虚拟现实环境中人类观察者的受控旋转
2022年4月21日
人类观察者的受控物理旋转对于某些实验，娱乐和教育应用是可取的。本文概述了将办公室转椅转换为在虚拟现实环境中进行受控物理旋转的介质的方法。
当你在世界上移动时，你会得到关于你和你周围的物体如何移动的视觉和前庭信号。此设置允许您独立操作这些信号。这是一种经济实惠的方式，可以使用像办公椅这样随时可用的部件在沉浸式视听环境中控制人员的运动。
我对整个椅子系统的建议是，在正确组装任何东西之前，让电子设备和电机按照你想要的方式工作。首先使用USB电缆将Arduino板连接到计算机。在工具下拉菜单下，选择 Arduino 板连接到的端口。
然后选择相应的主板，然后选择处理器。确保它与实际的主板和处理器匹配。在这里，可以粘贴提供的示例Arduino代码。
验证并保存 Arduino 代码。然后，使用上传按钮将其上传到Arduino板。插入并打开电气子系统。
然后，将小拨动开关轻拂到小LED指示灯亮起的位置，并转动电位计拨盘以确保其控制椅子的速度和方向。椅子的速度和方向应随电位计位置而变化。接下来，打开新的或现有的 Unity 项目。
要导入 SteamVR 插件，首先，请确保您已登录到您的 Unity 帐户。然后，单击窗口和资源商店以在 Web 浏览器中打开资源商店。搜索 SteamVR。
选择SteamVR插件，然后单击，添加到我的资产。返回 Unity，选择窗口选项卡下的包管理器。选择我的资产。
然后，单击 SteamVR 下的导入，然后按照提示完成导入。单击"全部接受"以进行配置更改，然后按照提示操作。在检查器屏幕上的项目窗口中查找名为 SteamVR 的新资源。
展开 SteamVR 资源文件夹，然后展开预制件。将摄像机装备资产拖到层次结构窗口中，以允许在游戏中使用 VR 头戴式设备和控制器。从层次结构或场景中移除默认主摄像头，因为它会干扰 SteamVR 摄像头。
接下来，使用与SteamVR相同的过程搜索Ardity插件。接下来，创建实验所需的对象。为此，请单击游戏对象并选择3D对象。
例如，下面是一个名为 background 的平面，它位于相机视图的背景中。背景可以锁定到相对于头戴式显示器的位置。要向场景添加功能，请单击检查器窗口中的添加组件按钮，然后选择新脚本。
调用脚本，设置试用版。此处的默认代码应替换为提供的安装试用版文件中的代码。这是使椅子正确移动所需的最低代码。
返回 Unity。新的安装试用脚本现在已附加到后台对象。在项目窗口中的 assets 文件夹下，打开 Ardity 文件夹，然后打开 scripts 文件夹。
将串行控制器脚本拖到层次结构窗口中的后台游戏对象中。向下滚动检查器窗口中的组件列表以找到串行控制器脚本。确保端口名称和板费率与 Arduino 程序的端口名称和板费率匹配。
将背景对象从层次结构窗口拖到输入框中，在检查器窗口中消息侦听器旁边。单击检查器窗口底部的添加组件，然后选择新脚本。名称，新的脚本椅子控制器。
提供的椅子控制器脚本可以粘贴到此文件中。至少需要一个函数，将用户操作转换为介于 0 和 1， 023 之间的数字。然后，使用串口控制器点发送串口消息功能将号码发送到Arduino，并保存脚本。
返回 Unity，将头戴式显示对象从层次结构窗口拖动到头顶旁边的输入框中。然后，将右侧控制器对象拖动到手边的输入框中。在检查器窗口中向下滚动以查找设置试用脚本公共变量。
根据示例代码输入类型，三个用于VR控制器，四个用于鼠标控制。在这里，正在选择VR控制器。关闭 SteamVR 应用程序后，当您首次在 Unity 中按下播放按钮时，您将收到与 SteamVR 操作相关的错误消息。
按照提示配置 SteamVR 操作。关闭设置窗口并处理来自 SteamVR 的任何其他提示。最后，按下播放按钮开始VR体验。
通过这些设置，用户可以使用VR控制器旋转椅子。这里显示了观察者在实验过程中的行为以及由此产生的椅子和场景变化的示意图。在同余条件下，如果观察者将控制器向左移动，椅子也会向左移动，视觉背景也会向相反的方向移动，就好像它是一个静止的场景，人正在旋转。
在不协调的情况下，椅子向相反方向移动，使椅子运动与视觉背景运动不一致。这里显示的是视觉显示的刺激区域的屏幕截图。小图案的补丁一直保持在原地，但它们内部的图案移动，就好像每个补丁都是一个窗口，进入较大的移动物体。
位于戒指上的补丁构成了目标，其他补丁构成了背景。在此示例视频中，目标垂直向上移动，背景向右移动。移动的背景在目标中产生向左运动的错觉，使其看起来向上移动，并向左移动。
这种虚幻的向左运动被称为诱导运动。目标环的视角半径为5度，背景区域俯冲20度20度。在一致和不余余运动条件下，感应运动效应的强度由参数 beta 的值表示。
代表性图像显示了在一致和不一致条件下每个观察者的平均β值。正如预期的那样，如果观察者假设背景运动是由他们自己在静止世界中的运动引起的，那么同余条件的平均β值接近于1。除一个观察者外，所有观察者的β值在不协调的椅子运动条件下都降低了。
此数据表明，将视觉背景运动视为由观察者的物理运动引起的可能性降低。您要确保您的椅子滑轮和电机皮带轮对齐非常好，并且皮带张力良好。皮带上有一点点弯曲，但并不多。
您可以使用头戴式设备控制视觉和听觉提示，然后可以单独进行电机控制或脚部驱动的身体运动。有很多东西可以玩。
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概述
本文概述了一种将办公旋转椅转换为虚拟现实环境中受控物理旋转的方法。该设置允许独立操纵视觉和前庭信号，增强沉浸式体验。
关键研究组成部分
科学领域
- 虚拟现实
- 人类运动
- 实验设计
背景
- 受控物理旋转对各种应用有益。
- 视觉和前庭信号对沉浸式体验至关重要。
- 可以使用经济实惠的组件创建有效的设置。
- 办公椅可以重新用于实验用途。
研究目的
- 提供一种在虚拟环境中进行受控移动的方法。
- 通过独立信号操纵增强沉浸式体验。
- 利用现成材料进行实验设置。
使用的方法
- 将办公旋转椅转换为旋转装置。
- 使用Arduino板进行电子控制。
- 将Arduino连接到计算机进行编程。
- 在最终组装之前测试电子元件。
主要结果
- 成功操纵视觉和前庭信号。
- 证明了使用办公椅进行受控旋转的可行性。
- 为沉浸式环境提供了一种经济有效的解决方案。
- 概述了有效设置系统的步骤。
结论
- 该方法允许在虚拟现实设置中增强控制。
- 使用常见材料可以降低实验设置的成本。
- 独立信号操纵可以改善用户体验。
常见问题
Executive Industry Relevance
Controlled rotation of human observers in a virtual reality environment enables precise manipulation of multisensory integration, supporting advanced studies of perception and behavior under immersive conditions. This capability is strategically relevant for biopharma R&D teams seeking to model human sensory processing, de-risk translational neuroscience hypotheses, and validate targets related to vestibular and visual integration. The method's accessibility and reproducibility position it as a reusable platform for early discovery and mechanistic de-risking in neurobehavioral research portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables hypothesis-driven interrogation of multisensory integration mechanisms relevant to CNS target validation.
- Supports functional de-risking of candidate pathways by isolating visual and vestibular contributions to perception.
- Facilitates predictive confidence in translational models of sensory processing disorders.
Screening & Assay Development
- Provides a standardized, reproducible system for generating quantitative behavioral outputs in immersive environments.
- Prepares validated experimental conditions for downstream compound or intervention screening.
- Enables reliable assessment of sensory integration phenotypes for assay development.
Translational & Preclinical Research
- Aligns experimental outputs with disease-relevant sensory processing endpoints for translational continuity.
- Supports risk-adjusted advancement of neurobehavioral models from discovery to preclinical validation.
- Offers mechanistic de-risking for interventions targeting multisensory integration pathways.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling controlled manipulation and measurement of sensory integration, supporting both early hypothesis testing and translational model validation.
- Discovery Biology: Facilitates independent testing of visual and vestibular signal contributions to behavioral outcomes.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative dependent variable measurements for cross-condition comparisons.
- Analytics: Provides statistical outputs (e.g., beta parameter) to quantify integration effects and inform decision points.
- Translational Research: Bridges discovery findings to preclinical models of sensory processing disorders.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular, cost-effective platform adaptable across neurobehavioral research programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in sensory integration studies.
- Operational Value: Standardizes experimental conditions and enhances reproducibility across teams.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for CNS target portfolios and reduces late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of neurobehavioral targets and models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in VR system integration, Arduino programming, and behavioral experiment design.
- Needs access to VR hardware, motorized chair components, and compatible software (Unity, SteamVR, Ardity).
- Demands cross-team standardization of hardware calibration and software configuration.
- Adaptable to various sensory integration paradigms but may require protocol-specific adjustments.
- Physical setup and alignment of chair and motor components are critical for reliable operation.
