VR健身单车晕动症的研究

彭晓倩　方晓敏　张杨昊

【摘 要】针对VR健身单车使用中容易产生晕动症，设计了阻力机构和风扇机构来增加运动真实感，采用Unity 3D绘制虚拟场景，在视角、纹理贴图、场景复杂度、场景中物体的大小比例和场景移动速度等方面进行了优化设计，测试结果表明，本VR健身单车的设计可以有效地降低晕动症。同时测试结果表明虚实运动不一致是产生VR健身单车晕动症的重要因素，VR健身单车晕动症最容易产生方向障碍，女生较男生更容易产生晕动症。

【关键词】VR;健身单车;晕动症

中图分类号： TS952.91文献标识码： A文章编号： 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

健身单车是一种不受场地、天气限制的健身器材，但是长时间的锻炼容易感到单调乏味。VR技术运用在健身单车上能够很好地解决这个的问题。室内VR健身单车锻炼一段时间会感到晕眩，即VR晕动症，表现最明显的就是恶心、动眼神经不适和方向障碍三大主要症状。针对VR晕动症，当前研究表明VR晕动症产生主要是因为视觉前庭冲突。人体所处的位置信息和状态是通过视觉、前庭器官、肌肉以及大脑共同协作完成的。VR设备给使用者视觉的是运动信息，而前庭器官感受到的却是实际静止的信息，大脑神经中枢两种信息产生矛盾，从而使人体失去了平衡状态，就会产生眩晕恶心等生理反应。

1 VR健身单车的优化设计

VR晕动症的产生主要有三个方面因素：硬件、软件和使用者体质情况。硬件原因主要包括：屏幕的大小、头显设备的分辨率、设备的延时时间等。软件原因包括场景的设计、场景移动的速度等。本文将从硬件、场景设计方面来改善VR健身单车的晕动症。

为了获得更好的沉浸感和运动真实感，本文在健身单车上增加了阻力机构和风扇机构。控制系统通过USBHID通信接收上下坡信号，并调节电动推杆阻力，产生骑行阻力感;干簧管传感器实时监测骑行速度，控制系统根据速度快慢调节風扇转速，产生速度感。上位机的场景中移动速度和实时骑行速度保持一致。

2 Unity场景设计

为了尽可能地减小VR健身单车的晕动症，增加运动真实感，本文在场景设计时考虑了视角、纹理贴图、场景复杂度、场景中物体的大小比例和场景移动速度等方面。

本文用采用Unity 3D绘制虚拟场景，首先导入创建地形所需要的资源包，选择菜单栏中的Assets→Import Package→Environment命令，导入所需的环境资源包。然后建立地形绘画场景，具体步骤如下：

（1）选择gameobject—3D object—terrain，为场景新建三维地形。

（2）给地形添加草地模型，绘制草坪。首先导入所需要的资源包，然后在地形工具栏中为地形添加贴图。

（3）采用地形刷子绘制山坡地形，选择合适的地形刷子刷出高度地形，单击可以上升高度地形，按住shift单击可以下降高度地形。

（4）绘制小路。先选择小路的贴图，然后选择合适的笔刷刷出路的造型，路的宽窄可以调节笔刷的大小来调节。

（5）添加小路行道树模型，选择地形设置栏中的种树命令。通过设置栏中笔刷的参数可以改变树的密度。

最终设计的场景如图1所示。这是USB设备未连接时的状态。

3 不同场景显示模式下效果图展示

场景显示模式很多，有实景模式、单屏模式、VR模式。分别如图2、图3和图4所示。实景模式是采用摄像机拍摄实景，转化为ogv格式，然后导入到Unity中，并可以对视频进行剪辑，也可以选择图片作为贴图在场景中使用。但是缺点是不能控制实景视频中物体的属性、运动状态。

单屏模式是不需要戴VR眼镜，用电脑或手机观看的模式。这里设置了速度、里程、心率和卡路里，作为用户界面UI，固定在屏幕右上方。其中速度和心率是下位机读取的数据，采用USBHID通信发送到上位机的。卡路里的计算公式是：

E=M×S×K

式中M为锻炼者的体重，S为锻炼的里程，K为运动系数，骑自行车的运动系数是0.6142。

VR模式是指配戴VR眼镜，它的沉浸感比单屏模式更强，增加了骑行的趣味性，给人身临其境的感觉，犹如在室外骑行锻炼。

4 VR健身单车晕动症测试

虚拟场景设计完成后，10名大学生进行了骑行实验，实验的SSQ量化总分如图5所示。从量化总分可以看出，虚实运动不一致实验SSQ量化总分更高，即更容易产生晕动症。虚实运动不一致是产生VR健身单车晕动症的重要因素。

虚实运动一致和不一致实验的三大症状得分如图6所示。实验结果表明：运动不一致实验中恶心、动眼神经不适、方向障碍三个症状的得分都要高于运动一致实验。其中两个实验中方向障碍的得分差异最大，也就是说VR健身单车晕动症最容易产生方向障碍。

不同性别在两个实验中的测试结果如图7所示。从实验测试结果可以看出：虚实运动不一致实验中男生的SSQ得分更高，运动一致实验中女生的SSQ得分更高。由该图可知道男生晕动症更低，测试中表现更好，骑行时间更长。

5 结束语

本文对VR健身单车进行了优化，设计了阻力机构和风扇机构，有效的增加了骑行时的运动真实感。采用Unity 3D绘制虚拟场景，通过对视角、纹理贴图、场景复杂度、场景中物体的大小比例和场景移动速度等方面的优化设计，有效地降低了晕动症。测试结果还表明虚实运动不一致是产生VR健身单车晕动症的重要因素，VR健身单车晕动症最容易产生方向障碍，同时VR健身单车的晕动症还与测试者的性别以及体质有关。

【参考文献】

[1]张杨昊，李孝禄，许沧粟，等.具有运动真实感的VR健身单车设计及测试[J].体育科学，2018，38（7）：50-55.

[2]陈和恩，陈扬枝.基于虚拟现实技术的健身车系统[J].现代制造工程，2007，34（9）：132-133.