This bachelor project investigates how to design a virtual reality (VR) user experience test to analyze the effect that the vergence-accommodation conflict (VAC) has on a users ability to judge focus. Furthermore, we want to investigate how the amount of depth cues can affect a user's perception of this conflict in VR. A user experience test has been designed through an iterative process where the prototype has gone through smaller user tests between each iteration. We validate the design through testing a larger number of participants, where we gather subjective data through the use of the “Think Aloud Method” as well as data based on the user's interactions within the test environment. Analyzed results show that the absence of depth cues makes it significantly harder for users to judge depth and focus, and that the presence of an additional reference-object in many cases is enough to assist users with this issue. Furthermore, we notice better user performance at closer distances. The aim of this investigation is to provide more information surrounding the perception of VAC, as it is one of the few issues within the VR industry that prevents us from experiencing depth in virtual worlds in a more realistic way. / Detta kandidatarbete undersöker hur man kan designa ett test i virtuell verklighet (VR) kring användarens upplevelse för att analysera effekten som "Vergence-Accommodation Conflict” (VAC) har på användarens förmåga att bedöma fokus. Vidare vill vi också ta reda på hur mängden ledtrådar för djupseende kan påverka användarens upplevelse av denna konflikt i VR. Ett test för användarens upplevelse har designats genom en iterativ process där prototypen genomgått mindre tester mellan iterationerna. Designen valideras genom ett större användartest där vi samlar subjektiv data genom användning av “Think Aloud Method” samt data baserat på användarens interaktion i testmiljön. Analyserad data visar att frånvaron av ledtrådar för djup har en betydande påverkan på användarens förmåga att bedöma djup och fokus, samt att närvaron av ytterligare ett referensobjekt i många fall är tillräckligt för att hjälpa användaren med detta problem. Vidare har vi kunnat se en bättre prestationsförmåga hos användarna på närmare distanser. Syftet med denna undersökning är att tillföra mer information kring upplevelsen av VAC, då det är ett av de få problem inom VR-industrin som hindrar oss från att uppleva djup i virtuella världar på ett mer realistiskt sätt.

This work is dealing with design of the systém for measuring dynamics of the vergence and accommodation. Vergence accommodation synkinesis is a complex process controlled by various mechanisms in CNS. Deviations from physiological state of the vision process are projected to course of the vergence accommodation curves and is possible the quantitative and qualitative evaluation. For this purpose was designed the measuring system Ir.M.A. (Infrared Measurement of Accommodation). The system uses high-speed videometric device for determination of the relative vergence and relative accomodation of the eyes. Stimulation of the patient's eyes is performed by the standardized jump change of the fixation object distance. The object is reconstruted by holographic method. Measured videosequences are processed by the image analysis. Results of the image analysis are courses of the vergence and accommodation curves depending on time and characteristics of the curves. System is designed for using in clinical practice where it could be used as screening instrument for diagnostics of the oculomotor system disorders.

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En dissociant les images rétiniennes, une orthophorie et une hétérophorie verticales (OV et HV) correspondent respectivement à l'absence ou la présence d'une déviation de l'axe visuel verticalement, déviation annulée en vision binoculaire. Pour maintenir le corps en équilibre en position debout orthostatique, le SNC doit réaliser les transformations appropriées et coordonnées des informations visuelles, vestibulaires et somesthésiques, et générer en permanence les réponses musculaires adaptées. Des observations cliniques ont rapporté l'existence d'un lien entre phories verticales, douleurs chroniques et qualité du contrôle postural. Ce travail de thèse s'attache à tester ces observations cliniques sur la stabilité posturale orthostatique. La 1ère étude montre qu'une HV expérimentalement induite par un prisme vertical d'environ un degré, chez l'adulte jeune en bonne santé, influence la stabilité posturale, l'améliorant ou principalement la détériorant, dépendant de l'œil impliqué (i.e dominant ou non-dominant) et de la distance de fixation d'une cible. Nous suggérons que cet effet puisse être le fait de la qualité de la réponse oculomotrice. La 2e étude étudie l'effet de la dominance oculaire sur le mouvement de vergence verticale induit par ce même prisme lors de la station debout. Elle montre que les mouvements sont plus importants et excessifs par rapport à la déviation induite d'un degré lorsque le prisme est placé devant l'œil non-dominant quelle que soit la distance, et plus appropriés lorsque le prisme est placé devant l'œil dominant. Ces résultats suggèrent que les processus sensoriels, liés à la disparité induite et les réponses oculomotrices de vergence verticale, soient modulés par la dominance oculaire. La 3e étude investigue le comportement postural en termes de stabilité, toujours chez l'adulte jeune en bonne santé, selon la présence ou non d'une HV. Clairement, les sujets avec une HV sont moins stables. Une étude complémentaire montre qu'en annulant l'HV à l'aide d'un prisme approprié, la stabilité posturale est significativement améliorée. Une 4e étude traite de l'équilibre postural chez de jeunes adultes présentant des rachialgies chroniques non spécifiques associées à une HV, comparé à celui d'un groupe contrôle. Les sujets douloureux sont moins stables, et l'annulation de leurs HV par un prisme approprié renforce leur stabilité. Ainsi, l'HV, même minime, pourrait indiquer une perturbation au niveau d'informations somesthésiques impliquées dans les boucles sensorimotrices requises dans le contrôle postural via les afférences et efférences du cervelet et son rôle de calibration, les phories verticales indiqueraient alors la capacité du SNC à les intégrer de façon optimale. Il est connu que des conflits sensorimoteurs expérimentaux puissent induire des douleurs et modifier la perception sensorielle chez des sujets sains. Peut-être que des rachialgies chroniques non spécifiques résultent de tels conflits prolongés dont l'HV pourrait être un signe, ouvrant de nouvelles perspectives théoriques et cliniques.

De nombreuses situations modifient les coordinations sensorimotrices (e.g., croissance, pathologie, interfaces optiques ou mécaniques). Le système nerveux doit alors s'adapter afin de préserver la précision de ses interactions avec l'environnement. Si l'adaptation visuomotrice à une altération de la direction visuelle par prismes latéraux a été largement étudiée, les mécanismes de l'adaptation visuomotrice à une altération des distances apparentes sont en revanche peu connus. Ce travail regroupe une série d'études de psychophysique explorant les mécanismes de l'adaptation visuomotrice à une altération des distances apparentes, lors d'une exposition à court terme dans l'espace de préhension. L'altération des distances apparentes a été réalisée par modification de la vergence à l'aide de prismes à bases externes. La manipulation des retours visuels a permis de mettre en évidence trois niveaux d'adaptation. Le premier niveau concerne la modification des distances perçues liée à l'augmentation de la vergence tonique. Cette modification résulte de la potentiation musculaire extra-oculaire (EMP) induite par une convergence soutenue. Le second niveau implique la recalibration du signal altéré de distance dérivé de la vergence par les signaux proprioceptivo-moteurs du membre supérieur exposé. Le troisième niveau résulte d'une réorganisation des commandes motrices du membre exposé. Aucune adaptation proprioceptive du membre exposé n'a été retrouvée. La nature des composantes adaptatives à une altération des distances apparentes diffère de celle classiquement décrite pour l'altération de la direction visuelle impliquant essentiellement des composantes proprioceptive et motrice. La contribution des composantes adaptatives sensorielles est déterminée par la précision respective de la localisation spatiale fondée sur la vision et sur la proprioception, qui diffère en latéral et en profondeur. D'autre part, les aspects géométriques de la perception des distances fondée sur la vergence ont été explorés par comparaison de l'adaptation visuelle aux prismes à bases externes (augmentant la demande en vergence d'un angle constant pour toutes les distances de fixation) et au téléstéréoscope (multipliant la demande en vergence pour toutes les distances de fixation). Quel que soit le dispositif optique utilisé, l'adaptation visuelle a consisté en un effet consécutif ne dépendant pas de la distance d'observation, contrairement aux résultats prédits sur la base du signal de vergence.

Tout déplacement du regard dans l'espace 3D se décompose en une composante conjuguée (même direction pour les deux yeux) et une autre disconjuguée (directions opposées). Cette division reflète l'activation de systèmes distincts qui pourtant interagissent. Notre hypothèse est que cette interaction, traditionnellement localisée dans le tronc cérébral, a lieu à de multiples niveaux depuis le cortex et qu'elle est activée pour tous les mouvements oculaires. Au moyen de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), l'interaction est examinée dans l'initiation des combinaisons de saccades et de divergences et dans la coordination binoculaire des saccades. Lors des mouvements combinés, les déclenchements des saccades et de la divergence sont concertés. La TMS du cortex pariétal postérieur (PPC) retarde l'initiation des mouvements imprédictibles mais non des mouvements prédictibles : les mêmes aires, pariétales ou frontales selon la prédictibilité, coordonnent le déclenchement des deux composantes. La lecture est basée sur des séquences automatisées de saccades, dont la coordination est optimisée chez le jeune adulte avec une bonne vision binoculaire. La TMS du PPC perturbe la coordination des saccades isolées et des séquences entières de saccades de lecture. Pour la première fois, nous montrons que la coordination binoculaire est aussi corticale. Les résultats suggèrent une interaction corticale permanente entre les systèmes de saccade et de vergence. La régulation de la coordination au cours de la vie se base sur la plasticité et l'apprentissage de cette interaction. La thèse a des implications cliniques pour la rééducation des personnes avec des troubles de la coordination.

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Ce travail de thèse vise à évaluer le rôle des afférences cutanées plantaires dans le contrôle postural et oculomoteur en manipulant l’extéroception plantaire à l’aide de stimulations mécaniques plantaires fines. La 1ère étude a montré que des éléments médio-plantaires fins externes (EME) et surtout internes (EMI) améliorent la stabilité orthostatique et postériorisent le CPP de sujets jeunes et sains lors de mouvements des yeux. Ils ont aussi une action spécifique sur la vergence (pas sur les saccades) : les EMI augmentent l’amplitude phasique de divergence et diminuent la partie tonique, autrement dit agissent surtout sur la composante pré-programmée du mouvement ; alors que les EME agissent sur la convergence en augmentant son amplitude tonique, composante contrôlée sous influence de la rétroaction visuelle. Les inserts influent de manière directe sur le contrôle postural et oculomoteur par des voies spécifiques et indépendantes. La 2ème étude explique la variabilité des réponses des sujets de la 1ère. Nous avons mesuré leur degré d’utilisation des afférences extéroceptives plantaires par la méthode du Quotient Plantaire (QP = Surface CPP mousse / Surface CPP sol dur X 100). Un QP<100 suggère une Inefficience des Afférences Plantaires (IAP) : les sujets IAP ne présentent plus d’amélioration de leur stabilité ni aucune modification de la vergence avec les inserts plantaires. Nous proposons que cette situation soit non physiologique et relève d’un dysfonctionnement non douloureux latent des récepteurs plantaires, opposant les sujets IAP aux sujets ayant un QP normal. La 3ème étude a investigué les rapports entre l’utilisation des afférences plantaires et visuelles chez de jeunes adultes sains avec la méthode du QP et du Quotient du Romberg (QR). Elle mis en évidence l’existence d’une utilisation synergique des afférences visuelles et plantaires en vision de près, uniquement chez les sujets au QP normal. Les sujets IAP ont un QR plus bas que les sujets au QP normal, en vision de près et sur sol dur uniquement. Sur mousse, leur QR des sujets IAP augmente ; les yeux fermés, leur QP augmente, ce qui objective une asynergie visuo-podale. La 4ème étude, sur la même population, a montré qu’un EME bilatéral augmente l’esophorie, uniquement de loin et chez les sujets IAP. La 5ème étude a révélé l’influence de l’extéroception plantaire sur la perception de la Verticale Visuelle Subjective (VVS) sur la même population. Elle a montré une diminution de l’erreur vers la gauche de près chez les sujets au QP normal avec un EME droit, ainsi qu’une diminution de l’erreur absolue de loin chez les sujets IAP avec un EMI bilatéral. L’ensemble de ces travaux consolide au plan théorique l’importance des afférences plantaires aussi bien pour le contrôle orthostatique, le contrôle de la vergence, la perception de la VVS et l’alignement des yeux (phories). Ils démontrent que l’utilisation de ces afférences est variable selon les sujets et ont des implications cliniques pluridisciplinaires. / This thesis aims at assessing the role of plantar cutaneous afferents in postural and oculomotor control by manipulating plantar exteroception with thin mechanical plantar stimulations. The 1st study showed that lateral, and even more medial mid-foot plantar inserts (LAS / MAS) improve stability in quiet stance and induce a backward shift of the CoP of young healthy subjects during eye movements. They also have a specific action upon vergence (not saccades): MAS increase the phasic amplitude of divergence and decrease its tonic part, in other words they mainly act on the pre-programmed component of the movement; whereas LAS act upon convergence, increasing its tonic amplitude, which is under the influence of visual retroaction. The inserts have a direct influence upon postural and oculomotor control through specific and independent paths. The 2nd study explained the variability of the subjects’ answers of the former. We measured their degree of reliance upon plantar cutaneous afferents with the Plantar Quotient method (PQ = Surface CoP foam / Surface CoP firm gorund X 100). A PQ<100 suggest a Plantar Extercoeptive Inefficency (PEI): PEI subjects do not show any improvement of their stability or any modification of vergence with the inserts. We propose that this situation is non-physiological and results from a non-noxious latent dysfunction of the sole receptors, opposing the PEI subjects to those who have a normal PQ. The 3rd study investigated the relationship between the use of plantar and visual afferents in young healthy subjects with the method of the PQ and Romberg Quotient (RQ). It has evidenced the existence of a synergic use of visual and plantar afferents in close-distance vision, only among normal PQ subjects. The PEI subjects have a significantly lower RQ than the others only at close distance on firm ground. On foam, their RQ increases; eyes closed, their PQ increases, which objectifies a visual-podal asynergy. The 4th study, on the same population, showed that a bilateral LAS increase esophoria only at far distance and among the PEI subjects. The 5th study revealed the influence of plantar exteroception upon the perception of verticality on the same population. It has brought out a decrease of the leftward error at near distance among the normal PQ subjects with a right LAS, and a decrease of the absolute error at far distance among the PEI subjects with a bilateral MAS. Taken together, these studies support, from a theoretical point of view, the importance of plantar afferents for postural control as well as vergence control, SVV estimation and eyes alignment (phorias). They demonstrate that the use of these afferents depends on the subjects and have multidisciplinary clinical implications.

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