στην πίεση επαφής.

Η ροπή της άρθρωσης του λαιμού είναι ένας σημαντικός δείκτης αξιολόγησης του σωματικού φορτίου, που επηρεάζεται σημαντικά από το βάρος και το κέντρο μάζας και αυξάνεται με τη μάζα HMD [13]. Η ελάχιστη θέση του κέντρου μάζας της ροπής της άρθρωσης του λαιμού ποικίλλει ανάλογα με τη στάση της δοκιμής και το συνιστώμενο εύρος του κέντρου μάζας καθορίζεται ανάλογα με τη στάση. Το βάρος και η θέση του κέντρου βάρους έχουν σημαντική επίδραση στην υποκειμενική αντίληψη του επιπέδου φόρτισης του σώματος [14]. Οι LeClair et al. [15] ανέφερε ότι η μέγιστη αποδεκτή μάζα ενός κράνους είναι περίπου 1000 g, επομένως η μέγιστη μάζα μιας οθόνης που τοποθετείται στο κεφάλι δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 1000 g.

Η πίεση επαφής δημιουργείται κυρίως από επτά κύριες περιοχές του κεφαλιού και της επαφής του προσώπου με το HMD, συμπεριλαμβανομένης της γέφυρας της μύτης, των ζυγωματικών, των φρυδιών, του μετώπου, του κροταφικού οστού, της κορυφής του κεφαλιού και του πίσω μέρους του κεφαλιού [16]. Η πίεση επαφής κεφαλιού-προσώπου είναι πιο ευαίσθητη στη θέση του κέντρου βάρους του HMD. Ένα HMD με κέντρο βάρους προς τα εμπρός παρήγαγε σημαντικά υψηλότερη πίεση ρινικής επαφής και συνολική δυσφορία από ένα με κέντρο βάρους προς τα πίσω [17]. Μελέτες έχουν δείξει ότι η συνολική και η ρινική υποκειμενική ενόχληση σχετιζόταν στενά με την πίεση της ρινικής επαφής και το αυτί ήταν το πιο ευαίσθητο στην ενόχληση για το σχέδιο με το κέντρο βάρους στο αυτί [17]. Οι Lee et al. [18] διαπίστωσε ότι τα ακουστικά εικονικής πραγματικότητας με διαφορετικά σχήματα καμπυλών σε επαφή με την περιοχή του προσώπου ασκούσαν διαφορετικά επίπεδα πίεσης στη μύτη. Οι Yan et al. [19] ερεύνησαν τη σχέση μεταξύ του βάρους του ακουστικού εικονικής πραγματικότητας και της υποκειμενικής ενόχλησης στο κεφάλι και του φορτίου πίεσης και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το μικρότερο βάρος μπορεί να κάνει τους χρήστες να αισθάνονται καλύτερα. Ταυτόχρονα, το ενσωματωμένο ακουστικό είναι πιο άνετο από το soft band.

3.2.1.2. Μυϊκή κόπωση.Η κόπωση συνδέεται κυρίως με τη μυϊκή δραστηριότητα [20]. Η κίνηση των ματιών είναι μια φυσική συνήθεια και η μυϊκή κόπωση εμφανίζεται σπάνια, επομένως η οπτική κόπωση είναι εγγενώς διαφορετική από τη συνηθισμένη μυϊκή κόπωση, η οποία σχετίζεται με τη δραστηριότητα του κεντρικού νευρικού συστήματος [21]. Επομένως, αυτό το άρθρο εξετάζει τη μελέτη οπτικής κόπωσης HMD ξεχωριστά από τη μελέτη μυϊκής κόπωσης HMD.

Το ίδιο το βάρος του HMD μπορεί να προκαλέσει κόπωση. Το πρόσθετο βάρος στο κράνος μπορεί να κάνει το κέντρο βάρους του κεφαλιού και του κράνους να κινούνται προς τα εμπρός. Ταυτόχρονα, μπορεί επίσης να αυξήσει την αδράνεια του λαιμού [22]. Σύμφωνα με την ανάλυση του Surface EMG, κατά τη διάρκεια κάθε προπόνησης, το επίπεδο κόπωσης των τελευταίων ωρών είναι σημαντικά υψηλότερο από αυτό των πρώτων ωρών μετά τη χρήση HMD [22].

Οι διαφορετικές θέσεις στόχου στην αλληλεπίδραση εικονικής πραγματικότητας μπορούν επίσης να επηρεάσουν το μυοσκελετικό φορτίο και την απόδοση της εργασίας [23]. Οι περιττές κάθετες θέσεις στόχου θα πρέπει να αποφεύγονται στην αλληλεπίδραση VR για τη μείωση της μυοσκελετικής δυσφορίας και του κινδύνου τραυματισμού. Ο Nichols [24] έδειξε ότι θα πρέπει να διεξάγονται μακροχρόνια πειράματα για την αποτελεσματική αξιολόγηση των προβλημάτων μυϊκής κόπωσης.

Επιπλέον, κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης, οι ελεύθερες κινήσεις χειρονομίας των άνω άκρων χωρίς στήριξη του βραχίονα και παρατεταμένες στατικές στάσεις μπορεί να οδηγήσουν σε δυσφορία και κόπωση στους ώμους [25]. Η επαναλαμβανόμενη και συνεχής στάση του χεριού κατά τη διάρκεια των αλληλεπιδράσεων μπορεί επίσης να οδηγήσει σε κόπωση των μυών του ώμου [26].

3.2.1.3. Θερμική άνεση.Η θερμική άνεση του HMD είναι σημαντική. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι η χρήση καλύμματος κεφαλής σε ζεστές συνθήκες μπορεί να οδηγήσει σε υποκειμενικές θερμικές διαταραχές (ΣΜΝ) [27, 28]. Το HMD μονώνει την περιοχή της κεφαλής και μπορεί να προκαλέσει θερμική δυσφορία, η οποία με τη σειρά της μειώνει την πρόθεση χρήσης του χρήστη [29]. Η θερμική άνεση του κεφαλιού του χρήστη παίζει καθοριστικό ρόλο στη συνολική προσωπική άνεση. Με βάση την επιφάνεια, μέρος της θερμότητας του σώματος διαχέεται μέσω του κεφαλιού [30, 31]. Επιπλέον, τα ακουστικά εικονικής πραγματικότητας παράγουν πολλή θερμότητα κατά τη λειτουργία, πράγμα που σημαίνει ότι ο χρήστης θα αισθάνεται πιο ζεστός από το να φοράει άλλα καλύμματα κεφαλής (όπως κράνος) [32].

Η υπέρυθρη θερμογραφία (IRT) έχει προσελκύσει αυξανόμενη προσοχή στις μέρες μας στις φυσιολογικές μελέτες λόγω των μεγάλων δυνατοτήτων της να ποσοτικοποιεί την κατανομή της επιφανειακής θερμοκρασίας εύκολα και μη επεμβατικά και να δημιουργεί αντίστοιχες θερμικές εικόνες [31, 33, 34]. Οι Dotti et al. [31, 33, 34] συνέκριναν την εφαρμογή μικροσκοπικών καταγραφέων δεδομένων και υπέρυθρης θερμογραφίας (IRT) στην έρευνα για την ανθρώπινη άνεση. Οι Wang et al. [35] μελέτησε τα θερμικά χαρακτηριστικά και την υποκειμενική θερμική δυσφορία των ακουστικών εικονικής πραγματικότητας. Μέτρησαν τη θερμοκρασία μικροκλίματος και τη σχετική υγρασία χρησιμοποιώντας μικροσκοπικά καταγραφικά δεδομένων και την κατανομή θερμοκρασίας μεταξύ του προσώπου του χρήστη και του σημείου επαφής του ακουστικού χρησιμοποιώντας μια κάμερα υπέρυθρης θερμικής απεικόνισης. Η μελέτη διαπίστωσε ότι η υποκειμενική θερμική δυσφορία συσχετίστηκε θετικά με το χρόνο χρήσης, τη θερμοκρασία μικροκλίματος, τη σχετική υγρασία και την περιοχή κάλυψης της οθόνης. Πρότειναν ότι ο σχεδιασμός του HMD θα πρέπει να εξετάσει το ενδεχόμενο μείωσης της περιοχής κάλυψης της οθόνης του προσώπου του χρήστη, ειδικά της περιοχής με υψηλό ποσοστό εφίδρωσης.

3.2.2. Οπτική εργονομία

Η εμβάπτιση που αποκτούν οι χρήστες σε περιβάλλοντα VR εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την οπτική τους εμπειρία. Ως αποτέλεσμα, η έρευνα για την οπτική εργονομία της εικονικής πραγματικότητας είναι ιδιαίτερα σημαντική. Η καθυστέρηση αναφέρεται στη διαφορά μεταξύ του χρόνου που απαιτείται για μια συσκευή εικονικής πραγματικότητας για να ανταποκριθεί σε μια είσοδο σήματος συμπεριφοράς από τον χρήστη και του χρόνου για μια συσκευή VR να παρουσιάσει το σήμα. Τον Σεπτέμβριο του 2020, το IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineering) ανέπτυξε ένα πρότυπο HMD για τη μείωση των ασθενειών εικονικής πραγματικότητας. Ανέφερε ότι η καθυστέρηση της εικονικής πραγματικότητας μπορεί να επηρεάσει τη βύθιση των χρηστών και να προκαλέσει ταλαιπωρία, γεγονός που θέτει νέες απαιτήσεις για το υλικό HMD. Ο λανθάνων χρόνος πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερος, 20 ms ή ακόμη λιγότερο σε λανθάνουσα κατάσταση θα είναι αποδεκτές [36]. Ο ρυθμός καρέ είναι ο αριθμός των καρέ ανά δευτερόλεπτο που ανανεώνεται η εικόνα και οι χαμηλοί ρυθμοί καρέ μπορεί να προκαλέσουν τρεμόπαιγμα. Δεδομένου ότι το τρεμόπαιγμα και οι χαμηλοί ρυθμοί καρέ μπορεί να προκαλέσουν συμπτώματα όπως πονοκεφάλους, κόπωση των ματιών και επιληπτικές κρίσεις σε ευαίσθητους χρήστες, ο ρυθμός καρέ στο περιεχόμενο VR πρέπει να συγχρονιστεί με τον ρυθμό ανανέωσης του VR HMD. Συνιστάται ο ελάχιστος ρυθμός καρέ να μην είναι μικρότερος από 30 fps (καρέ ανά δευτερόλεπτο) για εικόνες, 60 fps για γραφικά και 90 fps για διαδραστικό περιεχόμενο. Όσο υψηλότερα είναι τα pixel ανά ίντσα (PPI) της ανάλυσης εικόνας VR, τόσο πιο καθαρό θα είναι το περιεχόμενο που εμφανίζεται στην οθόνη.

Τα προβλήματα οπτικής εργονομίας που προκαλούνται από την εικονική πραγματικότητα αντανακλώνται κυρίως σε δύο πτυχές την οπτική κόπωση και την ασθένεια κίνησης.

3.2.2.1. Οπτική κόπωση.Το HMD μπορεί να προκαλέσει οπτική κόπωση [36]. Οι Sheedy et al. [37] ταξινόμησε τα συμπτώματα της οφθαλμικής καταπόνησης σε εξωτερικά και εσωτερικά συμπτώματα με βάση την τοποθεσία. Τα κύρια εξωτερικά συμπτώματα είναι κάψιμο, ερεθισμός, δακρύρροια και ξηρότητα. Αυτά τα συμπτώματα προκαλούνται από διάφορους παράγοντες, όπως το άνοιγμα των βλεφάρων, το βλέμμα, το βλέμμα προς τα πάνω, η ανάγνωση μικρών γραμμάτων και το τρεμόπαιγμα στο μπροστινό και κάτω μέρος του ματιού. Τα εσωτερικά συμπτώματα είναι κυρίως πόνος, ένταση και πονοκέφαλος.

Αναλύοντας τους λόγους για την οπτική κόπωση που προκαλείται από την HMD, ο Peli [38] πρότεινε ότι προκλήθηκε από την αναντιστοιχία μεταξύ της απόστασης σύγκλισης των ματιών και της εστιακής απόστασης. Οι Yano et al. [39] πρότεινε ότι κατά την προβολή στερεοσκοπικών εικόνων, η διαφορά μεταξύ των απαιτήσεων της προετοιμασίας και της σύγκλισης μπορεί να ασκήσει μεγάλη πίεση στο οπτικό σύστημα, οδηγώντας σε κόπωση των ματιών και μετρήσιμες αλλαγές στην οπτική λειτουργία. Bando et al. [40] παρατήρησε ότι τα πειράματα στο περιβάλλον VR ήταν πιο επιρρεπή στην οπτική κόπωση από τα πειράματα στο περιβάλλον LCD, κυρίως λόγω της παραμόρφωσης της εικόνας ή της αλληλεπίδρασης στη στερεοσκοπική προβολή και της εγγύτητας μεταξύ της πηγής φωτισμού και των ματιών.

3.2.2.2. Οπτικά επαγόμενη ασθένεια κίνησης.Η οπτικά επαγόμενη ασθένεια κίνησης (VIMS) μπορεί να εμφανιστεί κατά τη διάρκεια ή μετά την έκθεση σε ένα εικονικό περιβάλλον, προκαλώντας δυσφορία στον χρήστη, που χαρακτηρίζεται από συμπτώματα όπως ναυτία, πονοκέφαλο και αποπροσανατολισμό [41]. Το VIMS είναι το κύριο εμπόδιο που πρέπει να ξεπεραστεί στην εικονική πραγματικότητα. Υπολογίζεται ότι περίπου το 30-80% των ανθρώπων θα εμφανίσουν κάποιο βαθμό ασθένειας όταν χρησιμοποιούν την εικονική πραγματικότητα [42]. Επομένως, αυτή η ενότητα θα επικεντρωθεί στο VIMS σε εικονικό περιβάλλον.

Προηγούμενες θεωρίες προτείνουν ότι η ασθένεια κίνησης προέρχεται από τον μηχανισμό απόκρισης του σώματος στην τροφική δηλητηρίαση - όταν ανιχνεύονται τοξίνες στα τρόφιμα, ο εγκέφαλος πυροδοτεί μια αντιληπτική διαταραχή που αναγκάζει το σώμα να κάνει εμετό για την τοξική τροφή. Φυσικά, τέτοιοι ισχυρισμοί είναι δύσκολο να τεκμηριωθούν και οι τρέχουσες γενικές θεωρίες επικεντρώνονται κυρίως στη σύγχυση των οπτικών σημάτων κίνησης. Οι κύριες αιτίες της ασθένειας κίνησης περιλαμβάνουν συγκρούσεις μεταξύ οπτικών πληροφοριών και πληροφοριών κίνησης των άκρων, συγκρούσεις στη ρύθμιση οπτικής σύγκλισης, υπερβολική διόφθαλμη παράλλαξη και ασυνεχείς αλλαγές στην παράλλαξη [43]. Η θεωρία της αισθητηριακής σύγκρουσης υποστηρίζει ότι η ασθένεια κίνησης εμφανίζεται όταν τα αισθητήρια σήματα, ιδιαίτερα τα σήματα που σχετίζονται με την αυτοκίνηση, από τα διάφορα αισθητήρια συστήματα (π.χ. οπτικό σύστημα, αιθουσαίο σύστημα, ιδιοϋποδοχείς) είτε έρχονται σε σύγκρουση μεταξύ τους είτε παραβιάζουν έντονα τις προσδοκίες που βασίζονται σε προηγούμενες εμπειρία [44]. Επομένως, η μείωση των συγκρούσεων είναι απαραίτητη για την αποφυγή της ναυτίας [45]. Για τη μείωση της ασθένειας κίνησης, οι Mizukoshi et al. [45] ανέπτυξε μια μέθοδο κλιμάκωσης για συστήματα τηλεχειρισμού master-slave βασισμένη στην κίνηση βλέμματος του κεφαλιού προς ή μακριά από το αντικείμενο.

Το VIMS επηρεάζεται από μεμονωμένους παράγοντες [46]. Αυτοί οι παράγοντες περιλαμβάνουν την ηλικία (τα νεότερα άτομα πιο ευαίσθητα από τα μεγαλύτερα άτομα), το φύλο (τα θηλυκά πιο ευαίσθητα από τους άνδρες) και τους παράγοντες προσωπικότητας (άτομα με χαμηλή εξωστρέφεια, υψηλό σε νευρωτισμό ή/και υψηλό άγχος είναι όλα πιο επιρρεπή) [41, 47].

Πολλοί από τους παράγοντες που προκαλούν την ασθένεια κίνησης σχετίζονται με το υλικό και τις οθόνες προσομοιωτή VR [44]. Οι μελέτες σχετικά με παράγοντες που σχετίζονται με το υλικό HMD που οδηγούν στην ασθένεια κίνησης περιλαμβάνουν κυρίως τύπους συσκευών προβολής (οθόνη, οθόνη και οθόνη κράνους) [48–50], το οπτικό πεδίο (FoV) [51, 52], τη χρονική καθυστέρηση [53], ρυθμός καρέ [54] και τρεμόπαιγμα [55]. Το οπτικό πεδίο αναφέρεται στο μέγεθος της περιοχής που μπορεί να παρατηρήσει ο χρήστης. Ένα μικρό FoV υποδεικνύει μια στενή περιοχή προβολής και ο χρήστης πρέπει να μετακινεί συχνά την οθόνη. Ενώ το μικρό FoV χαρακτηρίζεται από μειωμένη εμβάπτιση εικόνας και οπτική γνώση, το μεγάλο FoV μπορεί να οδηγήσει σε παραμόρφωση της οθόνης, προκαλώντας τους χρήστες να αισθάνονται ζάλη ή άβολα [56].

Η καθυστέρηση της εικονικής πραγματικότητας μπορεί να αποσπάσει την προσοχή των χρηστών, επηρεάζοντας την άνεσή τους και την ένταση της ασθένειας κίνησης [57]. Οι Lee et al. χρησιμοποίησε τη μεθοδολογία των Delphi για να αξιολογήσει την επίδραση του HMD στην ασθένεια κίνησης και διαπίστωσε ότι η καθυστέρηση ήταν η πιο κρίσιμη σκέψη για την εμπειρία άνεσης στην οθόνη του κράνους [56]. Η συσσώρευση του τρεμούλιασμα πυροδοτεί την ασθένεια κίνησης στον χρήστη.

Η αξιολόγηση του VIMS διακρίνεται κυρίως σε υποκειμενική αξιολόγηση και αντικειμενική αξιολόγηση. Η υποκειμενική αξιολόγηση είναι ουσιαστικά μια μελέτη των απόψεων της πλειοψηφίας της θεματικής ομάδας και μπορεί να αντανακλά άμεσα τα συναισθήματα των χρηστών. Το ερωτηματολόγιο που χρησιμοποιείται συνήθως για την αξιολόγηση της ασθένειας κίνησης είναι το Simulator Sickness Questionnaire (SSQ) που προτάθηκε από τον Kennedy το 1993 [41]. Το SSQ αξιολογεί την ασθένεια κίνησης με μια συνολική βαθμολογία με βάση τρεις παράγοντες: ναυτία, οφθαλμοκινητικό και αποπροσανατολισμό.

Το SSQ έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για τη μέτρηση σημείων και συμπτωμάτων που σχετίζονται με στρατιωτικούς προσομοιωτές εικονικής πραγματικότητας [41, 58]. Ωστόσο, ορισμένα στοιχεία στο SSQ έχουν μικρή συσχέτιση με τη μέτρηση της ασθένειας κίνησης σε περιβάλλοντα εικονικής πραγματικότητας [59]. Το SSQ βελτιώνεται συνεχώς τα τελευταία χρόνια, οι Kim et al. [60] υποστήριξε ότι ορισμένα στοιχεία στο SSQ δεν σχετίζονται με συμπτώματα σε περιβάλλοντα εικονικής πραγματικότητας και πρότεινε το ερωτηματολόγιο ασθένειας εικονικής πραγματικότητας (VRSQ). Το VRSQ αποτελείται από δύο μέρη: τη δυσφορία στα μάτια και τη διαταραχή προσανατολισμού, η οποία αποκλείει τη ναυτία, καθώς η ναυτία έχει μικρή επίδραση στην ασθένεια κίνησης στο περιβάλλον VR.

Η υποκειμενική αξιολόγηση είναι βολική και χρησιμοποιείται ευρέως. Ωστόσο, υπόκειται σε ατομική επιρροή και μπορεί να επιτύχει μόνο πρόχειρες αλλαγές. Αντίθετα, η αντικειμενική αξιολόγηση έχει τα πλεονεκτήματα του μικρότερου σφάλματος μέτρησης και της άμεσης μέτρησης της απόκρισης του ανθρώπινου σώματος. Αλλά έχει επίσης περιορισμούς στη χρήση της συσκευής και μη διαισθητικά δεδομένα. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές χρησιμοποιούν συχνά τη μέθοδο συνδυασμού της υποκειμενικής αξιολόγησης με την αντικειμενική μέτρηση.

Η ορθοστατική αστάθεια έχει αναγνωριστεί ως βασικός προγνωστικός παράγοντας της ασθένειας κίνησης [61]. Η μέτρηση της αστάθειας της στάσης περιλαμβάνει δύο τύπους μεθόδων: τη μέθοδο κρίσης του κέντρου βάρους και τη μέθοδο κρίσης διαδρομής. Στη μέθοδο προσδιορισμού του κέντρου βάρους, η πλάκα δύναμης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ελέγξει την αστάθεια της στάσης του σώματος όταν στέκεται [62]. Οι αλλαγές στη θέση του κέντρου πίεσης στους άξονες Πρόσθιο-Οπίσθιο (AP) και Μέσο-Πλάγιο (ML) καταγράφονται σε συχνότητα 50 Hz. Τα αποτελέσματα της οπτικής εργασίας και της κατάστασης ασθένειας κίνησης συγκεντρώνονται κυρίως στον πρόσθιο-οπίσθιο άξονα. Στη μέθοδο κρίσης διαδρομής, ένας μαγνητικός αισθητήρας χρησιμοποιείται για να καταγράφει τα δεδομένα στάσης του ατόμου και να τα στερεώνει στο κέντρο της πλάτης του συμμετέχοντα [63], συλλέγοντας τα δεδομένα διαδρομής στους άξονες X και Y σε συχνότητα 120 Hz. Η χρονική πολυπλοκότητα της αστάθειας στάσης μελετάται χρησιμοποιώντας εντροπία δείγματος και κανονικοποιημένο μήκος διαδρομής και το μέγεθος της αστάθειας στάσης μελετάται χρησιμοποιώντας ελλειπτική περιοχή και μήκος διαδρομής.

Άλλα αντικειμενικά φυσιολογικά δεδομένα όπως ηλεκτροοφθαλμογραφία (EEG), ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ), ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (EOG), γαλβανική απόκριση δέρματος (GSR) και φωτοπληθυσμογράφημα (PPG), αρτηριακή πίεση (BP), καρδιακός ρυθμός (HR), ρυθμός σφυγμού, συχνότητα αναλαμπής μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως αντικειμενικοί δείκτες αξιολόγησης της ασθένειας κίνησης [43, 64, 65].

3.3. Θέματα εργονομίας που σχετίζονται με παράγοντες λογισμικού

Το περιεχόμενο λογισμικού της εικονικής πραγματικότητας έχει μικρή επίδραση στις φυσικές εργονομικές πτυχές και δεν θα συζητηθεί εδώ. Τα προβλήματα αντίληψης και η οπτική κόπωση συνεχίζονται και επεκτείνονται ακόμη και κατά τη χρήση HMD με ενσωματωμένες οθόνες κοντά στα μάτια [66]. Ως εκ τούτου, τα θέματα εργονομίας που σχετίζονται με παράγοντες λογισμικού συζητούνται κυρίως σε δύο διαστάσεις: οπτική εργονομία και γνωστική εργονομία.

3.3.1. Οπτική εργονομία

3.3.1.1. Οπτική κόπωση:Το περιεχόμενο VR μπορεί επίσης να επηρεάσει την οπτική άνεση και να προκαλέσει οπτική κόπωση. Οι Choy et al. [67] απέδειξε ότι οι συμμετέχοντες που έβλεπαν στερεοσκοπικό 3D (S3D) με μια συσκευή εικονικής πραγματικότητας εμφάνισαν υψηλότερες βαθμολογίες SSQ από τους συμμετέχοντες που χρησιμοποιούσαν άλλες συσκευές. Οι Kooi και Toet [68] διερεύνησαν την επίδραση των ελαττωμάτων της διόφθαλμης εικόνας στην οπτική κόπωση του συστήματος στερεοφωνικής όρασης. Διαπίστωσαν ότι σχεδόν όλες οι ασυμμετρίες της διόφθαλμης εικόνας μείωσαν σημαντικά την οπτική άνεση.

3.3.1.2. VIMS:Εκτός από τις ατομικές διαφορές και τους παράγοντες υλικού HMD, παράγοντες που μπορεί να προκαλέσουν ναυτία είναι ο ήχος και το περιεχόμενο [69]. Επομένως, η εμφάνιση ασθένειας κίνησης που προκαλείται από την εικονική πραγματικότητα συσχετίζεται με το σχεδιασμό περιεχομένου λογισμικού. Το IEEE Standard [36] δήλωσε ότι οι αφύσικες και απότομες κινήσεις εικονικής κάμερας και οι ασύγχρονες συμπεριφορές που δεν ταιριάζουν με την οπτική εμπειρία του περιεχομένου VR μπορεί να προκαλέσουν ζάλη και δυσφορία στον χρήστη και προτείνει ότι ο ρυθμός καρέ στο περιεχόμενο VR πρέπει να συγχρονιστεί με τον ρυθμό ανανέωσης του το HMD. Στην περίπτωση περιεχομένου VR με υψηλή πολυπλοκότητα εικόνας, οι χρήστες αναγκάζονται να αναγνωρίσουν μεγάλο όγκο οπτικών πληροφοριών, κάτι που μπορεί επίσης να οδηγήσει σε ασθένεια VR. Ως εκ τούτου, οι δυναμικές σκηνές είναι επιρρεπείς στο να προκαλέσουν συμπτώματα ασθένειας κίνησης, με αποτέλεσμα οι χρήστες να εγκαταλείψουν την αξιολόγηση [70], ενώ λίγες σημαντικές ενοχλήσεις αναφέρονται σε στατικές σκηνές [71].

Οι Keshavarz και Hecht [72] βρήκαν ότι οι ευχάριστοι ήχοι σε περιβάλλον προσομοιωτή μπορούν να μειώσουν την ασθένεια κίνησης, ειδικά όταν οι ευχάριστοι ήχοι κάνουν τους συμμετέχοντες να αισθάνονται χαλαροί. Ωστόσο, η κατεύθυνση του ήχου θα πρέπει να καθορίζεται από τη θέση του κεφαλιού του χρήστη και οι αναντιστοιχίες μεταξύ της πηγής ήχου και της πραγματικής αναπαραγωγής ήχου μπορούν επίσης να οδηγήσουν σε ασθένεια εικονικής πραγματικότητας [36].

【Για περισσότερες πληροφορίες:george.deng@wecistanche.com / WhatsApp:8613632399501】