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ISSN : 1229-6457(Print)
ISSN : 2466-040X(Online)
The Korean Journal of Vision Science Vol.26 No.4 pp.295-304
DOI : https://doi.org/10.17337/JMBI.2024.26.4.295

The Relationship between Motion Sickness Susceptibility and Cybersickness by Vection in Virtual Reality

In-Sun Park1,2), Jung Un Jang2)
1)Dept. of Optometry, Graduate School, Eulji University, Student, Uijeongbu
2)Dept. of Optometry, Eulji University, Professor, Seongnam
* Address reprint requests to Jung Un Jang (https://orcid.org/0000-0002-2475-315X) Dept. of Optometry, Eulji University, Seongnam TEL: +82-31-740-7491, E-mail: jju@eulji.ac.kr
November 22, 2024 December 23, 2024 December 24, 2024

Abstract


Purpose : This study aims to determine whether susceptibility to motion sickness correlates with the experienced of cyber sickness while using HMD VR.



Methods : A total of 52 healthy young adult males and females completed the Motion sickness susceptibility questionnaire, which assesses susceptibility to motion sickness on a ride before using VR content. We selected two VR contents separated by optical flow elements to be used by the subjects, and measured cyber sickness before and after using the VR contents using the simulator sickness questionnaire (SSQ), a universally used questionnaire to assess cyber sickness. A correlation analysis was conducted between the cyber sickness experienced during the VR content and the subjects' susceptibility to motion sickness.



Results : In the correlation analysis of cyber sickness and motion sickness susceptibility after using VR content A and B, the SSQ factors of content A were significantly correlated with nausea and disorientation. Among them, the nausea factor was significantly correlated with childhood before the age of 12, adult life in the last 10 years, and all motion sickness susceptibility items. Content B, on the other hand, showed no significant correlations across all items.



Conclusion : Cyber motion sickness from using VR content is more likely to occur when there are many screen components that give users the illusion of self-motion. In both content types, foreground movement is used to gauge the speed and direction of the player's movement as they progress through the game, and correlations with existing motion sickness sensitivity were found in content types where there was a mismatch between the user's usual postural movements and the expected postural movements in the VR environment. To analyze this and further reduce cybersickness, it is necessary to limit excessive vection, such as making the visual screen components of VR content similar to the user's usual movement patterns.


Cyber sickness , Optic flow , Virtual reality , Motion sickness susceptibility

가상현실에서 Vection에 의한 사이버 멀미와 멀미 민감성의 상관관계

박인선1,2), 장정운2)
1)을지대학교 대학원 안경광학과, 학생, 의정부
2)을지대학교 안경광학과, 교수, 성남

    Ⅰ. 서 론

    HMD VR은 머리에 착용하여 사용하는 가상현실 하드웨어로 눈앞에 두 개의 디스플레이를 위치시켜 원근감을 구성하는 원리로 작동한다.1,2) 가상현실, 즉 컴퓨터로 재현한 실제와 유사한 환경을 충실하게 재현하기 위해서는 렌더링에 필요한 하드웨어의 높은 성능이 뒷받침되어야 한다. 사이버 멀미 분석에 언급된 하드웨어의 특성으로는 디스플레이 타입,3,4) 시야각,5,6) 시간 지연,5,7) 플리 커 현상7) 등을 주로 보고 있다. 가상현실을 더욱 실제와 같이 재현하기 위해 모니터, 3D 디스플레이에 이어 머리에 착용하는 HMD VR까지 여러 종류의 디스플레이가 개발되고 있으며 이러한 디스플레이는 3차원 입체 영상을 구현하여 높은 몰입감을 제공하는 특징이 있다. 영상 렌더링을 통해 제작된 3D 영상을 재생하는 과정에서 모니터 디스플레이의 입-출력 반응 시간 차를 의미하는 시간 지연과, 깜빡임(flicker)의 발생은 실제 사람의 눈과 뇌의 반응에 비해 반응속도가 떨어져 몰입감과 불편감에 영향을 준다.7,8) 시야 범위는 대부분 연구에서 영상 시야 범위(Content FOV)와 하드웨어의 시야 범위 (hardware FOV)를 크게 구분하지 않고 사용하였는데, 일반적으로 영상 시야 범위가 적정한 수준으로 감소되었을 때, 그리고 감소된 영상 시야 범위와 하드웨어의 시야 범위 일치하는 조건에서 더 적은 멀미를 느끼는 것으로 보고되었다.5,9) HMD VR은 두 개의 디스플레이로 원근감을 구성하는데, 실제 눈의 버전스와 조절이 작용하는 방식과 달라 안정피로와 유발된 입체감으로 인한 멀미 증상을 유발할 수 있다.10,11) 이러한 하드웨어의 특성상 사용자의 양안시 기능이 HMD VR을 사용할 때 발생하는 사이버 멀미에 영향을 줄 것으로 예상하였으나 양안시 기능보다는 VR 콘텐츠를 구성하는 vection이 멀미에 미치는 영향이 더 큰 경향을 보였다.12) HMD VR을 사용한 훈련 및 멀미 저감을 위한 선행 연구들은 훈련 시 발생할 수 있는 부작용을 최소화하기 위해 HMD VR 사용으로 인해 발생하는 멀미, 즉 시각적으로 유도된 멀미의 원인을 파악하고자 하였다.13-16) Chang은14) 운전 경험이 있는 사람과 그렇지 않은 사람의 신체 움직임과 멀미에 미치는 영향에 관해 연구하였으며 사이버 멀미와 실제 운전 경험이 직접적인 연관은 없었지만, 시각적으로 유도된 멀미의 자세적 전조를 확인하였다. 또한 자세적 전조는 운전 경험이 있는 참가자와 그렇지 않은 참가자들 간에 차이가 있었으며, 이는 사이버 멀미가 경험에 기반한 자세 움직임과 관련이 있다는 것을 시사한다. Pettijohn는16) 움직임 기반 모의 사격 훈련 시 발생하는 뱃멀미와 자세 불안정성에 관한 연구에서 해상 작전을 중점적으로 분석하기 위해 플랫폼에서 적 함대를 향해 사격하는 시뮬레이션을 수행하였으며 참가자들의 자세 안정성과 멀미, 그리고 사격 성능에 직접적인 영향은 없는 것으로 확인하였다. 또한, Pettijohn은 이전 연구에서도 자세 불안정성이 멀미 증상과 영향이 없다는 결과를 언급하며 자세 불안정성과 멀미 증상이 상호 독립적일 수 있음을 시사하였다.16) 앞선 선행 연구를 살펴 보았을 때, HMD VR을 착용했을 때 발생하는 멀미, 즉 시각적으로 유도된 멀미는 일반적인 멀미의 주요 원인이 일치하지는 않는 양상을 나타내는 것으로 보여진다. 일반 멀미는 시각기관과 전정기관의 불일치로 인해 발생하나 사이버 멀미는 신체의 움직임보다는 영상의 시각적 정보가 미치는 영향이 더 우세하다.7,17) 시각적으로 유도 된 멀미는 vection이 발생할 때 더 불편한 증상을 유발 한다.18) Vection은 시각적 전경이 움직이고 관찰자가 정지해 있을 때 관찰자가 경험하는 자기움직임 착각이며 이는 앞서 언급한 일반 멀미 motion sickness의 발생 기전과 유사한 면을 보인다.19-21) 이에 사이버 멀미와 멀미의 발생 메커니즘이 서로 다르지만, 정보 불일치로 인해 나타나는 멀미를 예측하기 위한 도구로 멀미 민감성 motion sickness susceptibility questionnaire 설문을 사용해왔다22-25). MSSQ는 평소 피험자가 일상생활에서 멀미를 어느 정도 겪는지 알아보기 위한 설문으로 만 12세 이전의 어린 시절 경험(A)과 최근 10년간 경험 (B)에 대해 답변하고 그 점수의 합으로 산출한다. MSSQ 점수가 높을수록 피험자는 멀미에 민감한 경향을 보인다.26)

    본 연구에서는 HMD VR 콘텐츠의 vection 요인에 따라 발생하는 SSQ 점수와 MSSQ 점수의 상관관계를 분석하여 HMD VR 콘텐츠의 vection 요인과 피험자의 기존 멀미 민감도의 관계를 파악하고자 한다.

    Ⅱ. 대상 및 방법

    1. 대상

    연구대상자는 본 연구에 참여를 희망하는 자로 연구의 목적과 검사 방법에 대하여 구두와 서면으로 충분히 설명한 후 동의를 얻고 검사를 진행하였으며, 건강한 성인 남녀 총 52명을 대상으로 진행하였다. 모든 검사과정과 규약은 기관생명윤리위원회의 승인을 받아 실시하였다.

    2. 방법

    1) 측정도구

    사이버 멀미를 측정하기 위해 Kennedy21)의 Simulator Sickness Questionnaire(SSQ)를 사용하였다. 설문 항목은 메스꺼움(nausea: 1, 6, 7, 8, 9, 15, 16), 안구 운동 불편(oculomotor disturbance: 1, 2, 3, 4, 5, 9, 11), 방향감각상실(disorientation: 5, 8, 10, 11, 12, 13, 14) 변인으로 이루어져 있으며 각 하위 척도 변인에 해당하는 문항에 대하여 가중치를 부여해 총점을 도출한다.

    피험자의 멀미 민감성을 측정하는 도구로는 Golding11) 의 motion sickness susceptibility questionnaire (MSSQ) 설문지를 사용하였다. 설문지의 구성은 9문항으로 만 12세 이전의 어린 시절 경험(TMSA)과 최근 10년간 성인 시절 경험(TMSB)을 구분하여 따로 작성하고, 각 항목당 멀미 빈도수에 대해 총 5점 척도로 평가하였다. MSSQ 총점은 TMSA와 TMSB의 합으로 이루어진다.

    2) HMD VR 장비와 VR 콘텐츠

    HMD VR 헤드셋은 단일 기기인 VIVE PRO(VIVE PRO, HTC Corporation, Taiwan)를 사용하였으며 하드웨어 요인을 통제하고자 하였다.

    본 연구에서는 상용화 되어 실제 판매 중인 1인칭 몰입형 VR 콘텐츠 중 Thief Simulator VR, Epic Roller Coasters를 선정해 사용하였다. Thief Simulator VR은 플레이어가 자발적으로 이동할 수 있으나 직접 이동 반경은 좁고 컨트롤러를 사용하여 간접적으로 이동하는 비율이 더 높다. 플레이어는 전경의 움직임을 통해 이동 속도를 파악할 수 있다. Epic Roller Coasters는 앉거나 서서 시청하는 360° 영상 콘텐츠로 롤러코스터에 탑승한 듯한 영상을 감상할 수 있다. 놀이기구에 탑승하는 콘텐츠로 정해진 반경을 벗어날 수 없으며 팔을 움직이는 것만 가능하다. 정해진 레일을 따라 달려 예측 가능성이 어느 정도 있으나 속도가 빨라지면 어렵다.

    3. 자료 분석

    본 연구에서 수집된 데이터를 IBM SPSS 20.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA) 프로그램을 이용하여 대상자의 일반적 특성과 측정 변수들에 대한 기술통계, 상관분 석을 실시하였다.

    구체적으로 멀미 민감성의 차이, 사이버 멀미 차이를 확인하기 위해 독립표본 T-검증을 실시하였다. 설문 요인 간의 관계성을 확인하기 위하여 상관분석을 실시하였다. 이에 대한 모든 분석의 통계적 유의 수준은 p<0.050로 설정하였다.

    Ⅲ. 결 과

    1. 실험 전 피검자의 멀미 민감성

    실험 전 MSSQ 설문으로 측정한 피검자의 멀미 민감성은 다음과 같았다.

    어린 시절 멀미 취약성은 7.33±6.2점(95% 신뢰구간: 5.74~9.11), 성인 시절 멀미 취약성은 6.46±5.44점 (95% 신뢰구간: 5.24~8.19), 어린 시절과 성인 시절 멀미 취약성 총점수는 13.79±10.82점(95% 신뢰구간: 11.23~ 17.06)으로 나타났으며 SSQ중 메스꺼움은 3.67±5.81점 (95% 신뢰구간: 2.09~5.25), 안구운동불편은 20.99± 21.89점(95% 신뢰구간: 15.04~26.94), 방향감각상실은 16.60±23.73점(95% 신뢰구간: 10.15~23.04), 메스꺼움, 안구운동 불편, 방향 감각상실의 전체 사이버 멀미 점수는 18.48±20.98점(95% 신뢰구간: 12.78~24.19) 이었다(Table 1).

    2. MSSQ 설문 요인 간 상관관계 분석

    멀미 민감성 설문의 요인 간 상관관계를 확인하기 위해 pearson 상관관계 분석(Pearson’s correlation analysis) 을 실시하였다.

    만 12세 이전의 어린시절 멀미 민감성은 최근 10년간 (r=0.707), 전체 멀미 민감성(r=0.936)와 모두 유의한 정(+)적 상관관계를 보였고 최근 10년간 성인 시절 멀미 민감성은 전체 멀미 민감성과 (r=0.912) 유의한 정(+)적 상관관계를 보였다(Table 2).

    3. SSQ 설문 요인 간 상관관계 분석

    대상자들의 SSQ 설문 요인 간 상관관계를 확인하기 위해 pearson 상관관계 분석(Pearson’s correlation analysis)을 실시하였다.

    SSQ 설문점수 중 메스꺼움은 안구운동불편(r=0.681), 방향감각상실(r=0.631), 전체 사이버 멀미(r=0.819)와 모두 유의한 정(+)적 상관관계를 보였다. 안구운동불편은 방향감각상실(r=0.850), 전체 사이버 멀미(r=0.962)와 유의한 정(+)적 상관관계를 보였다(Table 3).

    4. 콘텐츠 A 이용 후 사이버 멀미 점수

    콘텐츠 A를 30분간 이용 후 사이버 멀미 점수를 측정하기 위해 SSQ 설문을 진행하였으며 기술통계를 실시한 결과는 다음과 같다(Table 4). 메스꺼움 31.65±19.18점 (95% 신뢰구간: 26.43~36.86), 안구운동불편 66.03± 31.78점 (95% 신뢰구간: 57.39~74.67), 방향감각상실 144.02±86.02점(95% 신뢰구간:120.64~167.40), 전체 SSQ점수는 102.92±52.83점(95% 신뢰구간: 88.56~ 117.28)으로 나타났다.

    5. 콘텐츠 B 이용 후 사이버 멀미 점수

    콘텐츠 B를 30분간 이용 후 사이버 멀미 점수를 측정하기 위해 SSQ 설문을 진행하였으며 기술통계를 실시한 결과는 다음과 같다(Table 5). 메스꺼움 29.99±17.59점(95% 신뢰구간: 25.21~34.77), 안구운동불편 62.24± 35.41점(95% 신뢰구간: 52.62~71.87), 방향감각상실 144.29±80.46점(95% 신뢰구간:122.42~166.16), 전체 SSQ점수는 99.47±52.99점(95% 신뢰구간: 85.07~ 113.87)으로 나타났다.

    6. VR 콘텐츠 이용 후 멀미 민감성과 사이버 멀미 상관관계

    VR 콘텐츠 이용 후 멀미 민감성과 사이버 멀미 요인 간 상관관계를 확인하기 위해 pearson 상관관계 분석 (Pearson’s correlation analysis)을 실시하였다.

    VR 콘텐츠 중 A에서 SSQ 설문 점수 중 메스꺼움, 방향 감각상실에서 유의한 정(+)적 상관관계를 보였다. 그중 만 12세 이전 어린 시절은 메스꺼움(r=0.363), 방향감각상실 (r=0.367), 전체 사이버 멀미(r=0.372)와 유의한 정(+)적 상관관계를 보였으며 최근 10년간 성인 시절에서는 메스꺼움(r=0.306)에서 유의한 정(+)적 상관관계를 보였다. 전체 멀미 민감성은 메스꺼움(r=0.365), 방향감각상실 (r=0.318), 전체 사이버 멀미(r=0.347)와 유의한 정(+)적 상관관계를 보였다(Table 6).

    Ⅳ. 고 찰

    HMD VR 콘텐츠를 사용하며 발생하는 사이버 멀미와 피험자의 멀미 민감성의 상관관계를 살펴본 결과 콘텐츠에서 가상공간과 플레이어의 움직임 착각을 유발하는 vection이 많을 때 사이버 멀미가 크게 나타났다. 콘텐츠 중 직접 움직이는 이동 방식이 포함된 콘텐츠 A는 멀미 민감성과 유의한 상관관계를 보였다. 이는 가상공간과 플레이어의 움직임 착각을 모두 일으켜 피험자의 멀미 민감성, 특히 메스꺼움과 방향감각 상실에서 연관성이 높은 것으로 보인다.

    콘텐츠 A는 인 게임에서 플레이어가 게임을 진행하기 위해 직접 공간을 탐색하고, 몸을 움직여 이동해야 한다. 피험자가 착용한 VIVE PRO HMD VR은 컴퓨터와 유선으로 연결되어 있어 이동 반경에 제약이 있으므로 먼 거리는 컨트롤러를 사용해 이동해야 한다. 이러한 과정에서 피험자는 실제 이동하는 것 보다 감소된 신체 움직임을 보이게 되며, 이와 상반되는 화면의 전경 움직임은 피험 자에게 vection을 유발한다. 컨트롤러를 사용한 이동 방식은 속도를 섬세하게 조절하기 어려워 피험자 대부분이 실험 과정 중 걷거나 뛰는 장면에서 메스꺼운 증상과 구역감을 호소하였다. 이는 화면의 전경 움직임으로 인해 시각기관에서 지각하는 이동 속도와, 감소한 신체 움직임에서 지각된 몸 감각이 판이해 심한 멀미 증상을 보이는 것으로 추정된다. Chang14)의 연구에서 운전 경험 여부와 상관없이 사이버 멀미가 발생하였으나 운전 경험이 있는 참가자와 그렇지 않은 참가자들 간에 시각적으로 유도된 멀미의 자세적 전조(postural precursors of visually induced motion sickness)가 존재한다고 보고하였다. 이는 경험에 기반한 자세 움직임이 사이버 멀미와 관련이 있다는 것을 시사하며, 본 연구에서 평소 일상생활을 하며 걷거나 뛸 때의 자세 움직임과 VR 환경에서 화면을 보고 예측한 자세 움직임 차이가 있을 때 멀미가 발생한 것을 확인하였다. 그러나 자세 움직임과 연관된 선행 연구 중 자세 불안정에 관한 연구에서 Stoffregen30)은 개 인 경험의 차이가 자세 안정성을 갖는 데 중요한 역할을 한다고 보고하였으나, 반대로 자세 불안정과 멀미간 상관 관계가 없거나 개인의 편차가 커 객관적 척도로 사용하기 어렵다는 연구 결과도 보고되었다.31,32,33)

    또한 선행 연구에서 화면의 전경이 강제적으로 움직일 때, 그리고 직선 및 회선 운동을 하면 심한 사이버 멀미가 유발 되었는데22) 콘텐츠 B는 롤러코스터 영상을 시청하는 360° 영상 콘텐츠의 특성상 롤러코스터의 진행 방향과 레일이 있는 정면 위주 방향을 주시하게 된다. 속도가 느릴 때는 자세 움직임이 거의 없고, 이동 방향도 예측이 가능해 심한 멀미 증상이 나타나지 않지만, 롤러코스터의 속도가 빨라져 회선방향 운동 방향 예측이 어려워질 때 멀미 증상을 보고하는 경향을 보였다. Keshavarz27)의 선행 연구에서 1축보다 2축 이상 회선 운동이 가해졌을 때 더 높은 멀미 점수가 나타난 것과 일치하는 결과를 보였으며, 이는 회선 방향 움직임을 예측하고, 이에 적절한 자세 움직임을 보일 수 없어 이러한 결과가 나타난 것으로 보인다. 또한 두 콘텐츠의 FOV는 콘텐츠 A에서 최대 110°, 콘텐츠 B에서는 그보다 더 넓은 편인 약 120° 이상의 시야각을 가진다. Seay28)는 작은 FOV보다 높은 FOV에서 더 높은 SSQ 점수를 보였다고 하였으며 이는 본 연구와 일치하는 결과를 보인다. 기존 선행 연구에서도 영상 시야 범위가 감소 되었을 때 더 적은 멀미를 느낀다고 하였으며 플레이어가 인지하지 못하는 정도의 적은 수준으로 조절되었을 때도 비슷한 결과를 보였다.5,9,29) 두 콘텐츠에서도 멀미 저감을 위해 인게임 자체의 시야각을 감소시키거나, 시야각 감소(reduce FOV)를 위한 헬멧 착용 옵션을 제공한다.

    본 연구에서 사이버 멀미 설문 전체 점수는 콘텐츠 B에서 더 높게 나타났으며, 피험자의 멀미 민감성과 상관 관계를 보인 콘텐츠는 콘텐츠 A로 이는 가상공간뿐 아니라 피험자가 직접 움직이는 플레이어의 움직임 착각이 실제 멀미를 일으키는 전정기관 정보와 시각적 정보 불일치와 유사한 형태를 가져 정적인 상관관계가 나타난 것으로 보인다. 콘텐츠 B에서 전체 점수가 높게 나타난 것은 시각적 자극으로 인한 것으로 사료된다. 시청 콘텐츠 중 바닥 패턴에 고대비 체커보드(high-contrast checkerboard pattern)을 사용한 콘텐츠에서 공통적으로 메스꺼운 증상을 보고하였는데, 이는 시유발전위(Visual evoked potentials) 검사에서 사용하는 흑백 바둑판무늬 반전 (black-and-white checkerboard pattern reversal)과 유사한 이미지로, 단순한 흑백 이미지 반전으로 시각적 자극을 유발해 빠른 자극 반응(stimulus presentation is faster)을 확인할 수 있는 패턴이다.34,35) 또한 롤러코스터를 탑승하는 영상인 만큼 2축 이상 회선 운동이 반복적으로 나타나 더 큰 멀미 점수가 나타난 것으로 보인다.

    본 연구에서는 이와 같은 결과를 토대로 피험자가 시청하는 콘텐츠에서 시각 자극을 유발할 수 있는 광학 흐름 요소가 멀미와 더 연관성이 있다고 판단하였다. 이와 관련한 인과관계를 구체적으로 확인하기 위해 콘텐츠의 멀미 유발 요소와 실제 멀미 유발 요소에 대한 상관관계에 관한 연구를 확대할 필요가 있다. 본 연구는 HMD VR을 사용한 가상현실에서 나타나는 멀미를 측정하기 위해 기존에 존재하는 MSSQ, SSQ 설문을 사용하였다. 추후 진행될 연구에서는 VR 환경을 고려하여 제작된 설문지를 함께 사용한 연구 진행이 필요할 것으로 사료된다.

    Ⅴ. 결 론

    본 연구에서는 VR을 사용하며 발생한 사이버 멀미와 멀미 민감성이 상관관계를 알아보고자 분석하였다.

    VR 콘텐츠를 사용하며 발생하는 사이버 멀미는 사용자에게 자기 움직임 착각을 유발하는 화면 구성 요소가 많을 때 크게 나타났다. 두 콘텐츠 모두 게임을 진행할 때 전경의 움직임을 통해 플레이어의 이동 속도와 방향을 가늠하게끔 구성되어있는데, 그중에서도 사용자의 평소 자세 움직임과 VR 환경에서 예상되는 자세 움직임이 일치하지 않은 콘텐츠에서 기존 멀미 민감성과 상관관계가 나타났다. 향후 연구에서는 VR 콘텐츠의 시각적인 화면 구성 요소를 사용자들의 평소 움직임 패턴과 유사하게 제작하는 등 과도한 vection을 제한한 연구가 필요 할 것으로 사료된다.

    Figure

    Table

    Mean and standard deviation of MSSQ, SSQ and 95% CI

    MSSQ†: motion sickness susceptibility questionnaire, SSQ‡: simulator sickness questionnaire, SD*: standard deviation, CI**: confidencel interval

    Correlation of MSSQ score

    *p<0.050, **p<0.010, ***p<0.001
    MSSQ: motion sickness susceptibility questionnaire, SD: standard deviation

    Correlation of SSQ score

    *p<0.050, **p<0.010, ***p<0.001
    SSQ: simulator sickness questionnaire, SD: standard deviation

    Mean and standard deviation of SSQ 95% CI of A content

    SSQ: simulator sickness questionnaire, SD: standard deviation

    Mean and standard deviation of SSQ 95% CI of B content

    SSQ: simulator sickness questionnaire, SD: standard deviation

    Correlation between MSSQ and SSQ score on VR contents

    *p<0.050, **p<0.010, ***p<0.001
    NPA: near point of accommodation, NPC: near point of convergence, BAF: binocular accommodative facility, NRA: negative relative accommodation, PRA: positiverelative accommodation, cpm: cycles per minute, D: diopter, cm: centimeter, SD: standard deviation

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