Bachelor's Thesis

Simulation of Motor Coordination Disorders in Virtual Reality

Final Thesis 8.46 MB Appendix 5.71 MB

Author of thesis: Martin Starý

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Šopák

Reviewer: Ing. Stanislav Svědiroh

Abstract:

This thesis deals with the design, implementation, and experimental verification of an
application for the Meta Quest 3 VR headset that simulates human motor coordination
disorders through visual interventions in a virtual scene. The application includes three
tests targeting different components of motor function. The Ball Test disrupts hand–eye
coordination and postural stability by rotating the virtual room. The Trace Test intro
duces a delay in visual feedback during shape tracing, affecting fine motor skills. The
Prism Adaptation Test applies a lateral shift to the visual representation of the hand and
tracks the course of sensorimotor adaptation.
The application was developed in the Unity environment using the Meta XR SDK and
experimentally tested on six subjects. The collected data show that all three types of
visual disturbances induced measurable changes in motor behavior: a decrease in ball
hitting success rate, a deterioration in drawing accuracy, and a reproduction of the prism
adaptation test progression, including the aftereffect. The results of this experiment
suggest that visual manipulations implemented in virtual reality can effectively disrupt
motor coordination and elicit adaptation processes comparable to those described when
using physical aids.

Keywords:

Virtual reality, VR, motor coordination, Meta Quest 3, sensory conflict, visual feedback,
Unity

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student obhájil bakalářskou práci. Komise neměla žádné námitky k řešené práci. V průběhu odborné rozpravy student reagoval na dotazy oponenta. Dále zodpověděl dotazy týkající se způsobu řešení směrování míčku na uživatele při plnění úlohy Ball Test, vlivu latence na plnění úlohy Trace Test a způsobu jejího definování, a dále hodnocení plnění úlohy Trace Test.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automation and Measurement (BPC-AMT)

Composition of Committee

prof. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. (předseda)
prof. Ing. Luděk Žalud, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Martin Čala, Ph.D. (člen)
Ing. Jakub Dokoupil, Ph.D. (člen)
Ing. Adam Chromý, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Jirgl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Šopák

Cílem předložené BP bylo navrhnout, implementovat a experimentálně ověřit aplikaci pro VR headset, která prostřednictvím uměle vyvolaných vizuálních zásahů simuluje poruchy vnímání a motorické koordinace uživatele. Tento cíl byl v plném rozsahu splněn. Zadání mělo mezioborový charakter spojující techniku s problematikou motoriky. Student se navíc musel samostatně naučit vývoj aplikací v herním enginu Unity. Rozsah práce od úvodu po závěr činí 45 stran, což odpovídá doporučenému rozsahu.
Práci s literaturou hodnotím jako odpovídající. Student využil 35 odborných zdrojů a rešerše poskytuje dostatečný teoretický základ pro navržené testy. Samostatná kapitola je věnována přístupům k simulaci poruch motorické koordinace v rámci virtuální reality.
Po odborné stránce považuji za hlavní přínos práce kompletní návrh a implementaci VR aplikace v herním enginu Unity pro headset Meta Quest 3, obsahující tři odlišné testovací úlohy. Ball Test využívá rotace virtuální místnosti k narušení koordinace ruka–oko a stability postoje, Trace Test zavádí časové zpoždění vizuální zpětné vazby pro ovlivnění jemné motoriky a Prism Adaptation Test aplikuje laterální posun vizuální reprezentace ruky pro sledování senzomotorické adaptace. Velmi oceňuji, že jím navržené řešení není triviální. Každý ze tří testů cílí na jinou složku motoriky odlišným mechanismem, což svědčí o promyšleném metodickém přístupu a ochotě jít nad rámec zadání. Zatímco zadání požadovalo pouze ověření funkčnosti vytvořeného systému, student provedl pilotní experiment na šesti subjektech a naměřená data podrobně analyzoval v prostředí MATLAB. Mimo jiné se mu podařilo ve virtuálním prostředí věrně reprodukovat klasickou křivku prismatické adaptace včetně after-efektu, což potvrzuje validitu zvoleného experimentálního postupu.
Prezentační úroveň práce je odpovídající BP. Struktura technické zprávy je logická a vyvážená, jazyková i formální úroveň textu je na dobré úrovni bez výraznějších nedostatků. Zvláště oceňuji kritickou reflexi v závěru práce, kde student sám pojmenovává limity provedeného experimentu.
Výsledky práce jsou využitelné pro navazující výzkum. Za prakticky významný považuji jak samotnou funkční aplikaci a soubor naměřených dat, tak i ověřený experimentální postup, který lze rozšířit o větší vzorek subjektů nebo o další modality vizuálních zásahů.
Student pracoval od začátku až do konce zcela samostatně, bez nutnosti asistence vedoucího. Pravidelně konzultoval a na konzultace chodil vždy dobře připraven. S návrhy dalšího postupu přicházel sám a na mé připomínky reagoval konstruktivně. Práci odevzdal s předstihem před termínem, což rozhodně není obvyklé.
Antiplagiátorská kontrola neprokázala problematické shody. Práci považuji za původní.
Celkově práci doporučuji k obhajobě s hodnocením A – 92 bodů. Points proposed by supervisor: 92

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Stanislav Svědiroh


Předložená bakalářská práce se zabývá návrhem, implementací a experimentálním ověřením aplikace pro VR headset Meta Quest 3, která prostřednictvím vizuálních zásahů do virtuální
scény vyvolává poruchy motorické koordinace a zaznamenává jejich vliv na motoriku uživatele. Téma hodnotím jako zajímavé, mezioborové a náročné na propojení vývoje VR aplikace s
neurofyziologickým a experimentálním zázemím.

Zadání práce považuji za splněné ve všech bodech. Práce je logicky členěna od fyziologie motorické koordinace a technologie virtuální reality, přes rešerši existujících přístupů,
návrh tří testů a jejich implementaci, až po experimentální ověření a analýzu naměřených dat.

Po obsahové stránce oceňuji zejména promyšlený návrh tří vzájemně se doplňujících testů, z nichž každý cílí na jinou složku motorického řízení (vizuální senzorický konflikt,
zpožděná zraková zpětná vazba, prismatická adaptace) a vychází z klinicky popsaných jevů. Kladně hodnotím rovněž zralou softwarovou architekturu aplikace - perzistentní Core scénu s
aditivním načítáním testů, oddělené stavové automaty a systém záznamu dat - i citlivost k detailům, které ovlivňují platnost měření, například skrytí virtuální ruky v okamžiku
zahájení pohybu v Prism testu, jež zajišťuje, že jde o skutečnou senzomotorickou rekalibraci, nikoliv o průběžnou vizuální korekci.

Za nejpřesvědčivější výsledek považuji Prism Adaptation Test, který ve virtuálním prostředí věrně reprodukoval klasický průběh prismatické adaptace včetně postefektu v opačném
směru. Tento výsledek je v souladu s literaturou a dobře doloženě potvrzuje, že vizuální offset ve VR dokáže vyvolat srovnatelný adaptační proces jako fyzické prizmatické čočky.

Hlavní výhradu mám k experimentálnímu vyhodnocení. Závěry se opírají výhradně o popisné průměry ze šesti subjektů bez jakéhokoliv statistického zpracování; chybí testy významnosti,
které by odlišily skutečný vliv poruchy od náhodné variability. Autor přitom sám správně upozorňuje, že skupinové průměry jsou v řadě případů taženy jedním či dvěma subjekty, což
oprávněnost čistě popisných závěrů dále oslabuje.

Druhou výhradou je absence randomizace a kontroly pořadí. Subjekty absolvovaly vždy nejprve všechna kontrolní a poté testovací kola a testy ve fixním pořadí, takže pozorované změny
mohou být částečně důsledkem učení nebo únavy, nikoliv pouze zavedené poruchy. K tomu se přidávají dílčí metodické nedostatky, které autor sám zmiňuje - krátký časový limit
zkreslující výsledky u některých tvarů v Trace testu a stropový efekt metriky vyhýbání v Ball testu.

Uvedené nedostatky je však třeba vážit v kontextu rozsahu bakalářské práce a praktického zaměření; autor je z velké části sám reflektuje a v závěru transparentně diskutuje. Po formální stránce je práce zdařilá, vhodně doplněná diagramy, snímky z aplikace a grafy.

Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm B (87 bodů). Topics for thesis defence:
  1. Závěry práce stojí na popisných průměrech ze šesti subjektů bez testů statistické významnosti, přičemž sám uvádíte, že průměry jsou taženy jednotlivci. Proč jste nepoužil žádný statistický test a jak obhájíte, že pozorované rozdíly nejsou náhodné?
  2. Kontrolní a testovací kola probíhala vždy ve fixním pořadí (nejprve Control, poté Test; testy v pořadí Prism-Trace-Ball). Jak ve výsledcích odlišíte vliv samotné poruchy od efektu učení a únavy, když pořadí nebylo randomizováno?
  3. V Trace testu jste uvedl, že kvůli krátkému časovému limitu většina subjektů v testovacím kole nedokončila čtverec, což zkresluje pokrytí i maximální odchylku. Neměl být limit přizpůsoben očekávanému zpomalení v testovací podmínce a jak to ovlivňuje srovnatelnost obou podmínek?
  4. Trajektorie míčku vždy směřuje na aktuální pozici hlavy. Tím se vyhýbání červeným míčkům redukuje na pouhé pohnutí hlavou (odtud dodge rate ~100 % v obou podmínkách) a uživatel získává silný apriorní odhad „letí to na mě", který umožňuje obejít rotací narušenou vizuální lokalizaci. Neznecitlivuje tento návrh test vůči samotné poruše - tj. nemůže subjekt, který vzorec prokoukne, uspět navzdory degradaci vjemu? Proč míčky nemíří na náhodné body v dosahu, kde by byla nutná skutečná prostorová koordinace?
Points proposed by reviewer: 87

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová