Bachelor's Thesis

Measurement of Human Reaction Time in Virtual Reality

Final Thesis 8.41 MB Appendix 8.11 MB

Author of thesis: Bc. Marek Jordán

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Šopák

Reviewer: Ing. Adam Chromý, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the human balance system and the possibilities of measuring vestibular reflexes using fully immersive virtual reality (VR). The theoretical part describes the mechanisms of the vestibulo-ocular (VOR), vestibulo-collic (VCR), and vestibulo-spinal (VSR) reflexes, including the issue of sensory conflict and the onset of cybersickness. Furthermore, virtual reality technology, its medical applications, and the technical specifications of the Meta Quest 2 headset are presented, with an emphasis on spatial user movement tracking.

The main objective of the thesis was to design, implement, and test a custom VR application in the Unity game engine to serve as an experimental tool for evaluating balance and measuring reaction times. The practical part details the development of three experimental scenes (Room, Boat, Mountain) utilizing hand-tracking technology and physical controllers to induce targeted visual-vestibular stimulation, simulate postural instability through tilts, and test user reactions to an unexpected fall. Subsequent data analysis from real measurements on tested subjects confirmed that virtual reality is an effective environment for reflex analysis. The results demonstrate a rapid motor and cognitive adaptation of the users, which manifested as a significant reduction in reaction times upon repeated exposure to critical situations.

Keywords:

VR, Virtual reality, VCR, VSR, Vestibulo-collic reflex, Vestibulo-spinal reflex, Vestibular reflexes, cybersickness, balance, Oculus Meta Quest

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 toho, zda měřené časové intervaly reprezentují v jednotlivých scénách odlišné veličiny, a způsobu řešení počátku reakce člověka na podnět a jeho odlišení od běžného pohybu hlavy.

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 otestovat aplikaci ve virtuální realitě, která umožňuje vyvolat a objektivně zaznamenat reflexní odezvy uživatele. Tento cíl byl v plném rozsahu splněn. Zadání patřilo mezi náročné a nadprůměrně rozsáhlé. Mělo mezioborový charakter a student se navíc musel samostatně naučit vývoj aplikací v herním enginu Unity, který není primární náplní jeho studijního programu. Rozsah práce od úvodu po závěr činí 43 stran, což odpovídá doporučenému rozsahu.
Práci s literaturou hodnotím jako odpovídající. Student využil celkem 50 zdrojů, mezi nimiž jsou kvalitní odborné publikace z impaktovaných časopisů. Rešerše poskytuje dostatečný teoretický základ jak po stránce neurofyziologické, tak po stránce technologické.
Po odborné stránce považuji za hlavní přínos práce kompletní návrh, implementaci a otestování vlastní VR aplikace v herním enginu Unity pro headset Meta Quest 2, sestávající ze tří experimentálních scén (Room, Boat, Mountain) s využitím hand-trackingu i fyzických ovladačů. Velmi oceňuji, že jím navržená řešení nebyla nijak triviální, ale naopak poměrně komplexní a časově náročná. Zatímco zadání požadovalo pouze ověření funkčnosti aplikace v testovacích scénářích, student šel nad rámec zadání a provedl rovněž pilotní měření na reálných uživatelských subjektech, naměřená data zpracoval v prostředí MATLAB a dosažené výsledky přehledně diskutoval.
Prezentační úroveň práce je odpovídající BP. Struktura technické zprávy je logická a vyvážená. Jazyková a formální úroveň je přijatelná, avšak nikoliv bez výhrad. V některých pasážích se objevuje mírně nevyrovnaná stylistická úroveň. Tyto nedostatky však zásadně nesnižují srozumitelnost práce.
Výsledky práce jsou využitelné pro navazující výzkum. Za prakticky významný považuji jak samotný funkční softwarový výstup a soubor naměřených dat, tak i ověřený experimentální postup, který lze dále rozšiřovat.
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. Oceňuji zejména jeho samostatnost a schopnost rychle se zorientovat v náročné mezioborové problematice.
Antiplagiátorská kontrola neprokázala problematické shody. Práci považuji za původní.
Celkově práci doporučuji k obhajobě s hodnocením A – 90 bodů. Points proposed by supervisor: 90

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Adam Chromý, Ph.D.

Předložená bakalářská práce se zabývá návrhem, implementací a ověřením VR aplikace pro vyvolání a záznam reakcí uživatele na simulované podněty. Hned na úvod podotýkám, že jde o zadání velmi náročné, a to nejen rozsahem, ale také kvůli nutnosti seznámení se s poměrně složitým nástrojem Unity (se kterým se student předtím nikdy nesetkal) nebo kvůli nutnosti správné volby komponent a návrhu interakcí mezi nimi.

Začátek práce (kap. 1-4) tvoří teoretická část, která poskytuje základní uvedení do problematik a pojmů: vestibulární reflexy, virtuální realita a možností měření ve VR. Rozsahem je pro bakalářskou práci dostačující, avšak její odborná úroveň je nevyrovnaná. Text je často spíše kompilační, jednotlivé odstavce bývají opřeny vždy jen o jeden zdroj a povětšinou jde konstatování „tohle udělali“ a chybí vlastní kritické zhodnocení současného stavu poznání. Zejména kapitola 2.2.1 a 2.2.2 působí povrchně, protože využití VR je popsáno převážně na základě shrnujícího zdroje namísto hlubší vlastní rešerše odborných článků. Kapitola 4 již uvádí relevantní práce a stručně popisuje, co v nich autoři řešili, ale student je dále příliš neporovnává ani nehodnotí. Některé pojmy nejsou dostatečně vysvětleny při prvním použití, což zhoršuje čitelnost pro méně obeznámeného čtenáře (např. GVS, H-reflex). V textu se také objevují opakovaná tvrzení a místy ne zcela konzistentní formulace (např. VR je jednou označena jako levná alternativa, zatímco krátce poté je uvedena její nákladnost).

Jazyková a stylistická úroveň je kolísavá. Některé části (zejm. v teoretickém úvodu) jsou čtivé, jiné části jsou naopak kostrbaté a hůře formulované (např. úvod kapitoly 4). Formální úprava je celkově přijatelná, avšak práci by prospěla důslednější jazyková korektura a sjednocení odborné terminologie.

Výše uvedené nedostatky však výrazně vyvažuje praktická část práce. Zadání bylo na úroveň bakalářské práce rozhodně náročné, protože kombinuje fyziologickou problematiku, vývoj VR aplikace, práci s headsetem, hand-trackingem, ovladači a následné vyhodnocení dat. Student navrhl a realizoval tři experimentální scény Room, Boat a Mountain a výsledek považuji z hlediska bakalářské práce za nadstandardní, a to jak koncepčně, tak kvalitou realizace. Je vidět, že student umí uvažovat logicky a koncepčně, což je zásadní u budoucího technického odboníka. Pozitivně hodnotím také následné ověření aplikace a zpracování výsledků, které jde nad rámec pouhého otestování, jak bylo požadováno v zadání.

Za jediný podstatnější nedostatek praktické části považuji, že práce ne vždy přesně definuje, jaká veličina je v jednotlivých scénách měřena a jak je následně vyhodnocována; bylo by vhodné kdyby student ve své prezentaci k obhajobě vyjasnil formální definice veličin, výpočty a vzorce – aby bylo jasné v každé scéně co měříme, jak to měříme, proč to měříme a co z toho dále vypočítáváme a co z toho nakonec vyvozujeme.

Výsledky jsou zajímavé, ale vzhledem k omezenému experimentálnímu protokolu a absenci nezávislé validace je nelze chápat jako přesné měření vestibulárních reflexů, ale spíše jako demonstraci možností VR aplikace pro sledování reakčních a kompenzačních pohybů. To však nepovažuji za zásadní problém, protože plná biomechanická nebo klinická validace rozhodně nebyla cílem bakalářského zadání.

Celkově práce svědčí o tom, že student je schopen nastudovat novou problematiku, aplikovat nabyté znalosti a vytvořit funkční technické řešení. Práci doporučuji k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. Jaké konkrétní veličiny jsou v jednotlivých scénách měřeny, jak jsou z naměřených dat počítány výsledné reakční časy a jak by bylo možné doplnit validaci přesnosti těchto měření?
  2. Jakým způsobem byla v aplikaci určena časová přesnost měření reakční doby a jaký vliv má latence headsetu, renderingu a Unity event loopu na výsledky?
  3. Jak by bylo možné navrženou aplikaci validovat proti referenčnímu měřicímu systému?
Points proposed by reviewer: 84

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová