Praca dyplomowa - magisterskakopel/mgr/2018.06_mgr_Winkler.pdf · Do wykonania pracy wykorzystano...

Wydział Informatyki i Zarządzania

kierunek studiów: informatyka specjalność: Internet i technologie mobilne

Praca dyplomowa - magisterska

Wpływ wirtualnej rzeczywistości na ośrodek równowagi

w badaniu posturograficznym

Michał Winkler

słowa kluczowe:

Unity, kinetoza, immersja, posturograf, medycyna

krótkie streszczenie:

Praca polega na napisaniu aplikacji umożliwiającej zbadanie zjawiska kinetozy w

wybranej grupie osób, potencjalnie mogącej stać się narzędziem do leczenia

i rehabilitacji pacjentów. Głównym parametrem, który badano to zmiana kontroli nad

sterowaniem. Do wykonania pracy wykorzystano silnik Unity. Aplikację przetestowano

na grupie badawczej. Wyniki zestawiono i wyciągnięto wnioski.

opiekun

pracy

dyplomowej

.................................................. ....................... ....................... Tytuł/stopień naukowy/imię i nazwisko ocena podpis

Ostateczna ocena za pracę dyplomową

Przewodniczący

Komisji egzaminu

dyplomowego

..................................................

Tytuł/stopień naukowy/imię i nazwisko

....................... ....................... ocena podpis

Do celów archiwalnych pracę dyplomową zakwalifikowano do:*

a) kategorii A (akta wieczyste)

b) kategorii BE 50 (po 50 latach podlegające ekspertyzie) * niepotrzebne skreślić

pieczątka wydziałowa

Wrocław 2018

2

Spis treści Uzasadnienie wyboru tematu poprzedzone krótką charakterystyką problematyki: .............................. 5

Cel i zakres pracy: .................................................................................................................................... 5

1 Problematyka badań w świetle literatury przedmiotu ................................................................ 6

1.1 Wirtualna rzeczywistość (VR) ................................................................................................. 6

1.2 Immersja ................................................................................................................................. 6

1.3 Hełmy Rzeczywistości Wirtualnej .......................................................................................... 7

1.4 Kinetoza związana z rzeczywistością wirtualną (VR-sickness) oraz Objawy wywołane

Rzeczywistością Wirtualną (VRISE) .................................................................................................... 8

1.4.1 Teoria konfliktu sensorycznego ....................................................................................... 9

1.4.2 Konflikt wizualno-przedsionkowy .................................................................................. 10

1.4.3 Konflikt przedsionkowo-przedsionkowy ....................................................................... 11

1.4.4 Teoria toksyn ................................................................................................................. 11

1.4.5 Kinetoza wywołana środowiskiem wirtualnym ............................................................. 11

1.4.6 Parametry wyświetlaczy związane z kinetozami związana z rzeczywistością wirtualną 12

1.4.7 Cechy środowiska wirtualnego a kinetoza .................................................................... 12

1.4.8 Poziom interakcji ze środowiskiem wirtualnym a kinetoza .......................................... 19

2 Założenia metodologiczne i organizacja badań własnych ......................................................... 20

2.1 Plan eksperymentów ............................................................................................................ 20

2.2 Opis aplikacji wykorzystywanej do badań ........................................................................... 21

2.2.1 Silnik Unity ..................................................................................................................... 21

2.2.2 Wykonanie aplikacji ....................................................................................................... 22

2.3 Grupa badawcza ................................................................................................................... 24

2.4 Przebieg badania ................................................................................................................... 26

2.4.1 Eksperyment 1 – Wstępne badania otolaryngologiczne ............................................... 27

2.4.2 Eksperyment 2 – Demonstracja badania posturograficznego ...................................... 27

2.4.3 Eksperyment 3 – Wpływ obserwacji ruchomego obiektu i kontroli sterowania na

ośrodek równowagi ....................................................................................................................... 27

2.4.4 Eksperyment 4 – Wpływ efektu rozmycia obrazu i kontroli sterowania na ośrodek

równowagi ..................................................................................................................................... 28

2.4.5 Eksperyment 5 – Wpływ wirtualnego skoku w przepaść i kontroli sterowania na


2.4.6 Eksperyment 6 – Wpływ obserwacji ruchomego obiektu i braku kontroli sterowania na


2.4.7 Eksperyment 7 – Wpływ efektu rozmycia obrazu i braku kontroli sterowania na


3

2.4.8 Eksperyment 8 – Wpływ wirtualnego skoku w przepaść i braku kontroli sterowania na


2.5 Kwestionariusz Choroby Symulatorowej ............................................................................. 30

2.6 Rejestracja odczuć ogólnych stanu samopoczucia .............................................................. 31

2.7 Podsumowanie wyników badań ekperymentalnych .......................................................... 32

2.7.1 Eksperyment 1 – Wstępne badania otolaryngologiczne ............................................... 32

2.7.2 Eksperyment 2 – demonstracja badania posturograficznego ....................................... 32

2.7.3 Eksperyment 3 - Wpływ obserwacji ruchomego obiektu i kontroli sterowania na



równowagi ..................................................................................................................................... 33





2.7.7 Eksperyment 7 - Wpływ efektu rozmycia obrazu i braku kontroli sterowania na


2.7.8 Eksperyment 8 - Wpływ wirtualnego skoku w przepaść i braku kontroli sterowania na


3 Wyniki ........................................................................................................................................ 35

3.1 Grupa badana ....................................................................................................................... 35

3.2 Osoby których udział w badaniu musiał zostać przerwany ................................................ 35

3.2.1 Komentarz ..................................................................................................................... 36

3.3 Objawy związane z kinetozami na podstawie analizy kwestionariusza choroby

symulacyjnej (SSQ) ........................................................................................................................... 36

3.4 Objawy związane z kinetozami na podstawie analizy posturograficznej ........................... 38

3.4.1 Komentarz do wyników dla parametru pola ................................................................. 41

3.4.2 Komentarz do wyników dla parametru prędkości ........................................................ 42

3.5 Wnioski .................................................................................................................................. 42

Podsumowanie ...................................................................................................................................... 43

Spis ilustracji .......................................................................................................................................... 44

Bibliografia ............................................................................................................................................. 45

Załączniki ............................................................................................................................................... 47

4

Wpływ wirtualnej rzeczywistości na ośrodek równowagi w badaniu posturograficznym

Abstrakt: Niniejsza praca przedstawia nową metotykę badania ośrodka równowagi pacjenta z

wykorzystaniem gogli wirtulanej rzeczywistości. Wykorzystuje zjawisko immersji

użytkownika w wirtualnej rzeczywistości powodując odcięcie od części bodźców ze świata

rzeczywistego polegając tym samym na bodźcach ze świata wirtualnego, jakie dostarcza mu

terapeuta. Badanie porusza szeroki zakres teorii dotyczących objawów układu

przedsionkowego i kinetoz. Składa się z elementów reakcji na otoczenie, ruch w nim oraz

efekty obrazu. Kontroli poddana zostaje reakcja na rodzaj ruchu oraz jego pochodzenie. W

badaniu bierze udział grupa statystyczna. Celem uzyskania miarodajnych wyników, z badania

zostają zdyskwalifikowane osoby niespełniające norm zdrowotnych oraz dające wyniki

odbiegające od normy lub rezygnują z dalszego badania. Do badania użyta zostaje aplikacja

napisana w silniku Unity łącząc ze sobą grę komputerową z medycyną. Działanie aplikacji

pozwala terapeucie na swobodne badanie pacjenta w zakresie badania. Badanie wykazuje, że

w wyniku osadzenia pacjenta w wirtualnej rzeczywistości ruch cudzy wywołuje dużo większy

wpływ na pacjenta niż ruch własny. Pacjent wykonuje większe ruchy wokół środka ciężkości

będąc poruszanym przez terapeutę zamiast siebie oraz czuje się niekomfortowo, co

potwierdzone zostaje przez kwestionariusz choroby symulatorowej (SSQ - Simulator Sickness

Questionaire) opisujący w zindywidualizowany sposób samopoczucie użytkownika. We

wszystkich przypadkach ruchy pacjenta wokół ośrodka równowagi są statystycznie większe ze

względu na odcięcie postrzegania równowagi od świata zewnętrznego. Aplikacja w badaniu ma

szansę stać się alternatywną dla obecnie wykorzystywanej terapii habituacyjnej.

Influence of virtual reality on user during posturographic examination

Abstract: This paper presents a new metology of studying the patient's balance center using

virtual reality goggles. It uses the phenomenon of immersion of the user in virtual reality,

causing the exclusion of some of the stimuli from the real world, thus relying on the stimuli

from the virtual world provided by the therapist. The study addresses a wide range of theories

regarding the symptoms of the vestibular system and kinetoses. It consists of elements of

reaction to the surroundings, movement in it and the effects of the image. The control is

subjected to a reaction to the type of movement and its origin. The statistical group is involved

in the study. In order to obtain reliable results, people who do not meet the health standards and

give abnormal results are excluded from the research or they give up further research. An

application written in the Unity engine is used for testing, combining a computer game with

medicine. The operation of the application allows the therapist to freely examine the patient in

the field of the study. The study shows that as a result of placing the patient in virtual reality,

the other person's movement causes a much greater impact on the patient than the self-

movement. The patient performs greater movements around the center of gravity being moved

by the therapist instead of himself and feels uncomfortable, which is confirmed by the simulator

disease questionnaire (SSQ - Simulator Sickness Questionaire) describing in a personalized

manner the user's well-being. In all cases, the movements of the patient around the center of

balance are statistically greater due to the cut off perception of balance from the outside world.

The application in the study has a chance to become an alternative to the currently used

habituation therapy.

5

Uzasadnienie wyboru tematu poprzedzone krótką charakterystyką problematyki:

Z powodu rosnącej popularności i użytkowania urządzeń technologii wirtualnej

rzeczywistości niezwykle ważnym wydaje się zbadanie wpływu działania tych urządzeń na

samopoczucie użytkownika. Kinetozy związane z rzeczywistością wirtualną stają się coraz

powszechniejszym problemem, który w zindywidualizowany sposób dotyka użytkowników

hełmów 3D. Mimo szeregu badań poświęconych problemowi kinetoz, prowadzonym od lat 90,

brak jest ujednoliconej metodologii dla badań tego typu. Większość z nich opiera się na

kwestionariuszach które w subiektywny sposób opisują doznania użytkownika, będąc tym

samym wysoce podatne na błąd (bias) ze strony uczestnika badania. Jednocześnie z powodu

opisowych skal wykorzystywanych w kwestionariuszach, brak jest możliwości swobodnego

porównywania wyników badań.

Dokładne zbadanie problemu zaburzeń równowagi umożliwia badanie wykorzystujące

popularne w praktyce klinicznej badanie posturograficzne. Test ten opiera się na analizie

przemieszczenia środka ciężkości i siły nacisku stóp na podłoże dostarczając badaczowi

licznych parametrów które niezwykle łatwo wykorzystać w celu analizy statystycznej.

Niniejsza analiza wykorzystująca parametry badania posturograficznego jest pierwszym

badaniem tego typu na świecie.

W założeniu badania wyniki umożliwią identyfikację najważniejszych parametrów

wpływających na zaburzenia równowagi i objawy kinetoz występujące u osób cierpiących na

chorobę symulatorową związaną z użytkowaniem hełmów rzeczywistości wirtualnej. Wyniki

te mogą zostać wykorzystane przez twórców gier i aplikacji wykorzystujących wirtualne

środowisko 3D w celu zminimalizowania efektów kinetozy wywołanej przez aplikacje tego

typu.

Wykorzystanie w badaniu parametrów badania posturograficznego umożliwi również

przeprowadzenie dalszych badań wykorzystujących wyniki uzyskane w niniejszym badaniu do

stworzenia narzędzia rehabilitacyjnego w formie autorskiego programu, który przy użyciu

środowiska wirtualnego 3d prowokować będzie odpowiedź ze strony układu przedsionkowego

pacjenta cierpiącego na zaburzenia równowagi. W założeniu autora projekt ten znajdujący się

obecnie w fazie koncepcyjnej ma szansę stać się alternatywą dla obecnie wykorzystywanej

terapii habituacyjnej.

Cel i zakres pracy:

Celem pracy jest zbadanie wpływu różnych rozwiązań manipulacji perspektywą

i obrazem wyświetlanym na ekranie gogli wirtualnej rzeczywistości na wyniki

posturograficzne i samopoczucie badanych osób a także sprawdzenie, jak kontrola użytkownika

nad poruszaniem się postaci w środowisku wirtualnym wpływa na jego ośrodek równowagi.

W badaniu zdecydowano się na poddanie analizie dwóch parametrów badania

posturograficznego - A (Area - pole zakreślane przez wędrujący podczas badania punkt środka

ciężkości) oraz Vm (mean velocity - średnia szybkość wędrującego podczas badania punktu

środka ciężkości). Kolejnym parametrem poddanym analizie jest powszechnie występujący w

literaturze przedmiotu kwestionariusz choroby symulatorowej (SSQ - Simulator Sickness

Questionaire) opisujący w zindywidualizowany sposób samopoczucie użytkownika. Wyniki

kwestionariusza mają wartość referencyjna umożliwiając porównanie wyników badań z innymi

badaniami tego typu.

W celu przygotowania pacjentów do badania oraz doboru grupy badanej zdecydowano się

również na przeprowadzenie wstępnych badań otolaryngologicznych, okulistycznych oraz

wykorzystania szeregu narzędzi diagnostycznych opartych o kwestionariusze, w celu

wykluczenia potencjalnych zaburzeń równowagi u uczestników badania.

6

1 Problematyka badań w świetle literatury przedmiotu

1.1 Wirtualna rzeczywistość (VR)

Według pracy [1] rzeczywistość wirtualną (VR) definiujemy jako komputerowo

wygenerowane trójwymiarowe otoczenie, do którego można wejść przy użyciu różnych

urządzeń, do których dzisiaj należą hełm i gogle wirtualnej rzeczywistości. Dzięki nim, obraz

który widzimy wręcz do złudzenia może przypominać nam autentyczny i realny. Przedstawiony

przez soczewki w goglach świat może być urozmaicony różnymi obiektami, które mogą być

bardziej lub mniej realistyczne dla współczesnego człowieka. Wirtualna rzeczywistość

charakteryzuje się tym, że możliwym jest reakcja na bodźce, których w rzeczywistości nie ma,

jednak traktujemy je jako coś rzeczywistego, np. zmieniony wzrost, długość kończyn, czy

reakcja na ból. Możliwość interakcji z otoczeniem w wirtualnej rzeczywistości nadaje jej

unikalności oraz swego rodzaju przewagi nad filmem, gdzie widz pełni bierną funkcję

obserwatora często w pozycji siedzącej. W wirtualnej rzeczywistości widz może bardziej

aktywnie obserwować otoczenie wychodząc z fotela czy nawet dotykając obiektów mu

przedstawionych. Oczywiście nie dotknie ich w rzeczywistości, ponieważ jest to jedynie

projekcja na wyświetlaczu gogli, które ma na głowie. Dzięki temu wirtualna rzeczywistość jest

czymś interakcyjnym. Osiąganie coraz większego realizmu we wnikaniu do wirtualnego świata

jest przyświecającym celem konstruktorów i projektantów. Zjawisko zanurzenia, ztw.

immersja, rozwija się dzięki niezakłóconej interakcji widza ze środowiskiem. Poziomy

immersji mogą być różne: od nieimmersyjnego aż do całkowicie immersyjnego. Gdy śledzimy

zdarzenia na monitorze, a nasze zmysły nie są odseparowane w żaden sposób od otoczenia, tzn.

nadal będziemy odbierać dźwięki z zewnątrz, osiągamy nieimmersyjny poziom zanurzenia.

Gdy całkowicie odseparujemy się od środowiska rzeczywistego, czyli założymy gogle

wirtualnej rzeczywistości oraz założymy słuchawki i będziemy się skupiać wyłącznie na

bodźcach pochodzących z wirtualnej rzeczywistości, uzyskamy całkowity immersyjny poziom

immersji.

1.2 Immersja

Według pracy [2] Pojęcie immersji od obecności jest często w literaturze rozgraniczane.

Przykładowo Schubert i In. (2001) pisał, że poczucie obecności to w wykreowanym otoczeniu

subiektywne poczucie „bycia tam”. Witmer i Singer (1998) natomiast uważają, że stan

obecności charakteryzuje subiektywne przebywanie w danym miejscu nawet wtedy, kiedy

fizycznie osoba znajduje się gdzie indziej. Sama immersja to jedynie technologiczny efekt,

który pozwala prezentować jednostce wirtualne otoczenie. Według nich immersja jest

wynikiem głównie izolacji jednostki od bodźców świata zewnętrznego. Jak pisze Banos i In.

(2000) podstawą do wytworzenia się u jednostki subiektywnego poczucia obecności jest

zaangażowanie i środowisko immersyjne. Rezultatem skupienia na środowisku wirtualnym jest

pojawienie się zaangażowania w otoczenie, które u jednostki powoduje wywołanie poczucia

obecności. Należy przypuszczać jednak, że środowisko w różnym stopniu będzie wpływało na

pojawienie się wspomnianego poczucia obecności. W wyniku różnic indywidualnych,

niektórzy szybciej od pozostałych będą w stanie doświadczyć immersji i obecności. Dodatkowo

środowiska wirtualne mogą być różnorodne. Jedne zaprojektowane minimalistycznie lub z

rozmachem, z dużą lub małą ilością bodźców, co zapewne będzie wpływać na stopień

zaangażowania jednostki. Za to istotne wydaje się pytanie o obecność w wirtualnym otoczeniu,

czyli o kluczowe elementy wyzwalające immersję. Próbę analizy czynników odpowiedzialnych

za powstanie immersyjnego środowiska podjęło wielu badaczy. Schubert i In (2001), jak i

Malbos i In. (2012) utrzymują, iż następujące czynniki są powiązane z wyzwalaniem

immersyjnego środowiska:

7

Obserwowanie otoczenia first-person-view (czyli z perspektywy pierwszej osoby),

pozwala na łatwiejszą identyfikację z tym, co widzi bohater;

Oderwanie (najkorzystniej przez gogle HMD) od bodźców otoczenia;

Obecność sztucznej inteligencji sterującej otoczeniem, która między innymi jest

odpowiedzialna za dynamikę ruchów elementów otoczenia i ruchów postaci. Poprzez

nieprzewidywalność, przypadkowość ruchów i spontaniczność zachowań,

sprawiających wrażenie autentyczności i żywych, element sztucznej inteligencji nadaje

realizmu;

Głęboka immersja – wirtualna reprezentacja własnego ciała, wymaga posiadania w VR

reprezentacji ciała: ręce, twarz, stopy, a efekt dodatkowo wzmacnia obserwowanie

poruszającego się własnego cienia;

Tekstury i obiekty wysokiej jakości (wysoka rozdzielczość i szczegółowość modeli),

powodują odczuwanie wzrostu realizmu otoczenia;

Oddziaływanie na różne zmysły jednostki, czyli sensoryczność oddziaływań z

uwzględnieniem również realistycznych dźwięków dopasowanych do dynamicznie

zmieniającego się otoczenia;

Efekty cząsteczkowe – deszcz, ogień i symulowanie fizyki otoczenia – woda,

grawitacja, uderzenia;

1.3 Hełmy Rzeczywistości Wirtualnej

HMD są pewnego typu goglami (okularami) lub mówiąc najprościej, hełmem z

niewielkimi monitorami, które umieszczono naprzeciw oczu użytkownika, by generowały

obrazy widziane przez noszącego jako trójwymiarowe. Wyświetlacze HMD są często

połączone z systemami śledzenia. Powoduje to zmianę wyświetlanego obrazu w zależności od

orientacji głowy – 3 stopnie swobody albo od położenia głowy – 6 stopni swobody. Z punktu

widzenia rzeczywistości wirtualnej (VR), zaletą HMD jest pełne odseparowanie użytkownika

od świata rzeczywistego, czyli zanurzenie go w wirtualnym świecie. Ostatnio nastąpił

zdecydowany postęp w rozwoju wyświetlaczy HMD. Pierwsze wersje wyświetlaczy HMD były

ciężkie i duże. Współczesne prototypy w znikomym stopniu różnią się od okularów

przeciwsłonecznych.

8

Rys. 1-1 - Patent Mortona Heiliga pierwszego wyświetlacza HMD, 1960 rok.

Źródło: [3][4]

Według pracy [3]: „HMD są, najprościej mówiąc, pewnego typu goglami (okularami) lub

hełmem z niewiel-kimi monitorami umieszczonymi naprzeciwko oczu użytkownika w celu

generowania obra-zów widzianych przez noszącego jako obrazy 3D. Często wyświetlacze HMD są

połączone z systemami śledzenia, co powoduje, że wyświetlany obraz zmienia się w zależności od

orientacji głowy (3 stopnie swobody), czasami także od położenia głowy (6 stopni swobody). Zaletą

HMD z punktu widzenia rzeczywistości wirtualnej (VR) jest pełne odgrodzenie użytkownika od

świata rzeczywistego, a tym samym zanurzenie go (ang. immersion) w świecie wirtualnym. W

ostatnich latach poczyniono znaczący postęp w rozwoju wyświetlaczy HMD. Pierwsze

wyświetlacze HMD były ciężkie i stosunkowo duże, nowe prototypy niewiele róż-nią się od

tradycyjnych okularów przeciwsłonecznych.”

Rosnąca produkcją smartfonów i tym samym wzrost dostępności tanich w produkcji

wyświetlaczy ciekłokrystalicznych o wysokiej rozdzielczości przyczynił się do pojawienia się

hełmów pozbawionych wielu problemów wczesnych rozwiązań technologicznych tego typu.

Produkty takie jak Oculus Rift, PlayStation VR czy HTC Vive są obecnie popularnymi

urządzeniami na rynku konsumenckim mającymi zastosowanie w rozrywce, przemyśle

i medycynie.

1.4 Kinetoza związana z rzeczywistością wirtualną (VR-sickness) oraz Objawy wywołane Rzeczywistością

Wirtualną (VRISE)

Już w przypadku pierwszych rozwiązań rynkowych z lat dziewięćdziesiątych pojawiły

się doniesienia o szeregu objawów występujących u użytkowników Hełmów Rzeczywistości

Wirtualnej. Choroby określane mianem Kinetozy związanej z rzeczywistością wirtualną (VR-

sickness) bądź Choroby Symulacyjnej (Simulator Sickness) obrazem klinicznym przypominają

Chorobę Lokomocyjną. Objawy spowodowane są niezgodnością pomiędzy postrzeganym

9

ruchem w rzeczywistości wirtualnej a poczuciem ruchu (lub jego braku) w systemie

przedsionkowym ucha wewnętrznego. Narząd równowagi jest skomplikowanym systemem

podlegającym nadrzędnej kontroli Ośrodkowego Układu Nerwowego, w którym percepcja

ruchu jak i orientacji ciała w przestrzeni trójwymiarowej wynika ze wspólnego,

synergistycznego działania układu przedsionkowego, proprioceptywnego, oraz sygnałów

wizualnych. Aspekty środowiska wirtualnego takie jak pole widzenia, czas reakcji plamki,

winietowanie, wysokość kamery oraz zawartość środowiska wirtualnego 3D (Scene Content)

w zindywidualizowany sposób wpływają na odpowiedź przedsionkową. Logicznym wydaje się

więc, że najmniejsze zaburzenie tego skomplikowanego systemu może wywoływać objawy

chorobowe.

Kinetoza jest więc nie chorobą ale fizjologiczną reakcją na bodziec zewnętrzny.

Obecnie w literaturze przedmiotu wymienia się trzy najważniejsze teorie których poznanie i

zrozumienie jest podstawą

- Teoria konfliktu sensorycznego

- Teoria toksyn

- Teoria niestabilności postawy

1.4.1 Teoria konfliktu sensorycznego

Teoria konfliktu jest jedną z najstarszych i zarazem najczęściej przytaczanych. Według

niej kinetoza jest wynikiem braku korelacji pomiędzy informacjami płynącymi z bodźców

wizualnych, ucha wewnętrznego będącego narządem równowagi, układu mięśniowo -

szkieletowego i grawitacji. Według tej teorii istnieją dwa rodzaje konfliktu sensorycznego [5]:

Typ 1 - konflikt wizualno-przedsionkowy

Typ 2 - konflikt wewnątrz-przedsionkowy

Każdy z typów posiada trzy podtypy opisujące mechanizm powstawania zaburzeń

równowagi oraz innych objawów kinetoz.

Heurystyczny model kontroli motorycznej i powstawania zaburzeń według teorii

konfliktu sensorycznego został przedstawiony na rycinie 1.1

10

1.4.2 Konflikt wizualno-przedsionkowy

Podtyp 1 - Układ przedsionkowy i układ mięśniowo-szkieletowy doświadczają różnych

bodźców. Przykładem jest choroba morska której zaostrzenie wywołuje utrzymywanie

kontaktu wzrokowego z falami. Podobnym konfliktem doświadczanych bodźców jest

środowisko wirtualne a w szczególności doświadczany w środowisku 3d wysokość na której

znajduje się użytkownik [5]

Podtyp 2a - Ten podtyp jest doświadczany przez użytkownika gdy bodziec wzrokowy

sugerujący ruch jest odbierany przez użytkownika nie doświadczającego ruchu. Przykładem

może być kinetoza wywołana filmem 3d lub w przypadku środowiska wirtualnego ruch w

przestrzeni wirtualnej nie korelujący z ruchem w rzeczywistości (użytkownik siedzi bądź

stoi) [5]

Podtyp 2b - jest przypadkiem odwrotnym do podtypu 2a - ruch w rzeczywistości nie

koreluje z bodźcem wzrokowym (jazda samochodem podczas gdy brak jest możliwości

kontaktu wzrokowego z przesuwającym się horyzontem). Ten podtyp nie ma znaczenia w

przypadku rzeczywistości wirtualnej i jest doświadczany głównie przez osoby cierpiące na

chorobę lokomocyjną. [5]

Rys. 1-2 - Heurystyczny model kontroli motorycznej i powstawania zaburzeń według teorii konfliktu sensorycznego.

Źródło: [5]

11

1.4.3 Konflikt przedsionkowo-przedsionkowy

Podtyp 1 - Wywołany głównie efektem Coriolisa. Efekt ten wywołany jest

przechyleniem głowy podczas doświadczania ruchu. Informacja płynąca z kanałów

półkolistych ucha wewnętrznego sugeruje ośrodkowi równowagi wystąpienie kolejnej siły

działającej na organizm w kierunku innym niż doświadczany ruch. Sprzeczność obydwu

informacji powoduje wywołanie efektu kinetozy. [5]

Podtyp 2a - Podtyp doświadczany przez astronautów w stanie nieważkości, wiąże się z

brakiem informacji dotyczącej grawitacji wpływającej na ucho wewnętrzne. Kanały półkoliste

odbierają bodźce dotyczące zwrotu ciała, brakuje jednak informacji dotyczącej przyspieszenia.

Konflikt bodźców powoduje wystąpienie objawów kinetozy [5]

Podtyp 2b - jest przypadkiem odwrotnym do podtypu 2a -kanały półkoliste

doświadczają bodźca określającego przyspieszenie, brak jest natomiast bodźca wpływającego

na odbiór ruchu. [5]

1.4.4 Teoria toksyn

Teoria Toksyn opiera się na założeniu iż interpretacja przez układ przedsionkowy bodźców

pochodzących ze środowiska wirtualnego może przypominać ototoksyczne efekty niektórych

toksyn. [14] Koordynacja układu przedsionkowo - ślimakowego jest zaburzona w ten sam

sposób w przypadkach chorób zmieniających w sposób zasadniczy fizjologię układu - w tym

przypadki fizycznego uszkodzenia narządu równowagi.

1.4.5 Kinetoza wywołana środowiskiem wirtualnym

Najczęściej występujące objawy w przypadku użytkowników Hełmów Wirtualnej

Rzeczywistości to zawroty głowy, stan ogólnego osłabienia, zmęczenie oraz nudności. [6]

Pojawić się mogą również bóle głowy o różnym nasileniu i rozmaitej lokalizacji. Przy braku

ustąpienia bodźca prowokującego wystąpienie kinetozy możliwe jest również wystąpienie

wymiotów. W przeciwieństwie do innych sytuacji klinicznych mogących prowokować

wymioty, nudności w przypadku kinetoz nie ustępują natychmiast i utrzymują się najczęściej

aż do ustąpienia przyczyny - co narzuca konieczność przerwania symulacji w rzeczywistości

wirtualnej. [6]

Hełmy rzeczywistości wirtualnej odwzorowują świat wirtualny w zakresie

ograniczonym specyfikacjami technicznymi urządzenia. Dotychczas przeprowadzone badania

sugerują że wystąpienie kinetozy w przypadku wykorzystania HMD wywodzi się właśnie

z niedoskonałości w symulowaniu rzeczywistości wirtualnej. [7] Na jakość i ilość

występujących objawów choroby symulacyjnej wpływają:

Parametry wyświetlaczy oraz Hełmów Rzeczywistości Wirtualnej takie jak: czas reakcji

piksela wyświetlacza oraz pole widzenia hełmu (Field of View - FOV)

Cechy środowiska wirtualnego - pole widzenia w środowisku wirtualnym, Rozmycie

ruchem (Motion Blur), scene content, winietowanie

Poziom interakcji i ingerencji w wirtualne środowisko: kontrola nad poruszaniem się w

środowisku wirtualnym oraz zastosowany sposób kontroli nad lokomocją

Choroby towarzyszące użytkownika hełmu - zaburzenia widzenia (krótkowzroczność

lub dalekowzroczność) oraz zaburzenia równowagi pochodzące z ucha wewnętrznego

(typu przedsionkowego) i ośrodkowe zaburzenia równowagi

12

Inne Indywidualne cechy użytkownika określane mianem wrażliwości na wystąpienie

choroby symulacyjnej.

1.4.6 Parametry wyświetlaczy związane z kinetozami związana z rzeczywistością wirtualną

Na przestrzeni lat powstało wiele modeli gogli z różnymi parametrami technicznymi.

Najbardziej istotnymi wydają się być rozdzielczość, liczba stopni swobody, częstotliwość

odświeżania, czas reakcji piksela, obszar widzenia (Field of View).

Tabela 1-1 - Zestawienie parametrów technicznych różnych modeli gogli wirtualnej

rzeczywistości

Rozdzielczość Liczba stopni

swobody

Częstotliwość

odświeżania

Czas reakcji

piksela

Obszar

widzenia

Oculus DK1 1280 x 800 3 60Hz 50ms –

60ms

110°

Oculus DK2 1920 x 1080 3 75Hz 20ms –

40ms

100°

Oculus CV1 2160 x 1200 6 90Hz <5ms 110°

HTC VIVE 2160 x 1200 6 90Hz 22 ms 110°

PlayStation VR 1920 x 1080 6 120Hz 18 ms 100°

Źródło: [15][16][17][18]

1.4.7 Cechy środowiska wirtualnego a kinetoza

Środowisko wirtualne składa się z cech podstawowych, takich jak wzrost użytkownika,

wrażenie przebywania w wirtualnej przestrzeni, lecz może składać się również z wielu

dodatkowych, opcjonalnych cech, jakimi są efekty obrazu. Do najistotniejszych efektów obrazu

zaliczyłem bloom, winietę (vignette), ziarno (grain), motion blur, depth of field. [8]

Bloom jest efektem powodującym rozmycie obrazu wokół elementu wyposażonego w

emisję kolorów. Używając tego efektu można odnieść wrażenie, że coś jest oślepiająco jasne,

że ma się problem ze wzrokiem wynikającym ze zmęczenia oka. Cytując i tłumacząc z [19]:

„Bloom jest efektem optycznym gdzie światło z jasnego źródła (takiego jak błysk) zdaje się

przenikać do otaczających obiektów. Efekt obrazu Bloom dodaje rozmycie oraz automatycznie

generuje efekt lens flares (rozbłyski promieni światła) w bardzo efektywny sposób. Bloom to

bardzo charakterystyczny efekt, który może mieć duży wpływ na scenę i może sugerować

magiczne lub podobne do snu środowisko, szczególnie w połączeniu z renderowaniem HDR.

Z drugiej strony, biorąc pod uwagę odpowiednie ustawienia, możliwe jest również zwiększenie

fotorealizmu za pomocą tego efektu. Blask bardzo jasnych obiektów jest powszechnym

zjawiskiem obserwowanym w filmie i fotografii, gdzie wartości luminancji znacznie się różnią.

Bloom jest ulepszoną wersją prostszych, ale zoptymalizowanych efektów Bloom

(zoptymalizowanych) i starszych efektów Bloom i Flares .”

13

Rys. 1-3 - Ten przykład pokazuje prawidłową poświatę HDR utworzoną przez efekt Bloom. W

tej scenie Bloom wykorzystuje próg 1,0 wskazujący, że tylko refleksy HDR, podświetlenia lub

powierzchnie emisyjne świecą, ale na ogół nie ma wpływu na powszechne oświetlenie. W tym

konkretnym przykładzie świeci tylko okno samochodu (z odbiciem wartości słońca HDR).

Źródło: [19]

Rys. 1-4 - Oto ta sama scena pokazana bez efektu Bloom . Korzystanie z Blooma może

dodawać realizmu do twoich scen.

Źródło: [19]

14

Rys. 1-5 - Przykład pokazujący wyniki anamorficznych soczewek w wyniku efektu Bloom.

Źródło: [19]

Winieta polega na przykryciu brzegowych obszarów obrazu kolorem domyślnie

czarnym. Użytkownikowi może dać wrażenie lekkiego ogłuszenia, ślepnięcia, jednak w

połączeniu z ruchem może potęgować wrażenie tego ruchu, oraz łagodzić negatywne efekty

wykorzystywania ruchu w rzeczywistości wirtualnej. Cytując i tłumacząc z [20]: „W fotografii

winietowanie jest terminem stosowanym do zaciemniania i / lub desaturacji w kierunku

krawędzi obrazu w porównaniu do środka. Zwykle jest to spowodowane grubymi lub

złożonymi filtrami, soczewkami wtórnymi i niewłaściwymi osłonami przeciwsłonecznymi.

Często jest również używany do efektu artystycznego, na przykład do skupienia się na środku

obrazu.”

Rys. 1-6 - Scena z wykorzystaniem efektu winiety.

Źródło: [20]

15

Rys. 1-7 - Scena bez wykorzystania efektu winiety.

Źródło: [20]

Ziarno jest efektem naturalnie związanym z czasem naświetlania. Występuje ono na

nagraniach z kamery czy zdjęciach. Opiera się na skupiskach srebra tworzących obraz. Użycie

go w grach kojarzy się z oglądaniem filmów starego kina. Mogłoby się wydawać, że taki efekt

będzie psuł wrażenie immersji. Jednak w pewnych przypadkach może on nie być zauważony

przez użytkownika, a przynajmniej nie jest on tego świadomy. Efekt ten jednak działa na mózg.

Może poprawić lub pogorszyć komfort odbioru obrazu. [8] Cytując i tłumacząc z [21]: „Ziarno

filmu jest przypadkową strukturą optyczną filmu fotograficznego ze względu na obecność

małych cząstek w metalicznym srebrze błonki. Efekt Ziarno w pluginie post-processing stack

w Unity jest oparty na spójnym szumie gradientu. Powszechnie używa się go do naśladowania

pozornych niedoskonałości filmu i często przesadza z użyciem w grach z gatunku horroru.”

Rys. 1-8 - Scena z wykorzystaniem efektu ziarna.

Źródło: [21]

16

Rys. 1-9 - Scena bez wykorzystania efektu ziarna.

Źródło: [21]

Rozmazanie obrazu w ruchu (ang. motion blur) jest efektem graficznym, który

oddziałuje na użytkownika w środowisku VR w różny sposób. Pewne osoby wykazują objawy

bólu głowy, inne reagują nudnościami lub nawet wymiotami na użycie efektu. Pomijając ruch

głowy użytkownika połączony z ruchem obrazu, do którego mózg musi się dostosować

dochodzą jeszcze ruchy hełmu związane po prostu z momentem obrotowym związanym z

ruchem głowy, co związane jest z tym, że ekran przyspiesza i hamuje zgodnie z ruchami głowy

powodując minimalne ruchy obrazu wskutek takiego ruchu. Zastosowanie motion blur nie jest

tu zatem komfortowym rozwiązaniem dla użytkownika, ponieważ może wywołać objawy

choroby lokomocyjnej. [9]

Rys. 1-10 - Efekt Motion Blur zastosowany do obracającej się sceny.

Źródło: [22]

Depth of field czyli głębokość pola widzenia polega na rozmazywaniu obrazu w

obszarach, na których nie skupia się użytkownik. [9] Cytując i tłumacząc z [23]: „Głębia

ostrości to powszechny efekt postprocesingu, który symuluje właściwości obiektywu aparatu.

17

Ta wersja jest bardziej nowoczesną i wyrafinowaną wersją starego efektu Depth of Field

(przestarzałe), który działa szczególnie dobrze z renderowaniem HDR i urządzeniem

graficznym zgodnym z DirectX 11 .

W rzeczywistości kamera może skupić się ostro na obiekcie w określonej odległości; obiekty

bliższe lub oddalone od aparatu będą nieco nieostre. Rozmycie nie tylko daje wizualną

wskazówkę o odległości obiektu, ale także wprowadza Bokeh, który jest terminem dla

przyjemnych artefaktów wizualnych, które pojawiają się wokół jasnych obszarów obrazu, gdy

nie są skupione. Typowymi kształtami Bokeh są dyski, sześciokąty i inne kształty grup

dwuściennych wyższego poziomu.

Podczas gdy wersja standardowa obsługuje jedynie kształty dysku (generowane za pomocą

próbkowania tekstur kołowych), wersja DX11 / GL4 jest zdolna do znoszenia dowolnego

kształtu zdefiniowanego przez Teksturę Bokeh .

Przykład efektu głębi ostrości można zobaczyć na poniższym obrazie, wyświetlając wyniki

skoncentrowanego pierwszego planu i nieostre tło.”

Rys. 1-11 - Wersja tego efektu w wersji DirectX11 może tworzyć ładnie zdefiniowane kształty

bokeh przy bardzo rozsądnych kosztach.

Źródło: [23]

https://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=pl&prev=search&rurl=translate.google.com&sl=en&sp=nmt4&u=https://docs.unity3d.com/540/Documentation/Manual/UsingDX11GL3Features.html&xid=17259,15700022,15700124,15700149,15700168,15700173,15700186,15700191,15700201&usg=ALkJrhgHqwf62CmBxXZZsXgO_IoGgqYYwA

18

Rys. 1-12 - Płynne przejścia są możliwe dzięki wersji DX11 o wysokiej rozdzielczości (choć

przy wysokich kosztach wydajności).

Źródło: [23]

Rys. 1-13 - Ze względu na charakter standardowego podejścia do pobierania tekstury

DiscBlur, maksymalny promień rozmycia jest ograniczony, zanim pojawią się artefakty

próbkowania. Możliwe są również tylko sferyczne kształty Bokeh.

Źródło: [23]

19

Rys. 1-14 - Przykład z małą odległością Max Blur.

Źródło: [23]

Rys. 1-15 - Przykład z dużą odległością Max Blur.

Źródło: [23]

1.4.8 Poziom interakcji ze środowiskiem wirtualnym a kinetoza

Interakcja w środowisku wirtualnym osiągana jest za pomocą różnych urządzeń

wejściowych. Popularne dawniej joysticki i klawiatury zostały obecnie w rozwiązaniach

komercyjnych zastąpione rozwiązaniami rejestrującymi ruch w przestrzeni trójwymiarowej

dedykowanymi urządzeniami takimi jak HTC Wands. Za ich pomocą użytkownik może

określić prędkość i kierunek ruchu oraz manipulować obiektami w środowisku wirtualnym.

Literatura sugeruje bezpośrednie przełożenie kontroli użytkownika na odczuwane zaburzenia

równowagi. [12]

Niektóre grupy pacjentów mogą być szczególnie narażone na wystąpienie kinetoz.

Przykładem mogą być pacjenci z zaburzeniami równowagi pochodzenia przedsionkowego

20

2 Założenia metodologiczne i organizacja badań własnych

2.1 Plan eksperymentów

Główny cel eksperymentu: Wykazanie, że wirtualna rzeczywistość nie wpływa na ośrodek

równowagi.

Eksperyment składa się z etapów, spośród których każdy etap jest pomniejszym

eksperymentem mającym na celu wykazać, że parametry danego etapu nie wpływają na

ośrodek równowagi. Cel wynika z braku potwierdzenia teorii w kontekście wirtualnej

rzeczywistości [5][6], chęci sprawdzenia czy prowokowanie objawów choroby symulatorowej

jest w stanie doprowadzić do pozytywnej reakcji ludzkiego ciała skutkującej adaptacją do

drażniących warunków. [7]

Do eksperymentu przystępuje grupa badana, która przejdzie przez następujące etapy:

Etap wstępny

Faza przygotowawcza

Etap 1

Etap 2

Etap 3

Etap 4

Etap 5

Etap 6

Celem etapu wstępnego jest ocena kandydatów do badania pod kątem medycznym.

Następnie mamy fazę przygotowawczą. Wyróżniamy w niej 2 cele:

1. Porównanie wyników z kwestionariusza SSQ a priori oraz po pierwszych sesjach

treningowych w wirtualnej rzeczywistości.

2. Zebranie danych z badania posturograficznego a priori do dalszej analizy.

Celem etapu 1 jest wykazanie, że obserwowanie ruchomej kulki przez pacjenta w

środowisku aplikacji badawczej nie wpływa na jego ośrodek równowagi.

Celem etapu 2 jest wykazanie, że zanurzenie pacjenta w wirtualnej rzeczywistości aplikacji

z włączonym efektem motion blur nie wpływa na jego ośrodek równowagi.

Celem etapu 3 jest wykazanie, że przeprowadzenie przez pacjenta skoku z wysokości w

środowisku wirtualnym nie wpływa na jego ośrodek równowagi.

Celem etapu 4 jest wykazanie, że będąc pozbawionym kontroli nad swoim ruchem

obserwowanie ruchomej kulki przez pacjenta w środowisku aplikacji badawczej nie wpływa na

jego ośrodek równowagi.


zanurzenie pacjenta w wirtualnej rzeczywistości aplikacji z włączonym efektem motion blur

nie wpływa na jego ośrodek równowagi.

W etapie 6 wyróżniamy 2 cele:

1. Będąc pozbawionym kontroli nad swoim ruchem przeprowadzenie przez pacjenta

skoku z wysokości w środowisku wirtualnym nie wpływa na jego ośrodek

równowagi.

2. Po krótkim czasie od zakończenia sesji samopoczucie pacjenta gwałtownie się

poprawi, co zostanie potwierdzone przez dane z kwestionariusza SSQ

21

2.2 Opis aplikacji wykorzystywanej do badań

W celu przeprowadzenia badania napisano aplikację w oparciu o silnik Unity

umożliwiającą badanemu ruch w środowisku 3D z zastosowaniem hełmu rzeczywistości

wirtualnej oraz urządzeń wskazujących.

2.2.1 Silnik Unity

Cytując i tłumacząc ze strony producenta [24]:

„Uniwersalny edytor, który rozwija się aby dopasować się do płynności pracy produkcyjnej

All-in-one editor: dostępny w systemach Windows i Mac, zawiera szereg przyjaznych

dla artysty narzędzi do projektowania wciągających doświadczeń i światów gry, a także

mocny zestaw narzędzi programistycznych do implementacji logiki gier i gry o

wysokiej wydajności.

2D i 3D: Unity obsługuje zarówno 2D, jak i 3D, dzięki funkcjom i funkcjonalnościom

dopasowanym do twoich potrzeb w różnych gatunkach.

Narzędzia do odnajdywania ścieżek AI: Unity zawiera system nawigacji, który pozwala

tworzyć NPC, które mogą inteligentnie poruszać się po świecie gry. System używa

siatek nawigacyjnych, które są tworzone automatycznie z geometrii sceny lub nawet

dynamicznych przeszkód, aby zmienić nawigację postaci w czasie wykonywania.

Interfejsy użytkownika: wbudowany interfejs użytkownika pozwala szybko i

intuicyjnie tworzyć interfejsy użytkownika.

Silniki fizyki: skorzystaj z obsługi Box2D i NVIDIA PhysX, aby uzyskać realistyczną

i wydajną rozgrywkę.

Niestandardowe narzędzia: możesz rozszerzyć edytor za pomocą dowolnych narzędzi,

które pasują do obiegu pracy twojego zespołu. Twórz i dodawaj spersonalizowane

rozszerzenia aby przyspieszyć twoje projekty.

Przestrzeń robocza dla kreatywnych ludzi:

Edytor Unity to kreatywne centrum dla artystów, projektantów, programistów i innych

członków zespołu. Obejmuje on narzędzia do projektowania scen 2D i 3D, opowiadania i

cinematics, oświetlenie, system audio, narzędzia do zarządzania Sprite, efekty cząsteczkowe i

potężny system animacji

Opowiadanie historii: Narzędzie Oś czasu pozwala artystom tworzyć wspaniałe filmy

i sekwencje rozgrywki.

Treści kinowe: dzięki inteligentnym i dynamicznym kamerom Cinemachine można

sterować ujęciami tak, ja reżyser filmów z poziomu edytora.

Klasyfikacja kolorów i efekty: Stwórz pożądany wygląd dzięki profesjonalnej i w

pełni funkcjonalnej funkcji przetwarzania końcowego.

Animacja: używaj osi czasu, Anima2D, Cząstek i ścisłej integracji z Mayą i innymi

narzędziami innych firm do animowania bezpośrednio w Unity.

Projektowanie poziomów i budowanie świata: dzięki ProBuilder szybko zaprojektuj,

prototypuj i testuj swoje poziomy, a następnie mieszaj tekstury i kolory, wyrzeźbuj

geometrie i rozmieszczaj oiekty za pomocą Polybrush.

Round-tripping: Dopracuj i wykończ swoje modele 3D w locie przy pomocy integracji

narzędzi cyfrowych do tworzenia treści Unity, takich jak Maya.

Oświetlenie: uzyskaj natychmiastową informację zwrotną dzięki Progressive

Lightmapper, wykończ i udoskonal swoją scenę za pomocą funkcji Post Processing i

zoptymalizuj scenę za pomocą mieszanych trybów oświetleniowych, aby uzyskać

najlepszy wynik na platformę docelową.”

22

Silnik zawiera szeroki zakres narzędzi wykorzystanych w projekcie aplikacji, jest darmowy i

intuicyjny w użyciu.

2.2.2 Wykonanie aplikacji

Wersja silnika Unity wykorzystana w projekcie to 5.6.3p1, jednak w miarę trwania

projektu dokonywano aktualizacji kończąc na wersji 2017.3.1f1. Językiem programowania

wykorzystanym do wykonania oprogramowania jest język C#. Program składa się czterech

części: Obsługa użytkownika wirtualnej rzeczywistości, edycja opcji przez operatora, efekty

kamery oraz wyjście do pliku zewnętrznego typu *.csv. Kod programu został napisany z

uwzględnieniem wzorców projektowych oraz mnemotechniki SOLID.

Otoczenie, w którym osadzony zostaje użytkownik zbudowane jest z płytek o

powierzchni 1m2 składających się z 4 wierzchołków. Elementem wyróżniającym płytki są

materiały, których kolor może być zmieniany w czasie rzeczywistym przez operatora. Użyto

dwóch materiałów na podłogę, dwóch materiałów na ścianę oraz dwóch materiałów na sufit.

Materiał można wybrać z listy rozwijanej. Następnie przy pomocy suwaków oznaczających

natężenie kolorów czerwonego, zielonego i niebieskiego można ustawić nowy kolor wybranego

materiału, którego podgląd można zobaczyć na przycisku potwierdzającym ustawienie koloru.

Po wybraniu materiału, suwaki ustawiane są na wartości, które składają się na aktualnie

ustawiony kolor.

Celem sprawdzenia zdolności do podążania wzrokiem za ruchomym punktem użyto

sfery o średnicy 1m. Sfera została wyposażona w animację wykonującą powtarzalne ruchy.

Sfera wyposażona jest w ślad, który zostawia w wyniku ruchu. Użyto jednego materiału na

sferę oraz 1 materiału na ślad.

Sterowanie użytkownika w środowisku wirtualnej rzeczywistości napisano wspierając

się biblioteką Valve.VR. Sterowanie obejmuje wejście kontrolera, domyślnie kontrolera HTC

Vive.

23

Rys. 2-1 - Schemat kontrolera HTC Vive dla użytkownika. Poszczególne oznaczenia

reprezentują następująco: 1 – przycisk menu, 2 – touchpad, 3 – przycisk systemowy, 4 –

lampa stanu, 5 – gniazdo USB, 6 – sensory do namierzania, 7 – spust, 8 – przycisk uchwytu.

Źródło: [25]

Sterowanie rozróżnia kontrolery: lewy i prawy. Kontrolery wyposażone są w przyciski

uchwytu, spustu, menu, touchpada. Obsłużono przycisk menu oraz touchpad. Dla lewego

kontrolera kliknięcie w touchpad sprawdza czy kliknięta została górna czy dolna część,

następnie zmienia wartość na suwaku informującym o indywidualnym odczuciu pacjenta,

odpowiednio górna część zwiększa i dolna redukuje tę wartość. Przycisk menu ustawia wartość

suwaka na wartość maksymalną zatrzymując tym samym program. Dla prawego kontrolera

dotknięcie touchpada powoduje chodzenie w kierunku dopasowanym do miejsca dotknięcia.

Kierunek chodzenia uzależniony jest od kierunku zwrócenia kontrolera. Obsługę sterowania

wykonano przy pomocy obsługi zdarzeń. Chodzenie zrealizowano wskazuje wektor,

uzależniony od obrotu kontrolera, w którym ma się poruszać użytkownik. Oznacza to, że

trzymając palec w tym samym miejscu touchpada, np. na górze i poruszając kontrolerem,

użytkownik przemieszcza się prosto względem kontrolera, który obejmuje to sterowanie, w tym

wypadku na wprost od kontrolera. Wartość podlega rzutowaniu na płaszczyznę poziomą, dzięki

czemu nie ma możliwości uniesienia postaci do góry.

Zapisywanie danych do pliku zrealizowano za pomocą obsługi zdarzeń suwaka.

Każdorazowa zmiana wartości suwaka powoduje zapis nowej wartości, czasu dnia oraz czasu

programu do kolekcji. Gdy program kończy pracę, zawartość kolekcji zapisywana jest do pliku

o nazwie dopasowanej do czasu rozpoczęcia programu.

24

2.3 Grupa badawcza

Grupa badawcza obejmuje 32 pacjentów obu płci, w wieku poniżej 60 lat, z

wykluczonymi przewlekłymi zaburzeniami równowagi lub zawrotami głowy pochodzenia

przedsionkowego. Kandydaci do badania zostali przebadani pod kątem objawów zaburzeń

równowagi w Klinice Otolaryngologii, Chirurgii Głowy i Szyi Uniwersytetu Medycznego we

Wrocławiu oraz Klinice Okulistyki Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu. W celu

wykluczenia wystąpienia objawów zawrotów głowy niezwiązanych z zastosowaniem

środowiska rzeczywistości wirtualnej wykonano standardowe badanie laryngologicznie,

badanie wzroku a także oceniono stan układu przedsionkowego wykorzystując standardowe

kwestionariusze wykorzystywane do diagnostyki zaburzeń równowagi (Dizziness Handicap

Inventory, the Situational Vertigo Questionnaire, Activity-Specific Balance Confidence Scale

oraz SEA Vestibular Questionnaire). Stwierdzenie zawrotów głowy pochodzenia ośrodkowego

lub pozytywny wynik któregokolwiek z kwestionariuszy zaburzeń równowagi dyskwalifikował

pacjenta z badania. Ocena ostrości widzenia została przeprowadzona na potrzeby modyfikacji

zestawu badawczego i ewentualnego wykorzystania soczewek korekcyjnych. Ostrość wzroku

odbiegająca od prawidłowej o ponad cztery dioptrie dyskwalifikowała pacjenta z badania ze

względu na trudności dostosowania zestawu do wady pacjenta.

Po zakwalifikowaniu, grupa badana poddana została procedurze badawczej.

25

Rys. 2-2 – Przebieg badania posturograficznego na grupie

badawczej.

Opracowanie własne

26

Po zebraniu świadomej zgody przez pacjenta nastąpiła faza badawcza projektu.

Eksperymentator w fazie wstępnej zademonstrował zadanie uczestnikom. Uczestnicy zostali

zapoznani ze schematem badania posturograficznego, oraz poinstruowani aby stać wygodnie,

nie blokując kolan trzymając opuszczone ramiona. Po uprzedniej kalibracji systemu pod kątem

indywidualnych cech pacjenta (odstęp między-źrenicowy, wysokość pacjenta, wada wzroku)

założono hełm rzeczywistości wirtualnej oraz sprawdzono okablowanie. Następnie odbyły się

dwie skrócone sesje treningowe, trwające po minucie każda. Po sesjach treningowych nastąpiło

6 3-minutowych prób, z 1 minutowymi przerwami. Poprzez obserwację monitora, który

wyświetlał widok uczestnika eksperymentator miał możliwość kontroli poprawności

wykonywanych zadań. W trakcie badania poza rejestracją wychyłu ciała i stabilności postawy

przez posturograf uczestnik badania wypełniał Kwestionariusz Choroby Symulatorowej

(Simulator Sickness Questionnaire (SSQ); Kennedy, Lane, Berbaum, & Lilienthal, 1993)

Podczas etapów 1-3 użytkownik miał pełną swobodę ruchów, dostosowywał się do

poleceń terapeuty. Etapy 4-6 polegały na tym samym, co etapy wcześniejsze, jednak kontrola

nad ruchem została odebrana użytkownikowi poprzez przekazanie kontrolera terapeucie.

2.4 Przebieg badania

Eksperyment składa się z etapów, spośród których każdy etap jest pomniejszym

eksperymentem mającym na celu wykazać, że parametry danego etapu nie wpływają na

ośrodek równowagi. Cel wynika z braku potwierdzenia teorii w kontekście wirtualnej

rzeczywistości [5][6], chęci sprawdzenia czy prowokowanie objawów choroby symulatorowej

jest w stanie doprowadzić do pozytywnej reakcji ludzkiego ciała skutkującej adaptacją do

drażniących warunków. [7]

Do eksperymentu przystępuje grupa badana, która przejdzie przez następujące etapy:

Eksperyment 1 – Wstępne badania otolaryngologiczne

Eksperyment 2 – Demonstracja badania posturograficznego

Eksperyment 3 – Wpływ obserwacji ruchomego obiektu i kontroli sterowania na

ośrodek równowagi

Eksperyment 4 – Wpływ efektu rozmycia obrazu i kontroli sterowania na ośrodek

równowagi

Rys. 2-3 - Schemat zestawu do badania posturograficznego.

Opracowanie własne

27

Eksperyment 5 – Wpływ wirtualnego skoku w przepaść i kontroli sterowania na

ośrodek równowagi

Eksperyment 6 – Wpływ obserwacji ruchomego obiektu i braku kontroli sterowania

na ośrodek równowagi

Eksperyment 7 – Wpływ efektu rozmycia obrazu i braku kontroli sterowania na

ośrodek równowagi

Eksperyment 8 – Wpływ wirtualnego skoku w przepaść i braku kontroli sterowania

na ośrodek równowagi

2.4.1 Eksperyment 1 – Wstępne badania otolaryngologiczne

Celem etapu wstępnego jest ocena kandydatów do badania pod kątem medycznym. Składa

się on z wykonania klasycznego badania otolaryngologicznego, badania ostrości wzroku.

Następnie pacjenci wypełniają kwestionariusze:

Dizziness Handicap inventor

Situational Vertigo Questionnaire

Activity Specific Balance Confidence Scale

SEA Vestibular Questionnaire

Po wykonaniu tych czynności następuje dyskwalifikacja tych uczestników, u których wynik

badania otolaryngologicznego wykaże zbyt wysoką wadę wzroku, czy wynik z kwestionariusza

zbyt odbiega od normy.

2.4.2 Eksperyment 2 – Demonstracja badania posturograficznego

W fazie przygotowawczej wyróżniamy 2 cele:

3. Porównanie wyników z kwestionariusza SSQ a priori oraz po pierwszych sesjach

treningowych w wirtualnej rzeczywistości.

4. Zebranie danych z badania posturograficznego a priori do dalszej analizy.

Wyniki kwestionariusza SSQ traktujemy wyłącznie jako dane pomocnicze będące

subiektywną oceną pacjenta. Podczas tego etapu zbieramy świadome zgody na badanie od

pacjentów. Następnie badanie zostaje zademonstrowane uczestnikom badania. Uczestnicy

zostają zapoznani z badaniem posturograficznym. Dokonujemy kalibracji sprzętu z udziałem

pacjenta. W tym momencie pacjent ma hełm na głowie, ale nic w nim nie widzi. Po dokonaniu

kalibracji, pacjent wypełnia kwestionariusz SSQ. Ten wynik będzie wynikiem a priori w

zestawieniu. Następnie pacjent poddawany jest 2 sesjom treningowym po 1 minutę każda.

Pierwsza sesja polega na wejściu w wirtualną rzeczywistość przy pomocy menu głównego

SteamVR. Pacjent stojąc w miejscu może zacząć doświadczać immersji poprzez rozglądanie

się po otoczeniu. Ta sesja ma na celu przygotować go do podstawowej formy użytkowania

gogli wirtualnej rzeczywistości, jaką jest obserwacja. Po zakończeniu pierwszej sesji, po

minucie przerwy pacjent zostaje poddany drugiej sesji w tym samym środowisku. Tym razem

zostają mu wręczone do rąk kontrolery, dzięki którym może się poruszać po scenie oraz

dokonywać interakcji z wirtualnymi obiektami w otoczeniu. Po zakończeniu obu sesji, pacjent

wypełnia ponownie kwestionariusz SSQ. Przechodzimy do etapu 1.

2.4.3 Eksperyment 3 – Wpływ obserwacji ruchomego obiektu i kontroli sterowania na

ośrodek równowagi

Celem etapu 1 jest wykazanie, że obserwowanie ruchomej kulki przez pacjenta w

środowisku aplikacji badawczej nie wpływa na jego ośrodek równowagi. Podczas tego etapu

zbierane są dane z posturografu. Pacjent zanurzając się w wirtualnej rzeczywistości aplikacji

28

badawczej znajduje się w wykafelkowanym korytarzu. Dostaje polecenie od prowadzącego

badanie, by przejść przez korytarz do pomieszczenia, w którym znajduje się ruchoma kulka.

Obserwacja kulki odbywa się na 2 sposoby: wodzenie wzrokiem za kulką starając się nie ruszać

głową, oraz obracanie głową za kulką. Jeżeli pacjent poczuje się źle, ma możliwość przerwać

badanie przy pomocy jednego z kontrolerów zamykając aplikację. Po zakończeniu sesji w

goglach, pacjent wypełnia kwestionariusz SSQ dla samopoczucia z etapu 1. Możliwa jest

dyskwalifikacja pacjenta z dalszego badania.


równowagi

Celem etapu 2 jest wykazanie, że zanurzenie pacjenta w wirtualnej rzeczywistości aplikacji

z włączonym efektem motion blur nie wpływa na jego ośrodek równowagi. Podczas tego etapu

zbierane są dane z posturografu. Pacjent ma pełną swobodę ruchu, może obserwować kulkę jak

w etapie 1, ale ma za zadanie przejść się po pomieszczeniach w aplikacji badawczej. Jeżeli

pacjent poczuje się źle, ma możliwość przerwać badanie przy pomocy jednego z kontrolerów

zamykając aplikację. Po zakończeniu sesji w goglach efekt motion blur zostaje wyłączony, a

pacjent wypełnia kwestionariusz SSQ dla samopoczucia z etapu 2. Możliwa jest



ośrodek równowagi

Celem etapu 3 jest wykazanie, że przeprowadzenie przez pacjenta skoku z wysokości w

środowisku wirtualnym nie wpływa na jego ośrodek równowagi. Podczas tego etapu zbierane

są dane z posturografu. Pacjent ma pełną swobodę ruchu, ma za zadanie udać się do korytarza,

w którym rozpoczął badanie. Następnie ma wejść po krętych schodach na samą górę. Będąc na

górze ma udać się na okrągły balkon i przejść na drugą stronę balkonu. Gdy już dotrze na

miejsce, zostaje poproszony o wykonanie skoku na dół. Jeżeli pacjent ma lęk wysokości, zostaje

poinformowany, że to nie jest prawdziwy skok w przepaść, lecz wirtualny skok. Jeżeli pacjent

poczuje się źle lub zaprotestuje wykonać skok, ma możliwość przerwać badanie przy pomocy

jednego z kontrolerów zamykając aplikację. Po zakończeniu sesji w goglach, pacjent wypełnia

kwestionariusz SSQ dla samopoczucia z etapu 3. Możliwa jest dyskwalifikacja pacjenta z

dalszego badania.


ośrodek równowagi


obserwowanie ruchomej kulki przez pacjenta w środowisku aplikacji badawczej nie wpływa na

jego ośrodek równowagi. Podczas tego etapu zbierane są dane z posturografu. Pacjent

zanurzając się w wirtualnej rzeczywistości aplikacji badawczej znajduje się w

wykafelkowanym korytarzu. Prowadzący badanie odbiera pacjentowi jeden z kontrolerów,

który odpowiada za sterowanie ruchem. Prowadzący badanie przemieszcza pacjenta przez

korytarz do pomieszczenia, w którym znajduje się ruchoma kulka. Obserwacja kulki odbywa

się jak w etapie 1 na 2 sposoby: wodzenie wzrokiem za kulką starając się nie ruszać głową,

oraz obracanie głową za kulką. Jeżeli pacjent poczuje się źle, ma możliwość przerwać badanie

przy pomocy kontrolera zamykając aplikację. Po zakończeniu sesji w goglach, pacjent

wypełnia kwestionariusz SSQ dla samopoczucia z etapu 4. Możliwa jest dyskwalifikacja

pacjenta z dalszego badania.

29

2.4.7 Eksperyment 7 – Wpływ efektu rozmycia obrazu i braku kontroli sterowania na

ośrodek równowagi


zanurzenie pacjenta w wirtualnej rzeczywistości aplikacji z włączonym efektem motion blur

nie wpływa na jego ośrodek równowagi. Podczas tego etapu zbierane są dane z posturografu.

Pacjent jest pozbawiony kontrolera sterującego ruchem, może obserwować kulkę jak w etapie

1. Prowadzący badanie przemieszcza pacjenta po pomieszczeniach w aplikacji badawczej.

Jeżeli pacjent poczuje się źle, ma możliwość przerwać badanie przy pomocy jednego z

kontrolerów zamykając aplikację. Po zakończeniu sesji w goglach efekt motion blur zostaje

wyłączony, a pacjent wypełnia kwestionariusz SSQ dla samopoczucia z etapu 5. Możliwa jest


2.4.8 Eksperyment 8 – Wpływ wirtualnego skoku w przepaść i braku kontroli sterowania na

ośrodek równowagi

W etapie 6 wyróżniamy 2 cele:

3. Będąc pozbawionym kontroli nad swoim ruchem przeprowadzenie przez pacjenta

skoku z wysokości w środowisku wirtualnym nie wpływa na jego ośrodek

równowagi.

4. Po krótkim czasie od zakończenia sesji samopoczucie pacjenta gwałtownie się

poprawi, co zostanie potwierdzone przez dane z kwestionariusza SSQ

Podczas tego etapu zbierane są dane z posturografu. Pacjent jest pozbawiony kontrolera

sterującego ruchem, Prowadzący badanie przemieszcza pacjenta do korytarza, w którym

rozpoczął badanie. Następnie wchodzi po krętych schodach na samą górę. Będąc na górze udaje

się na okrągły balkon i przechodzi na drugą stronę balkonu. Gdy już dotrze na miejsce, uprzedza

pacjenta o wykonaniu skoku na dół. Jeżeli pacjent ma lęk wysokości, zostaje poinformowany,

że to nie jest prawdziwy skok w przepaść, lecz wirtualny skok. Jeżeli pacjent poczuje się źle

lub zaprotestuje wykonać skok, ma możliwość przerwać badanie przy pomocy kontrolera

zamykając aplikację. Po zakończeniu sesji w goglach, pacjent wypełnia kwestionariusz SSQ

dla samopoczucia z etapu 6. Możliwa jest dyskwalifikacja pacjenta z badania.

30

2.5 Kwestionariusz Choroby Symulatorowej

Kwestionariusz składa się z szesnastu pytań oceniających natężenie objawów

związanych z chorobą symulatorową. Na każde pytanie użytkownik udziela odpowiedzi w skali

od 0 do 3, gdzie zero oznacza brak objawów a 3 - poważne objawy.

Rys. 2-4 - Wzór kwestionariusza choroby symulatorowej (SSQ)

Źródło: [13]

31

Kwestionariusz był wypełniany przed założeniem kasku, po sesji ćwiczeń wstępnych i

po zakończeniu każdej próby podczas 1-minutowej przerwy. Po zakończeniu fazy

eksperymentalnej projektu hełm zdjęto oraz zapewniono pozycję siedzącą uczestnikom badania

oraz ponownie zebrano odpowiedzi na kwestionariusz SSQ. Odpowiedzi na kwestionariusz

SSQ zbierano ponownie po 5 minutach i 10 minutach po ekspozycji na bodźce wzrokowe. W

sumie uzyskano dziesięć wyników SSQ dla każdego uczestnika badania. Niektórzy uczestnicy

wycofali się z sesji eksperymentalnej przed ukończeniem wszystkich pięciu prób. W tych

przypadkach usunięto hełm, a uczestnicy usiedli. Wyniki kwestionariusza SSQ w takich

przypadkach zbierano w momencie wycofania i ponownie po 5 minutach i 10 minutach po

ekspozycji.

W badaniu modyfikowane były parametry środowiska wirtualnego 3D podczas 3

minutowych prób: pole widzenia, rozmycie ruchu (motion blur), oraz zawartość 3D (scene

content) w postaci zmiany wysokości położenia użytkownika w rzeczywistości wirtualnej. W

początkowym etapie trzech pierwszych prób badania użytkownik zachowuje kontrolę nad

własnym ruchem w środowisku wirtualnym. W trzech kolejnych próbach następuje zmiana

ruchu na ruch kontrolowany przez prowadzącego badanie.

Grupa badawcza poddana została badaniu wykorzystującemu autorski program

badawczy oparty o silnik środowiska 3D „Unity” dedykowany hełmowi rzeczywistości

wirtualnej o wysokiej immersji (HTC Vive) zintegrowany z komputerową platformą

stabilograficzną o konstrukcji dwupłytowej. Za jej pomocą rejestrowana była odpowiedź z

układu przedsionkowego oraz z ośrodkowego układu nerwowego w postaci wychylenia ciała

(body sway) i stabilności postawy w odpowiedzi na bodziec wzrokowy.

2.6 Rejestracja odczuć ogólnych stanu samopoczucia

W trakcie badania rejestrowane były również indywidualne odczucia pacjenta co do

zaostrzenia wywołanych przez środowisko wirtualne objawów przedsionkowych, w oparciu o

kwestionariusz zintegrowany z autorską aplikacją wykorzystywaną w badaniu. Program

rejestrował wszystkie odpowiedzi pacjenta. Kwestionariusz umożliwia określenie na skali od

zero do dziesięć stanu ogólnego samopoczucia gdzie zero - to stan samopoczucia podczas

rozpoczęcia badania a dziesięć - to chęć natychmiastowego przerwania badania ze względu na

pogorszenie samopoczucia. Ocena przez pacjenta samopoczucia na 10 punktów skutkowała

natychmiastowym przerwaniem badania.

32

Rys. 2-5 - Zrzut ekranu ze skali samopoczucia

Opracowanie własne

Uczestnicy na potrzeby analizy statystycznej podzieleni zostali na grupy pacjentów

prawidłowo reagujących na bodźce wizualne i pacjentów, u których nadmierna odpowiedź z

układu przedsionkowego lub dyskomfort podczas badania wykluczyła z dalszego udziału w

badaniu.

2.7 Podsumowanie wyników badań ekperymentalnych

Uzyskane wyniki z badań stabilograficznych wykorzystano do przeprowadzenia testu

statystycznego. Wartość p w różnicach pomiędzy grupami zostały zmierzone przy użyciu

analizy post-hoc testem t Dunneta w stosunku do wyników uzyskanych w pierwszej fazie

badania (wykonywanie poleceń bez zmiany parametrów środowiska 3D). Test wykonano

po wcześniejszej analizie wariancji ANOVA, podczas której analizowano wpływ

zmiennej na uzyskane parametry badania. Za parametr α przyjęto wartość 0,05. Analizę

wykonano przy użyciu pakietu statystycznego Statistica.

2.7.1 Eksperyment 1 – Wstępne badania otolaryngologiczne

W skład badanej grupy wchodziło 45 osób. w wyniku przeprowadzonych testów wstępnych

doszło do odrzucenia uczestników:

Odrzucono 1 osobę z powodu wady wzroku przekraczającej 3 dioptrie od normy

Odrzucono 4 osoby w wyniku otolaryngologicznej oceny zaburzeń równowagi).

2.7.2 Eksperyment 2 – demonstracja badania posturograficznego

Podczas demonstracji badania posturograficznego nie wykluczono z dalszego badania

żadnego uczestnika Nie było podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej. Wyniki

zamieszczono w tabeli 2-1.

33

Tabela 2-1 - Wyniki badań dla fazy przygotowawczej

SSQ a priori SSQ test Posturograf [A] Posturograf [Vd]

Średnia 0.13 2.25 2.3 0.83

Odchylenie

standardowe - - 0.7 0.21

2.7.3 Eksperyment 3 - Wpływ obserwacji ruchomego obiektu i kontroli sterowania na

ośrodek równowagi

Podczas tego eksperymentu nie wykluczono z dalszego badania żadnego uczestnika.

Nie było podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej. Wyniki zamieszczono w tabeli 2-2.

Tabela 2-2 - Wyniki badań dla obserwacji ruchomego obiektu z kontrolą sterowania przez

pacjenta

SSQ Posturograf [A] Posturograf [Vd]

Średnia 3.48 2.4 1.42

Odchylenie

standardowe - 0.5 0.84


równowagi

Podczas tego eksperymentu wykluczono z dalszego badania 2 osoby z grupy badawczej.

Dla parametru A nie było podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej. Dla parametru Vd

hipoteza zerowa została odrzucona. Wyniki zamieszczono w tabeli 2-3.

Tabela 2-3 - Wyniki badań dla efektu rozmycia obrazu z kontrolą sterowania przez pacjenta


Średnia 3.56 2.8 1.59*

Odchylenie


2.7.5 Eksperyment 5 – Wpływ wirtualnego skoku w przepaść i kontroli sterowania na ośrodek

równowagi

Podczas tego eksperymentu nie wykluczono z dalszego badania żadnego uczestnika.

Nie było podstaw do odrzucenia hipotezy zerowej. Wyniki zamieszczono w tabeli 2-4.

Tabela 2-4 - Wyniki badań dla wirtualnego skoku z kontrolą sterowania przez pacjenta


Średnia 4.54 4.3 1.32

Odchylenie


34


ośrodek równowagi


Hipoteza zerowa została odrzucona dla parametrów A oraz Vd. Wyniki zamieszczono w tabeli

2-5.

Tabela 2-5 - Wyniki badań dla obserwacji ruchomego obiektu bez kontroli sterowania przez

pacjenta


Średnia 8.41 6.4* 2.09*

Odchylenie


2.7.7 Eksperyment 7 - Wpływ efektu rozmycia obrazu i braku kontroli sterowania na ośrodek

równowagi


Hipoteza zerowa została odrzucona dla parametrów A oraz Vd. Wyniki zamieszczono w tabeli

2-6.

Tabela 2-6 - Wyniki badań dla efektu rozmycia obrazu bez kontroli sterowania przez pacjenta


Średnia 9.12 5.3* 2.01*

Odchylenie


2.7.8 Eksperyment 8 - Wpływ wirtualnego skoku w przepaść i braku kontroli sterowania na

ośrodek równowagi

Podczas tego eksperymentu wykluczono z badania 1 osobę z grupy badawczej. Hipoteza

zerowa została odrzucona dla parametrów A oraz Vd. Dokonano też dodatkowych badań

kwestionariuszem SSQ 5 i 10 minut po zakończeniu badań posturograficznych. Wyniki

zamieszczono w tabeli 2-7 oraz tabeli 2-8.

Tabela 2-7 - Wyniki badań stabilograficznych dla wirtualnego skoku bez kontroli sterowania

przez pacjenta

Posturograf [A] Posturograf [Vd]

Średnia 6.6* 2.14*

Odchylenie standardowe 3.9 0.94

Tabela 2-8 - Wyniki badań SSQ dla wirtualnego skoku bez kontroli sterowania przez pacjenta

Eksperyment 8 5 minut po 10 minut po

Średnia 8.12 3.56 2.18

35

3 Wyniki

3.1 Grupa badana

W skład badanej grupy wchodziło 45 osób. W etapie przygotowawczym, w wyniku

przeprowadzonych testów wstępnych odrzuconych zostało pięciu uczestników (jedna osoba z

powodu wady wzroku, cztery osoby w wyniku otolaryngologicznej oceny zaburzeń

równowagi). W trakcie wdrażania protokołu badawczego ośmiu użytkowników

zdyskwalifikowano z dalszego udziału w badaniu ze względu na zły stan samopoczucia podczas

realizacji protokołu - dwóch uczestników podczas etapu 2, dwóch podczas etapu czwartego,

trzech podczas etapu piątego i jedną podczas szóstego etapu badania.

Grupę badaną stanowiło w etapie analizy statystycznej 32 uczestników. Kobiety

stanowiły 31% (10 osób) a mężczyźni 69% (22 osoby). Średnia wieku wynosiła 28 lat (mediana

24 lata).

3.2 Osoby których udział w badaniu musiał zostać przerwany

Na różnych etapach badania niektórzy z uczestników badania byli zmuszeni

zrezygnować z dalszego udziału ze względu na pogarszające się dolegliwości pochodzące z

układu przedsionkowego. Choć dane dotyczące osób rezygnujących, ze względu na niską

liczebność grupy nie mają wartości statystycznej (p<0,05), większość dotyczyła etapów

badania które w wynikach potwierdzały wysoką zdolność do prowokowania objawów kinetozy.

Wartość p w różnicach pomiędzy grupami zostały zmierzone przy użyciu analizy post-hoc

testem t Dunneta w stosunku do wyników uzyskanych w pierwszej fazie badania (wykonywanie

poleceń bez zmiany parametrów środowiska 3D). Test wykonano po wcześniejszej analizie

wariancji ANOVA, podczas której analizowano wpływ zmiennej na uzyskane parametry

badania. Za parametr α przyjęto wartość 0,05. Analizę wykonano przy użyciu pakietu

statystycznego Statistica. Dyskwalifikacja pacjentów nastąpiła w następujących etapach:

Etap 2, którego celem było wykazanie, że zanurzenie pacjenta w wirtualnej

rzeczywistości aplikacji z włączonym efektem motion blur nie wpływa na jego ośrodek

równowagi.

Etap 4, którego celem było wykazanie, że będąc pozbawionym kontroli nad swoim

ruchem obserwowanie ruchomej kulki przez pacjenta w środowisku aplikacji badawczej

nie wpływa na jego ośrodek równowagi.

Etap 5 - będący tożsamy z etapem czwartym z dodatkowo włączonym rozmyciem ruchu

Etap 6 - polegający na kontrolowaną przez prowadzącego badanie zmianą wysokości

zawartości 3D (scene content).

36

Wykres 3-1 - Osoby zdyskwalifikowane podczas udziału w badaniu.

Opracowanie własne

Na wykresie 3.1 widać, że w etapach 1-3 i 4-6 najwięcej osób zdyskwalifikowanych było w

etapach 2 i 5, w których użytkownik obserwował wirtualny świat z udziałem efektu motion

blur, który wprawiał go w mocny dyskomfort. Etap obserwacji animowanej kulki oraz skoku z

wysokości dla sterowania własnego nie przysparzał użytkownikom kłopotów, natomiast

odpowiedniki tych etapów bez kontroli ruchu użytkownika przyczyniły się do dyskwalifikacji

części uczestników badania. Etap 1 polegający na obserwowaniu ruchomej kulki mając

kontrolę nad przemieszczeniem w przestrzeni wirtualnej nie sprawił nikomu problemu.

Podobnie z etapem 3 polegającym na kontrolowanym skoku z wysokości mając kontrolę nad

przemieszczenie, w przestrzeni wirtualnej.

3.2.1 Komentarz

Użycie efektu motion blur było dość kontrowersyjne, ze względu na spodziewaną reakcję

pacjenta na otrzymywane bodźce. Pacjent wprowadzony był w zasymulowany stan otępienny,

którego odpowiednikiem może być na przykład stan upojenia alkoholowego. Podobnie

kontrowersyjnym było przeprowadzenie serii badań pozbawiając pacjenta kontroli nad

sterowaniem. Potwierdziło to teorie objawów kinetozy w wirtualnym środowisku. Gdy pacjent

nie ma korelacji między czynnościami, które wykonuje, a tymi, które świadomie przetwarza i

wykonuje jego mózg. Złożenie tych dwóch czynników dało spotęgowany efekt objawów

kinetozy, który skutkował największą liczbą osób zdyskwalifikowanych z dalszego badania.

3.3 Objawy związane z kinetozami na podstawie analizy kwestionariusza choroby symulacyjnej (SSQ)

Analizę kwestionariuszy choroby symulacyjnej wykonano w oparciu o instrukcję

analizy statystycznej kwestionariuszy SSQ. Zgodnie ze spodziewanymi wynikami badania

średni wynik objawów pochodzących z układu przedsionkowego był najwyższy podczas

czwartego, piątego i szóstego etapu badania.

37

Tabela 3-1 - Wyniki kwestionariusza SSQ w trakcie badania.

SSQ

a priori SSQ test SSQ1 SSQ2 SSQ3 SSQ4 SSQ5 SSQ6

SSQ

+5 min

SSQ

+10min

średnia 0.13 2.25 3.48 3.56 4.54 8.41 9.12 8.12 3.56 2.18

Opracowanie własne

Wartości uzyskane po analizie porównano z siatką centylową dla kwestionariusza SSQ

w celu stwierdzenia siły prowokowania objawów dla poszczególnych etapów badania.

Z tabeli 3.1 można zaobserwować, że sam fakt wejścia do świata wirtualnego wprawia

użytkownika w jakimś stopniu w uczucie dyskomfortu. W miarę postępowania etapów, a tym

samym poziomu skomplikowania zadań, uczucie dyskomfortu narastało. Można również

zauważyć zdolność użytkownika do szybkiej regeneracji po wyjściu z wirtualnej

rzeczywistości. Już 10 minut wystarczy, żeby poczuć się jak w pierwszych minutach

eksperymentu.

Wykres 3-2 - Wyniki kwestionariusza SSQ w trakcie badania (centyle)

Opracowanie własne

Z wykresu 3.2 można wyczytać, jak prezentuje się ocena samopoczucia użytkownika w skali

grupy. Widać narastający dyskomfort, który większość osób odczuła w etapach 4-6. W

pozostałych etapach wyniki były bardzo zbliżone

38

3.4 Objawy związane z kinetozami na podstawie analizy posturograficznej

Rys. 3-1 - przykładowy wynik badania stabilograficznego dla dwóch etapów badania.

Opracowanie własne

39

Rys. 3-2 - Powiększenie przebiegu pola pierwszego badania stabilograficznego z rysunku 3.1.

Widać oznaczenia osi x i y operujących na milimetrach

Opracowanie własne

40

Rys. 3-3 - Powiększenie wykresu przyrostu pola pierwszego badania stabilograficznego w

czasie z ryzunku 3.1. Widać oznaczenia osi t jako reprezentacja czasu w sekundach oraz osi V

jako pola w mm2

Opracowanie własne

Na rysunku 3.1 lewa strona przedstawia pole wokół środka ciężkości, po jakim porusza

się użytkownik. Prawa strona przedstawia prędkość poruszania się użytkownika w czasie.

Górna część przedstawia wynik dla jednego z pierwszych trzech etapów, a dolna strona dla

jednego z pozostałych trzech. Można zaobserwować przebieg, w jakim użytkownik próbuje

zachować równowagę. W przypadku ruchu cudzego jest to mocno utrudnione.

Podczas analizy statystycznej wyników badania posturograficznego zdecydowano się

na analizę parametru Vm (Mean velocity) oraz A (Area) ze względu na wysoką wartość

predykcyjną obu parametrów oraz łatwość analizy statystycznej. Vm jest parametrem

opisywanym wzorem ∑𝑉𝑑

𝑛, (3.1)

gdzie:

n – liczba odcinków czasowych

Vd – prędkość przemieszczenia

wyrażonym w cm/s gdzie Vd (displacement velocity) opisywany jest jako:

𝑉𝑑 =√((𝑥𝑖−𝑥𝑖−1)

2+(𝑦𝑖−𝑦𝑖−1)2)

𝑡𝑖−𝑡𝑖−1, (3.2)

gdzie:

xi – przemieszczenie w osi x w momencie i-tym wyrażane w milimetrach

41

yi – przemieszczenie w osi y w momencie i-tym wyrażane w milimetrach

i – moment wyrażony w klatkach programu

ti – czas w momencie i-tym wyrażany w sekundach

A (Area) jest parametrem wyrażonym w mm2 który obliczany jest jako pole zakreślone przez

obrzeża linii posturograficznej (Ryc. 3.2.1)

Tabela 3-2 - Wyniki dla parametru A (Area) w mm2. Gwiazdką oznaczono wyniki istotne

statystycznie w porównaniu do parametrów uzyskanych w badaniu wstępnym (p<0.05)

Badanie

wstępne Etap 1 Etap 2 Etap 3 Etap 4 Etap 5 Etap 6

Średnia 2.3 2.4 2.8 4.3 6.4* 5.3* 6.6*

SD 0.7 0.5 1.1 2.1 4.2 3.1 3.9

Opracowanie własne

Z tabeli 3.2 można zaobserwować tendencję wzrostową wraz z etapami. Odchylenie

standardowe zachowuje się proporcjonalnie do średniej. Zastanawiającym jest fakt, że w etapie

5 wartość nie jest najwyższa, lecz w etapach towarzyszących. Elementy oznaczone gwiazdką

w tabeli reprezentują eksperymenty, w których hipoteza zerowa została odrzucona (o tym, że

dany efekt nie wpływa na ośrodek równowagi), przyjęto natomiast hipotezę alternatywną.

3.4.1 Komentarz do wyników dla parametru pola

Hipoteza zerowa została odrzucona w eksperymentach, w których pacjent nie miał

kontroli nad sterowaniem. Zwiększone pole w badaniu stabilograficznym jest naturalną

konsekwencją tego, że pacjent stara się nadążać za ruchami prowadzącego zadanie. Można to

porównać do prób utrzymania równowagi w autobusie. Gdy jesteśmy przygotowani na jakiś

ruch pojazdu, dużo ciężej nam stracić równowagę, jeżeli nie trzymamy się uchwytu.

Tabela 3-3 - Wyniki stabilograficzne dla parametru Vm (Mean Velocity) wyrażonego w cm/s.

Gwiazdką oznaczono wyniki istotne statystycznie w porównaniu do parametrów uzyskanych w

badaniu wstępnym (p<0.05)

Badanie

wstępne Etap 1 Etap 2 Etap 3 Etap 4 Etap 5 Etap 6

Średnia 0.83 1.42 1.59* 1.32 2.09* 2.01* 2.14*

SD 0.21 0.84 1.12 1.29 0.83 0.97 0.94

Opracowanie własne

Tabela 3.3 przedstawia prędkość ruchu użytkownika. Widać tendencję wzrostową, jednak

odchylenie standardowe nie zachowuje się proporcjonalnie do średniej. W etapie 3

użytkownicy reagowali bardzo różnie na spadek z wysokości. Etap 5 nie daje najwyższego

wyniku, lecz etapy towarzyszące. Etap 2 jest wyróżniony wśród etapów 1-3.

42

3.4.2 Komentarz do wyników dla parametru prędkości

Hipoteza zerowa została odrzucona w eksperymentach, w których pacjent nie miał

kontroli nad sterowaniem. Zwiększone pole w badaniu stabilograficznym jest naturalną

konsekwencją tego, że pacjent stara się nadążać za ruchami prowadzącego zadanie. Można to

porównać do prób utrzymania równowagi w autobusie. Nie będąc przygotowanym na dany

ruch, poddajemy mu się, po czym próbujemy odzyskać równowagę. Musimy wtedy w krótkim

czasie wykonać sami pewne ruchy, by powrócić do stanu równowagi. Podobnie wygląda to w

przypadku wirtualnej rzeczywistości. Będąc w stanie immersji jesteśmy odcięci od

zewnętrznych bodźców dających naszemu mózgowi informacje mogące nam pomóc w

utrzymaniu równowagi. Dotyczy to również hipotezy zerowej odrzuconej w etapie 2. Gdy

pacjent spada w wirtualnym świecie, może odczuwać objawy prawdziwego spadania, np.

dziwne uczucie w brzuchu. W takiej sytuacji zmiana w ruchu pacjenta na posturografie jest

reakcją naturalną.

3.5 Wnioski

Użytkownicy gwałtownie reagują na wejście do wirtualnej rzeczywistości. Szybko się

regenerują po zakończeniu sesji. Już 10 minut wystarczy, żeby wrócić do stanu równowagi

odpowiadającemu początkowemu stanowi przebywania w wirtualnej rzeczywistości.

Zgodnie z oczekiwaniami, hipoteza zerowa została odrzucona w co najmniej jednym

eksperymencie. Etap 2 i 5, w którym poddawało się użytkownika działaniu efektu Motion Blur,

pomimo wprowadzania użytkownika w największy dyskomfort zaowocował tym, że w

wynikach można zauważyć adaptację do panujących warunków. Pomimo rosnących

problemów z utrzymaniem równowagi objawiających się coraz większym polem oraz

prędkością poruszania wokół środka ciężkości, problem podołania przejścia przez komplet

etapów badań dotyczył mniejszości badanych. Użytkownicy, u których zaobserwowano

adaptację, nie skarżyli się na żadne dolegliwości. Na podstawie uzyskanych wyników uznaję,

że wirtualna rzeczywistość ma wpływ na ośrodek równowagi w badaniu posturograficznym. W

przypadku projektu opisanego niniejszą pracą, uzyskany wpływ wirtualnej rzeczywistości

okazał się być pozytywny dla użytkownika i pacjenta. Badanie ma szansę stać się alernatywą

dla obecnie wykorzystywanej terapii habituacyjnej.

43

Podsumowanie

Celem pracy było zbadanie wpływu różnych rozwiązań manipulacji perspektywą i obrazem

wyświetlanym na ekranie gogli wirtualnej rzeczywistości na wyniki posturograficzne i

samopoczucie badanych osób a także sprawdzenie, jak kontrola użytkownika nad poruszaniem

się postaci w środowisku wirtualnym wpływa na jego ośrodek równowagi. W ramach pracy cel

zrealizowano częściowo. Z powodu ograniczonego czasu, z dostępnych efektów kamery

przetestowano na pacjentach tylko efekt rozmycia obrazu.

Cel uzasadniony był brakiem potwierdzenia teorii w kontekście wirtualnej rzeczywistości

[5][6], chęcią sprawdzenia czy prowokowanie objawów choroby symulatorowej jest w stanie

doprowadzić do pozytywnej reakcji ludzkiego ciała skutkującej adaptacją do drażniących

warunków. [7]

W powstałej aplikacji zabrakło możliwości przełączania między poruszaniem się zależnym

od obrotu kontrolera lub obrotu głowy. Zabrakło również szybkiej teleportacji użytkownika na

krótkie dystanse jako alternatywna forma poruszania się w przestrzeni wirtualnej. W aplikacji

badawczej nie pojawiły się również dynamiczne elementy otoczenia, jak np. ruchome

platformy.

Nie należy zapominać także o interakcji z drugim użytkownikiem w wirtualnej

rzeczywistości.

Projekt obarczony był niskim ryzykiem niepowodzenia, aczkolwiek obwarowany był

wieloma czynnikami zewnętrznymi, takimi jak zgoda komisji biomedycznej na

przeprowadzenie badania, czy podpisanie zgody na przeprowadzenie badania przez

wystarczającą grupę osób do próby statystycznej. W przyszłości projekt będzie rozwijany pod

kątem docelowej rehabilitacji pacjentów. Jego zadaniem będzie prowokowanie zawrotów

głowy przy pomocy użytych dotychczas elementów środowiska celem tworzenia alernatywy

dla terapii habituacyjnej.

44

Spis ilustracji

Rys. 1-1 - Patent Mortona Heiliga pierwszego wyświetlacza HMD, 1960 rok. ........................ 8 Rys. 1-2 - Heurystyczny model kontroli motorycznej i powstawania zaburzeń według teorii

konfliktu sensorycznego. .......................................................................................................... 10 Rys. 1-3 - Ten przykład pokazuje prawidłową poświatę HDR utworzoną przez efekt Bloom.

W tej scenie Bloom wykorzystuje próg 1,0 wskazujący, że tylko refleksy HDR, podświetlenia

lub powierzchnie emisyjne świecą, ale na ogół nie ma wpływu na powszechne oświetlenie. W

tym konkretnym przykładzie świeci tylko okno samochodu (z odbiciem wartości słońca

HDR). ....................................................................................................................................... 13 Rys. 1-4 - Oto ta sama scena pokazana bez efektu Bloom . Korzystanie z Blooma może

dodawać realizmu do twoich scen. ........................................................................................... 13 Rys. 1-5 - Przykład pokazujący wyniki anamorficznych soczewek w wyniku efektu Bloom. 14 Rys. 1-6 - Scena z wykorzystaniem efektu winiety. ................................................................ 14

Rys. 1-7 - Scena bez wykorzystania efektu winiety. ................................................................ 15 Rys. 1-8 - Scena z wykorzystaniem efektu ziarna. .................................................................. 15

Rys. 1-9 - Scena bez wykorzystania efektu ziarna. .................................................................. 16 Rys. 1-10 - Efekt Motion Blur zastosowany do obracającej się sceny. ................................... 16 Rys. 1-11 - Wersja tego efektu w wersji DirectX11 może tworzyć ładnie zdefiniowane

kształty bokeh przy bardzo rozsądnych kosztach. ................................................................... 17

Rys. 1-12 - Płynne przejścia są możliwe dzięki wersji DX11 o wysokiej rozdzielczości (choć

przy wysokich kosztach wydajności). ...................................................................................... 18 Rys. 1-13 - Ze względu na charakter standardowego podejścia do pobierania tekstury

DiscBlur, maksymalny promień rozmycia jest ograniczony, zanim pojawią się artefakty

próbkowania. Możliwe są również tylko sferyczne kształty Bokeh. ....................................... 18

Rys. 1-14 - Przykład z małą odległością Max Blur. ................................................................. 19 Rys. 1-15 - Przykład z dużą odległością Max Blur. ................................................................. 19 Rys. 2-1 - Schemat kontrolera HTC Vive dla użytkownika. Poszczególne oznaczenia

reprezentują następująco: 1 – przycisk menu, 2 – touchpad, 3 – przycisk systemowy, 4 –

lampa stanu, 5 – gniazdo USB, 6 – sensory do namierzania, 7 – spust, 8 – przycisk uchwytu.

.................................................................................................................................................. 23 Rys. 2-2 – Przebieg badania posturograficznego na grupie badawczej. .................................. 25

Rys. 2-3 - Schemat zestawu do badania posturograficznego. .................................................. 26 Rys. 2-4 - Wzór kwestionariusza choroby symulatorowej (SSQ) ........................................... 30

Rys. 2-5 - Zrzut ekranu ze skali samopoczucia ........................................................................ 32 Rys. 3-1 - przykładowy wynik badania stabilograficznego dla dwóch etapów badania. ......... 38 Rys. 3-2 - Powiększenie przebiegu pola pierwszego badania stabilograficznego z rysunku 3.1.

Widać oznaczenia osi x i y operujących na milimetrach ......................................................... 39 Rys. 3-3 - Powiększenie wykresu przyrostu pola pierwszego badania stabilograficznego w

czasie z ryzunku 3.1. Widać oznaczenia osi t jako reprezentacja czasu w sekundach oraz osi V

jako pola w mm2 ....................................................................................................................... 40

45

Bibliografia

[1] Marcin Koziński, „Proces adaptacji jednostki do rzeczywistości wirtualnej i środowiska

3D”, Rocznik Kognitywistyczny 9/2016, s. 1–11 strony 1-2

[2] Marcin Koziński, „Proces adaptacji jednostki do rzeczywistości wirtualnej i środowiska

3D”, Rocznik Kognitywistyczny 9/2016, s. 1–11 strony 2-3

[3] Pardel, Przemysław. "Przegląd ważniejszych zagadnień rozszerzonej rzeczywistości."

Studia Informatica 30.1 (2009): 82. strony 41-42

[4] ''A Critical History of Computer Graphics and Animation'', Wayne Carlson, The Ohio

State Universi-ty, http://accad.osu.edu/~waynec/history

[5] Benson, Alan J., and FRAeS CuB. "Motion sickness." Medical aspects of harsh

environments (1992): 1059-1094.

[6] LaViola Jr, Joseph J. "A discussion of cybersickness in virtual environments." ACM

SIGCHI Bulletin 32.1 (2000): 47-56.

[7] Tanaka, Nobuhisa, and Hideyuki Takagi. "Virtual reality environment design of

managing both presence and virtual reality sickness." Journal of physiological

anthropology and applied human science 23.6 (2004): 313-317.

[8] Lin, JJ-W., et al. "Effects of field of view on presence, enjoyment, memory, and

simulator sickness in a virtual environment." Virtual Reality, 2002. Proceedings. IEEE.

IEEE, 2002.

[9] Akiduki, Hironori, et al. "Visual-vestibular conflict induced by virtual reality in

humans." Neuroscience letters 340.3 (2003): 197-200.

[10] National Research Council. Virtual reality: Scientific and technological challenges.

National Academies Press, 1994

[11] Lu, Dongsheng. "Virtual Reality sickness during immersion: An investigation of

potential obstacles towards general accessibility of VR technology." (2016).

[12] Jerald, Jason. The VR book: Human-centered design for virtual reality. Morgan &

Claypool, 2015.

[13] Kennedy, Robert S., et al. "Simulator sickness questionnaire: An enhanced method for

quantifying simulator sickness." The international journal of aviation psychology 3.3

(1993): 203-220.

[14] LaViola Jr, Joseph J. "A discussion of cybersickness in virtual environments." ACM

SIGCHI Bulletin 32.1 (2000): 47-56

[15] Justin Popa , "OCULUS RIFT: DK1 VS DK2", IN2GPU August 11, 2014,

http://in2gpu.com/2014/08/10/oculus-rift-dk1-vs-dk2/ strona odwiedzona 15.06.2018

[16] Autor nieznany, “HTC Vive,oculus rift,Virtual Reality”, Digital Trends April 4, 2018,

https://www.digitaltrends.com/virtual-reality/oculus-rift-vs-htc-vive/ strona odwiedzona

15.06.2018

[17] Autor nieznany, „Spec Comparison: Can the plucky PlayStation VR upset HTC’s

Vive?”, Digital Trends March 18, 2016, https://www.digitaltrends.com/virtual-

reality/playstation-vr-vs-htc-vive-spec-comparison/ strona odwiedzona 15.06.2018

[18] Autor nieznany, „Oculus Rift”, Xinreality, March 28, 2016

https://xinreality.com/wiki/Oculus_Rift strona odwiedzona 15.06.2018

[19] Unity Technologies, „Bloom”, 5.5-001G 2017-03-29,

https://docs.unity3d.com/550/Documentation/Manual/script-Bloom.html strona

odwiedzona 15.06.2018

[20] Unity Technologies, „Vignette”, 2018.1-002E. Built: 2018-06-11,

https://docs.unity3d.com/Manual/PostProcessing-Vignette.html strona odwiedzona

15.06.2018

http://accad.osu.edu/~waynec/history

http://in2gpu.com/2014/08/10/oculus-rift-dk1-vs-dk2/

https://www.digitaltrends.com/virtual-reality/oculus-rift-vs-htc-vive/

https://www.digitaltrends.com/virtual-reality/playstation-vr-vs-htc-vive-spec-comparison/

https://www.digitaltrends.com/virtual-reality/playstation-vr-vs-htc-vive-spec-comparison/

https://xinreality.com/wiki/Oculus_Rift

https://docs.unity3d.com/550/Documentation/Manual/script-Bloom.html

https://docs.unity3d.com/Manual/PostProcessing-Vignette.html

46

[21] Unity Technologies, „Grain”, 2018.1-002E. Built: 2018-06-11,

https://docs.unity3d.com/Manual/PostProcessing-Grain.html strona odwiedzona

15.06.2018

[22] Unity Technologies, „Motion Blur”, 5.4-X,

https://docs.unity3d.com/540/Documentation/Manual/script-MotionBlur.html strona


[23] Unity Technologies, „Depth of Field”, 5.4-X

https://docs.unity3d.com/540/Documentation/Manual/script-DepthOfField.html strona


[24] Unity Technologies, „The world’s leading content-creation engine”,

https://unity3d.com/unity strona odwiedzona 15.06.2018

[25] Unity Technologies, „Input for OpenVR controllers”, 2018.1-002E. Built: 2018-06-11

https://docs.unity3d.com/Manual/OpenVRControllers.html strona odwiedzona

15.06.2018

https://docs.unity3d.com/Manual/PostProcessing-Grain.html

https://docs.unity3d.com/540/Documentation/Manual/script-MotionBlur.html

https://docs.unity3d.com/540/Documentation/Manual/script-DepthOfField.html

https://docs.unity3d.com/Manual/OpenVRControllers.html

47

Załączniki

Dokumenty dla pacjenta:

Praca dyplomowa - magisterskakopel/mgr/2018.06_mgr_Winkler.pdf · Do wykonania pracy wykorzystano...

Documents

Transcript of Praca dyplomowa - magisterskakopel/mgr/2018.06_mgr_Winkler.pdf · Do wykonania pracy wykorzystano...