Locomotion toward a Perceived Target in Virtual Reality: Effect of Incompatibility between Visual and Vestibular Information

Abstract

To successfully move toward a goal, humans construct and update internal representations based on sensory information about their movement. This intricate process heavily relies on internal cues, particularly optic flow, the pattern of motion on the retina, as well as rotational and linear acceleration information obtained through the vestibular system. In addition to these internal cues, humans utilize external cues to understand the external world, thereby enabling more accurate navigation behaviors. This study investigated the utilization of internal cues in updating internal representations and explored the possible role of external cues when inconsistency arises among these internal cues. In this study, participants were engaged in a target-oriented walking task covering a distance of 5 meters in a virtual reality environment. A total of 10 experimental conditions were created based on three factors: head directions (0°, left 30°, right 30°), prism rotations (no prism, left 30°, right 30°), and the presence or absence of visual information. First, an analysis was conducted to assess the impact of these factors on overall movement parameters and walking trajectories. Next, comparisons were made between walking trajectories when visual cues and vestibular cues were consistent or inconsistent. The findings of this study revealed a significant effect of prism rotation on walking distance, time, speed, and lateral deviation in trajectory, suggesting that inconsistency between vestibular and visual cues leads to different walking patterns than when the two cues align. Furthermore, the results showed that neither cue dominated over the other when the cues were incompatible. Instead, there is a possible influence of an external visual cue, particularly the perceived location of the target. These findings were expected to contribute to the research on the utilization of sensory information in spatial perception. Moreover, this study was anticipated to lead to future research on helping spatial perception in patients who have difficulty integrating sensory information to build an internal representation and research on reducing the problem of cybersickness in virtual reality due to sensory discrepancies.

목표를 향해 성공적으로 이동하기 위해 인간은 움직임에 대한 감각 정보를 기반으로 내부 표상을 구축하고 이를 지속적으로 갱신한다. 인간은 내부 단서에 의존하여 내부 표상을 수정하는데, 이는 일반적으로 망막에 맺히는 움직임 패턴인 광학 흐름과 전정 기관을 통해 감지된 회전 및 선형 가속도 정보를 기반으로 이루어진다. 이러한 내부 단서 외에도 인간은 외부 단서를 활용하여 외부 환경에 대해 이해하며, 이를 통해 공간 상에서 정확하게 이동할 수 있다. 본 연구에서는 내부 단서가 내부 표상을 갱신하는 데 어떻게 활용되는지, 더 나아가 내부 단서가 서로 상충될 때 외부 단서가 어떻게 활용되는지를 조사하였다. 이를 위해, 본 연구에서 참여자들은 가상현실 환경에서 5 미터의 목표 지향적 보행 과제에 참여하였다. 총 10개의 실험 조건은 머리 방향(0°, 좌 30°, 우 30°), 프리즘 회전(0°, 좌 30°, 우 30°), 시각 정보의 유무를 토대로 만들어졌다. 해당 요인들이 전반적인 움직임과 보행 궤적에 미치는 영향을 분석하였고, 시각 단서와 전정 단서가 일치하거나 일치하지 않을 때의 보행 궤적을 비교하였다. 본 연구 결과, 프리즘 회전이 보행 거리, 시간, 속도 및 궤적의 치우침에 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 전정 단서와 시각 단서가 서로 상충된 경우에는 둘 중 어느 단서도 특별히 우세하지 않은 것으로 나타났다. 그 대신, 목표물의 지각된 위치인 외부 시각 단서의 영향이 존재함을 확인하였다. 본 연구 결과를 통해 공간 지각에서의 감각 정보 활용 양상을 설명하였다. 더불어, 본 연구는 감각 정보 통합에 어려움을 겪는 환자들의 공간 지각 재활을 위한 후속 연구와 감각 정보 간의 불일치로 인해 발생하는 가상현실의 사이버멀미 저감을 위한 후속 연구로 이어질 것으로 예상된다.