Development of a quantitative evaluation system for visuo-motor control in three-dimensional virtual reality space

doi:10.1038/s41598-018-31758-y

.2018年9月7日；8(1):13439.

doi:10.1038/s41598-018-31758-y。

三维虚拟现实空间中视觉运动控制定量评价系统的开发

Woong Choi先生¹, 李宗浩（Jongho Lee）², 柳原直树^三, 梁莉⁴, Jaehyo Kim先生⁵

附属公司

¹日本前桥市群马学院国立技术学院信息与计算机工程系，邮编：371-8530。wchoi@ice.gunman-ct.ac.jp。
²小松大学临床工程系，小松，923-8511，日本。
^三筑波大学系统与信息工程系计算机科学研究生院，筑波，305-8577，日本。
⁴日立大学信息科学与工程学院，Kusatsu，525-8577，日本。
⁵韩国浦项市汉东环球大学机械与控制工程系，邮编37554。

PMID： 30194427
预防性维修识别码： PMC6128926型
内政部： 10.1038/s41598-018-31758年

三维虚拟现实空间中视觉运动控制定量评价系统的开发

Woong Choi公司等。科学代表. 2018.

.2018年9月7日；8(1):13439.

doi:10.1038/s41598-018-31758-y。

作者

Woong Choi先生¹, 李宗浩（Jongho Lee）², 柳原直树^三, 梁莉⁴, Jaehyo Kim先生⁵

附属公司

¹日本前桥市群马学院国立技术学院信息与计算机工程系，邮编：371-8530。wchoi@ice.gunma-ct.ac.jp。
²小松大学临床工程系，小松，923-8511，日本。
^三筑波大学系统与信息工程系计算机科学研究生院，筑波，305-8577，日本。
⁴日立大学信息科学与工程学院，Kusatsu，525-8577，日本。
⁵韩国浦项市汉东环球大学机械与控制工程系，邮编37554。

PMID： 30194427
预防性维修识别码： PMC6128926型
内政部： 10.1038/s41598-018-31758年

摘要

通过观察和模拟人体运动来学习人体运动和运动控制机制的过程是基于三维空间中的视觉运动控制。然而，以往关于三维空间视觉运动控制的研究主要集中在利用单关节或多关节运动分析沿一维直线或二维平面的跟踪任务。因此，在本研究中，我们开发了一种基于虚拟现实（VR）环境的三维空间视觉运动控制定量评估新系统。我们提出的系统旨在以毫米级精度分析VR空间中正面和矢状面上的圆形跟踪运动。特别是，我们比较了单目和双目视觉条件下的圆形跟踪运动。结果表明，在正面和矢状面上，单目视觉的圆形跟踪运动的精度比双目视觉下降了约4.5倍。我们还发现，在单目和双目视觉中，仅在X轴的精确度方面，额面和矢状面之间可以观察到显著差异。

PubMed免责声明

利益冲突声明

作者声明没有相互竞争的利益。

数字

图1
实验装置。(A类)一个真实的人类用户在实验期间使用了该系统。(B类)实验任务期间在HMD上显示。在虚拟现实空间中，受试者使用示踪剂追踪目标，目标沿顺时针方向循环移动。(C)头盔显示器控制器与虚拟现实中虚拟跟踪器和虚拟棒的关系。(D类)虚拟现实系统的配置。

图2
在3D VR空间中执行的圆形跟踪运动的典型示例。(A类)正面上的圆形跟踪运动(*旋转（0）*条件）。(B类)矢状面上的圆形跟踪运动(*旋转（90）*条件）。对于A和B，上面的图形是单目视觉下的圆形跟踪运动，下面的图形是双目视觉下圆形跟踪运动。对于所有轨迹，三个图形显示了实验任务中受试者眼睛的前方（左图）、上方（中心图）和侧面（右图）的目标路径（绿线）和示踪路径（黑线）。

图3
基于VR空间误差的圆形跟踪运动评估。(A类)单目和双目视觉在前平面圆周追踪运动中的差异(*旋转（0）*条件）。(B类)单目和双目视觉在矢状面上圆周追踪运动中的差异(*旋转（90）*条件）。对于A和B，请注意单目视觉和双目视觉之间误差的显著差异。(C)单目视觉分析结果(*旋转（0）*条件）。(D类)双目视觉分析结果(*旋转（0）*条件）。(E类)单目和双目视觉的比较(*旋转（0）*条件）。(F类)单目视觉分析结果(*旋转（90）*条件）。(**G公司**)双目视觉分析结果(*旋转（90）*条件）。(**H（H）**)单目和双目视觉的比较(*旋转（90）*条件）。

图4
正面圆周跟踪运动的比较(*旋转（0）*)和矢状面上的圆形追踪运动(*旋转（90）*)基于三维坐标各轴上的误差。(A类)单目视觉分析结果。(B类)双目视觉分析结果。注意，对于单目和双目视觉，不同平面上的两个跟踪运动在X轴方向上存在显著差异。

图5
实验程序。(A类)为了初始化目标Y轴的位置，测量被摄体下巴的位置。为了初始化目标的X轴和Z轴位置，系统测量对象手的拉伸位置。(B类)正面圆形跟踪实验程序(*ROT（0）条件*). 顶部插图说明了HMD上人体正面的圆形跟踪实验(*旋转（0）*（见图2-5）。(C)矢状面上的圆形跟踪实验程序(*ROT（90）条件*). 顶部插图显示了HMD上人体矢状面上的圆形跟踪实验(*旋转（90）*（见图2-5）。对于B和C，绿线表示三维VR空间中的目标路径。换言之，第二个轨迹中的三个图形显示了实验任务中受试者眼睛的前方（左图）、上方（中心图）和侧面（右图）的目标路径。然而，在实验任务期间没有显示目标路径。此外，底部三条轨迹表示时间序列上圆形跟踪运动的每个轴上的目标路径（绿线）和跟踪路径（黑线）。

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