Vection change exacerbates simulator sickness in virtual environments【在虚拟现实中，vection的变化会使模拟病加剧】
摘要（Abstract）
虚拟现实(VR)系统产生的光流模式通常可以产生视觉诱导自我运动(vection)。虽然这种vection可以增强虚拟现实的存在感，但它通常伴随着一种被称为运动病的变体，模拟器疾病的（SS）。然而，并非所有的vection的体验都是一样的。在感知航向和/或速度方面，视觉模拟的自我运动可以是稳定的，也可以是变化的。有人假设，若改变vection将会导致更多的SS。参与者看到一个光流模式，它要么稳定的扩张，要么交替扩张和收缩。在一项实验中，使用模拟疾病问卷（SSQ）对SS进行了预处理和5分钟的观察。在第二个实验中，使用相同刺激，使用计算机界面的滑动指示器来测量vection的发生和大小。与扩张和收缩的模式相比，稳定的扩张流模式导致:
1)显著减少SS,
2)恶心，眼动，和无定向症状的低分数，
3)更全面的vection大小
4)较少变化的vection。
总的来说，这些结果表明若改变vection将会加剧SS。
引用（ Introduction）
虚拟现实(VR)系统往往会导致视觉诱导自我运动知觉,或vection(Fischer & Kornmu¨ller, 1930; Tschermak, 1931)。当发生vection的时候，用户感知到自我运动，即使在没有相对于地球的任何物理自我运动的情况下，也感觉是很强烈的。vection在虚拟环境中非常重要，因为它可以增强用户体验的真实性或存在性。例如，像飞行模拟器的视觉的显示可能会产生类似于再实际飞机上的自我运动感知的vection，尽管模拟器可能相对于地球是静止的。然而，vection通常伴有一种运动病(晕动病)，被称为模拟器疾病(SS; Kennedy, Hettinger, & Lilienthal, 1989)。症状可以包括，头晕、头痛、唾液分泌、视力模糊、眼疲劳、恶心、迷失方向、出汗和苍白，但不限于此。通常情况下，对比晕车(晕船、晕机等)的严重程度要轻得多，但模拟器疾病也会对VR用户产生负面影响。
虚拟现实中发生的Vection通常是视觉输入的产物（也就是通过视觉诱导的）。自从Gibson(1966)以来，人们就已经知道，视网膜上的光流模式为调节自我运动感知提供了丰富的输入来源。例如，在日常生活中，扩展的光流模式通常由向前的自我运动产生，而收缩的模式是由向后的自我运动引起的。同样，在虚拟现实中，计算机生成的光流模式也给用户提供了速度和航向的信息。即使在其他感官输入与视觉输入不相容时也是如此。当前研究的理论预测的一个重要断言是不同的光流模式可以导致不同类型的vection。就像在实际被动移动中可能发生的自我运动知觉一样，vection可以是稳定的，也可以是变化的。这些术语在该领域不是常规的，因此需要进行定义。正如名字所暗示的那样，稳定的vection被定义为在感知速度和航向上毫不动摇的vection。相反，变化的vection被定义为在感知速度、感知航向或两者之间都不同的情况下发生的vection。例如，在飞行模拟器中，vection有时可能是稳定的，但在演习的时候更有可能是变化的vection。
另一个值得注意的问题是在稳定的vection和实际稳定的被动移动中发生的感觉输入（视觉和非视觉）可以是相似的(如果头部保持稳定)。在这两种情况下，视网膜上的光流模式提供视觉输入，从而导致稳定的自我运动知觉。非视觉输入(如前庭)在稳定的vection和实际的稳定行动中发生也可能类似(Howard, 1982)。这是因为前庭器官只对头部和/或速度的变化做出反应。想象自己是乘坐在稳定行驶的车辆中;闭上眼睛，防止头部运动，但却消除了自我运动的感觉。前庭器官可能会对车辆的振动作出反应，但当移动是稳定的时候，前庭和其他非视觉的感觉输入不能提供关于速度和航向的信息。
然而，在变化vection中发生的感觉输入和实际的移动往往有很大的不同。在实际移动中，感官常常提供相互兼容的输入。在VR领域，这几乎是不可能的。例如，在固定的基础的车辆模拟器中，光流模式可能会导致改变vection，但前庭输入通常表明没有发生自我运动。在基于运动的仿真模拟器中，试图复制在现实生活条件下的感官输入通常是达不到的。因此，稳定的vection和稳定的被动自我运动可以导致类似的感觉输入，但通常不会改变vection和被动的自我运动。当感知到改变的vection时，感觉输入更有可能是不一致的。
Hettinger和他的同事们(Hettinger, Berbaum, Kennedy, Dunlap， & Nolan, 1990)都有报道称，报告了vection的人也表明了更高水平的SS。他们的刺激显示描绘了空中的自我运动，在横向、纵向和垂直轴上移动的roll和pitch的变化。这个飞行的场景无疑导致了高度的变化。他们的解释是，当vection经验丰富的时候，SS的高发生率是基于感官冲突的:在缺乏其他感官的一致输入的情况下，视觉产生的自我运动知觉导致疾病，一些理论家认为这是运动病的一个重要原因。感觉冲突被定义为缺乏感官输入一致性((Reason & Brand, 1975)，或者是实际感觉输入和预期感觉输入之间的不匹配(Oman, 1990)。
目前研究的假设是，光流指示变化的自我运动将导致比光流指示稳定的自我运动更显著的SS。我们假设的合理性得到了使用视动鼓的工作的支持。在视动鼓的条件下，一个静止的观察者在一个大的旋转的圆筒内，当它旋转时，简单地观察鼓的内部图案。环形的vection通常发生在30秒内，晕眩症状通常在几分钟的观察之后发生（Hu, Stern, Vasey, & Koch, 1989）。视动鼓的条件类似于固定基模拟器的条件，因为观察者相对于地球是静止的。只有光流模式单独导致了vection。我们实验室的工作表明，与稳定转动的鼓相比，在每30秒变化的旋转方向的转鼓中获得的主观运动疾病分数要高得多(Bonato, Bubka, & Story, 2005)。同样，每30秒改变转鼓速度也会导致更严重的晕车症状(Bubka, Bonato, Urmey， & Myecewicz, 2006)。最后，如果一个鼓是倾斜的，那么它就会以一种不稳定的方式旋转，被感知的vection是圆环的，但它也包括一个摇摆的成分，它本质上是被感知的倾斜（tilt）和roll的组合。在倾斜的鼓条件下，与在地球垂直轴上旋转的鼓相比，晕动病发展也更快。在目前的研究中，使用视动鼓的结果表明，相对比稳定的线性vection，由虚拟显示器产生的线性变化vection可能会导致更多的SS。
实验一（Experiment 1）
方法（Method）
综述（Overview）
在实验1中，是通过在电脑显示器上显示的光流模式，显示给静止的观察者。实验装置的设计目的是模仿在固定的基础的模拟器中所期望的感官输入。在稳定的条件下，这个光流模式从显示监视器的中心以恒定的速度扩展。在交替条件下，光流模式间歇性地扩展和收缩。流动模式的改变被用来：
1）降低整体的vection强度，因为它通常需要超过5秒的vection开始。
2）增加任何感知到的vection包含高度变化的可能性(沿前后轴)。
我们假设，感觉冲突会在交替的条件下通过流动模式的频繁变化而得到更新，从而导致随后的SS的增加。
结果和讨论（Results and Discussion）
这些结果表明，间歇性扩张和收缩的这种交替光学模式导致SS比稳定扩展模式的要多得多。这是合理的，交替模式更有可能导致vection的变化，在这种情况下，是沿着前后轴运动的。观察人员的实验报告表明，情况是这样的:
1)稳态条件导致向前的自我运动，据报道称其主要是稳定的，
2)交替的状态导致前后的自我运动。
在感官冲突方面，人们可能会期望交替的条件导致更多的视觉/非视觉感官冲突。如果将预期的感觉输入与实验结果(Oman, 1990)相比，这一点尤其正确。在稳定的条件下，视觉和非视觉感觉输入在试验开始时将是最不一致的，但随着不断稳定扩大的模式的观察，他的输入将会更类似于实际的被动的移动。然而，在交替的条件下，频繁的光流模式的方向的变化将会增加视觉和非视觉的之间在整个实验中的不合感。
实验二（Experiment 2）
虽然在实验1中对vection经验做了一些假设，但它并没有被实施测量。事实上，考虑到vection发作通常需要至少5秒，评估是否在交替情况下发生vection似乎很重要。因此，实验2的目的是测量显示与实验1相同的显示器（稳态和交替），除了它们的持续时间。(Brandt et al., 1973), 评估是否在交替条件下发生vection似乎很重要。因此，实验2的目的是测量与实验1相同的显示器的Vection，除了它们的持续时间之外。
理想情况下，在相同的实验中使用相同的方法测量SS和vection是很有益的。然而，实验1和2采用不同的方法有几个原因。实验1中使用了5分钟的试验，因为这样可以有足够的时间来产生可测量的症状。然而，可以测量的vection通常比SS更快，因此在实验2中没有必要进行5分钟的试验。针对每种情况进行多项试验（三项）。 采取的措施是三项试验的平均值，以减少变异性，这是观察实验的一个共同特征。对参与者的关注也是一个问题。 花费了大量的时间来指导参与者使用实验1中的SSQ和实验2中的装置。在相同的实验中使用SSQ和设备，尽管可能，会使每个参与者的过程更加复杂。
我们假设，在稳定条件下，整体的vection幅度会更高。交替状态下频繁模式的反转可能会抑制Vection。此外，每5秒的流动模式，接着是1秒的静态模式，这一安排将进一步起到抑制稳定vection的作用。同时，尽管预测两种情况都会导致一定程度的变化，但由于流动模式的方向的频繁变化而导致的交替状态会导致更大程度的变化。
结果和讨论（Results and Discussion）
虽然实验2的结果表明，在交替的条件下发生较少的vection改变，但需要注意的是，在两个条件下感知到的vection程度不同。除了我们的vection减少的分析的结果外，与参加者提供的口头报告一致表明，在交替条件下的vection发生在前后轴上。简而言之，交替的状态导致了向前/向后的变化。然而，在稳定的条件下发生了一些变化：
1）每次试验开始时，vection大小从0开始，然后增加。
2）关于vection的减少量，结果表明，在稳态条件下发生vection的程度小于交替条件下vection的变化。
一般性讨论（General Discussion）
在大多数虚拟现实系统中，感知到的vection通常是一种变化的性质。例如，在Hettinger et al.(1990)的研究中，参与者观看了模拟空中俯仰和翻滚动作的显示器。尽管模拟飞行可能会发生在感知速度和航向相对稳定的情况下，与当前研究的稳定条件非常相似，但没有公布的数据表明SS在这些条件下的普遍程度。在目前的研究中，我们研究了稳定和变化的vection显示所引起的自我运动的SS和错觉经验。虽然在这两个实验中使用了不同的程序，但除了持续时间外，显示器是相同的。总的来说，这些实验的结果表明，一个稳步扩大的光流模式会导致更全面的vection，但比交替扩张和收缩的模式的产生的ss要少。因此，如果虚拟环境本身导致这种症状，稳态条件应该导致更多SS，但却得到了相反的结果。
考虑当稳定和交替的光流模式被观看时，感觉冲突会发生什么。当观察到稳定的模式时，有一段时间的vection开始潜伏期，然后是一段时间内vection的幅度增加。在这段时间内，由于非视觉感官输入(如前庭)对速度和方向的变化做出反应(而这些变化都没有发生)，我们将会看到高度的视觉/前庭冲突。简而言之，预期的视觉和非视觉输入组合是不存在的 (Oman, 1990)。在这一阶段的vection加速后，vection的大小通常会降低，从而产生一个稳定的vection。因此，当观察到一个稳定的光流模式时，感觉冲突只会出现在试验开始或在一个vection退出之后。当vection变得更稳定时，感觉冲突应该减少。
然而，改变vection会导致更高程度的感官冲突。因为大多数非视觉的感觉输入(例如前庭)对方向和速度的变化做出反应，在不改变视觉输入的情况下，光流模式的变化会导致明显的冲突。在当前研究中使用的刺激模式在交替扩展和收缩时，非视觉感官输入没有变化，与视觉输入一致，导致视觉/非视觉感官冲突可能随后导致SS症状。
简而言之，当前研究的结果并没有反驳其他人所获得的结果，认为vection可以导致SS。然而，这里我们建议，显示诱导变化的vection应该导致更多的SS。目前的研究结果与我们实验室使用的光动力鼓的结果一致，即间歇性地改变了旋转方向(Bonato et al.， 2005)，改变了旋转速度(Bubka et al.， 2006)，并且是倾斜的(Bubka & Bonato, 2003)。感官冲突的增加通常伴随着变化的vection，而这反过来又可能是SS的起因。