張為忠，許艷鳳

(福建師范大學(xué) 心理學(xué)院，福州 350117)

1 引言

現(xiàn)實(shí)生活中，許多人在乘坐汽車、輪船和飛機(jī)等交通工具后會出現(xiàn)身體不適，這種由于機(jī)體受到異常的運(yùn)動環(huán)境刺激而引起的不適癥狀被稱作暈動癥(Motion Sickness，MS)，通俗人們所說的“暈車”即其一亞類。而在虛擬世界，人們發(fā)現(xiàn)在暴露于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境一定時間后，個體也出現(xiàn)類似于MS的不適癥狀，被稱為暈屏癥(Cybersickness，CS)[1]。

大部分學(xué)者使用暈動癥問卷(Motion Sickness Questionnaire，MSQ)和模擬器病問卷(Simulator Sickness Questionnaire，SSQ)來評估MS和CS。主要癥狀包含惡心(Nausea,N)、眼部不適(Oculomotor,O)和定向障礙(Disorientation,D)三個方面(表1)。CS的病理表現(xiàn)與MS相似，有MS病史的個體，在使用VR設(shè)備時也易感CS[2]。但與MS以惡心維度為主要癥狀不同的是，CS表現(xiàn)出的癥狀D>O>N[3-4]，并且在總體癥狀較重時才更傾向于出現(xiàn)惡心癥狀[4]。在虛擬環(huán)境中，直接輸入的感知信息以視覺顯示的相對運(yùn)動刺激為主，因此主要的癥狀表現(xiàn)也與個體的視覺系統(tǒng)和方位感知相關(guān)。20%-80%的個體即使僅使用VR設(shè)備9.5 min就會出現(xiàn)不同程度的CS癥狀[5-7]，其中一些癥狀能在暴露后持續(xù)存在幾個小時甚至幾天[8]。

表1 CS維度及主要癥狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于娛樂、教育培訓(xùn)和公共安全等領(lǐng)域，擁有巨大的應(yīng)用前景。然而一些研究表明，CS帶來的機(jī)體上的不適會造成認(rèn)知能力的輕微下降[9]，并且對VR游戲的趣味性以及VR培訓(xùn)的學(xué)習(xí)效果存在負(fù)面影響[6,10]，是影響VR用戶繼續(xù)使用意向的關(guān)鍵因素之一。深入探討CS的影響因素、誘發(fā)機(jī)制，將有助于從不同層面改良VR設(shè)備和內(nèi)容、優(yōu)化用戶體驗(yàn)以提升產(chǎn)品可用性。

2 CS的誘發(fā)機(jī)制

MS的誘發(fā)機(jī)制通?？捎米藙莶环€(wěn)定性理論、感覺沖突理論和“毒”理論等來解釋。而CS一般被研究者視為由視覺因素誘發(fā)的一種MS特定類型[11]，因此目前仍多用這些經(jīng)典的理論來解釋CS的生成過程。

2.1 姿勢的不穩(wěn)定性理論

人類在自然環(huán)境中需要保持機(jī)體姿勢的穩(wěn)定性，是適應(yīng)環(huán)境及生存的本能，姿勢的不穩(wěn)定性理論即建立在這一基礎(chǔ)上[12]。當(dāng)個體受到外界刺激而無法保持肢體姿勢的穩(wěn)定性時，對運(yùn)動和方向感知的有意識控制能力的降低，則導(dǎo)致MS癥狀。該理論預(yù)測，姿勢的不穩(wěn)定將先于MS癥狀出現(xiàn)，并且不穩(wěn)定的時間越長，其癥狀越嚴(yán)重[12]。

在VR環(huán)境中也有類似的情況。例如在玩賽車游戲時，伴隨著賽車的急轉(zhuǎn)彎，玩家的身體常會無意識地向相同方向傾斜，這種無意識的行為致使機(jī)體失去穩(wěn)定性，造成CS。研究表明，那些天生對姿勢的穩(wěn)定性控制能力不強(qiáng)的被試，在接觸到視覺運(yùn)動時更易產(chǎn)生CS[13-15]。有研究者通過評估被試肢體的位置變化和動態(tài)瞬時移動，發(fā)現(xiàn)CS易感被試與非易感被試在暴露于虛擬環(huán)境中的自發(fā)姿勢活動有明顯的不同，易感被試在肢體前后運(yùn)動和眼睛閉睜等行為上表現(xiàn)的更為活躍[15-16]。在接觸外部運(yùn)動顯示和物理場景運(yùn)動時，某些姿勢運(yùn)動模式會先于CS癥狀的出現(xiàn)。因此，一些研究者通過檢測用戶在虛擬環(huán)境中的自發(fā)姿勢活動能夠有效預(yù)測是否產(chǎn)生CS癥狀[17-18]。

然而，一些研究并不支持姿勢的不穩(wěn)定性理論。與站著參加實(shí)驗(yàn)(更容易出現(xiàn)姿勢不穩(wěn)定的狀態(tài))相比，讓被試坐著參加實(shí)驗(yàn)(通過限制被試的姿勢以增加穩(wěn)定性)，并未能降低被試的CS癥狀[15,19]。此外，研究者發(fā)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，由視覺-前庭覺沖突刺激引發(fā)的主觀癥狀和檢測到的客觀肢體搖擺(姿勢不穩(wěn)定)之間存在一定的延遲[20]，意味著視覺-前庭覺沖突刺激的輸入由不同的神經(jīng)路徑處理，姿勢的不穩(wěn)定可能是由CS產(chǎn)生，而不是產(chǎn)生CS的原因。也就是說這種姿勢的不穩(wěn)定可能是由于視覺-前庭覺的沖突導(dǎo)致前庭系統(tǒng)功能下降，從而不能正確地處理肢體運(yùn)動和用于保持平衡的信息。

2.2 感覺沖突理論

人類的機(jī)體通過收集多個通道的感官線索，例如視覺、本體覺和前庭覺等，以持續(xù)地動態(tài)估計(jì)自身的實(shí)時狀態(tài)。當(dāng)感知到的外界刺激與機(jī)體預(yù)期的信息不匹配時，造成各感官之間的沖突狀態(tài)[21]。Reason(1978年)認(rèn)為，MS癥狀的嚴(yán)重程度取決于感知到的刺激和預(yù)期的刺激之間沖突的嚴(yán)重程度以及接觸這一刺激的時間[21]。

前庭系統(tǒng)與MS聯(lián)系最為緊密[22-23]。前庭中樞位于腦干、小腦和大腦皮層，其功能是整合前庭器官、視覺系統(tǒng)和本體感受系統(tǒng)的感覺信息輸入，協(xié)調(diào)頭和眼的運(yùn)動，激活維持平衡的姿勢肌肉，并在空間中為頭和身體提供正確的方向[24]。例如乘坐汽車時，汽車的加減速、轉(zhuǎn)彎，前庭系統(tǒng)被激活指示機(jī)體速度的變化，然而視覺系統(tǒng)并未感知到該速度變化。即前庭系統(tǒng)告訴機(jī)體他是運(yùn)動的，而視覺系統(tǒng)則告知機(jī)體他是靜止的，輸入感覺信息的不一致產(chǎn)生信號錯配從而誘發(fā)MS。

與MS不同，CS主要由視覺因素誘發(fā)。在VR環(huán)境中，視覺-前庭覺信息輸入的不匹配與傳統(tǒng)MS是相反的。例如在玩第一人稱射擊游戲時，你在游戲中的化身在快速移動，帶來大量的視覺運(yùn)動信息輸入，而你坐在椅子上并沒有肢體和頭部的運(yùn)動，前庭器官并沒有獲取預(yù)期的關(guān)于機(jī)體運(yùn)動的信息，視覺-前庭感覺信息沖突誘發(fā)CS。但感覺沖突理論也存在許多不足之處。首先，它無法解釋為什么相同的VR體驗(yàn)會在不同的個體之間表現(xiàn)出差異[1]，在CS的易感性上具有明顯的性別和年齡差異[25]。相比而言，女性比男性更易患CS，老年人比年紀(jì)較小的人表現(xiàn)出更嚴(yán)重的癥狀。其次，感覺沖突理論缺乏預(yù)測能力，未能解釋這種感覺沖突是如何或在哪里發(fā)生，以及在相關(guān)VR體驗(yàn)時癥狀的嚴(yán)重程度。最后，感覺沖突理論不能解釋為什么一些感覺線索更易誘發(fā)CS[26]。例如Litleskare 等人的研究表明，使用高穩(wěn)定性的攝像機(jī)拍攝出的全景視頻(具有較低的場景畫面振幅)，相比具有較高振幅的場景畫面能夠有效降低MS癥狀[28]。

2.2.1 CS誘發(fā)過程及模型

感官信息的不匹配可能是來自不同感知系統(tǒng)輸入信息的矛盾，也可能是當(dāng)前輸入信息和先前的經(jīng)驗(yàn)之間的矛盾。在前人基礎(chǔ)上，Bos等人進(jìn)一步完善感覺沖突理論。他們認(rèn)為感覺不匹配是由于有關(guān)重力加速度的信息相互沖突而產(chǎn)生，即來源于重力-慣性信息(從視覺、前庭覺和本體覺信號的整合中推導(dǎo)出來)與基于先前經(jīng)驗(yàn)的預(yù)期重力之間的不一致[28]。Bos等人建構(gòu)包括視覺-前庭覺相互作用在內(nèi)的理論模型(見圖1)，用來描述、理解和預(yù)測由視覺引起的MS(包括CS)。

一個預(yù)期的肢體狀態(tài)(ud)，首先進(jìn)入一個準(zhǔn)備狀態(tài)(P)從而指導(dǎo)一個控制器(C)，然后生成運(yùn)動指令(m)驅(qū)動我們的肢體(B)行動以達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)。由于受外部環(huán)境的干擾(ue)，綜合影響生成我們實(shí)際的肢體狀態(tài)(u)。這種肢體狀態(tài)通常由軀體(som)、前庭(vest)和視(vis)感受器等所感知，再通過隨后的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的處理和延遲，會產(chǎn)生代表身體狀態(tài)的傳入信號(us)。Bos等人假設(shè)個體根據(jù)先前的經(jīng)驗(yàn)(主要輸入是運(yùn)動指令m的拷貝m')，在大腦里已經(jīng)構(gòu)建起對某種感官刺激做出特定反饋的內(nèi)部心理模型，以應(yīng)對肢體狀態(tài)的自發(fā)變化，這種由內(nèi)部心理模型輸出的預(yù)期肢體狀態(tài)為us'。與代表身體傳入信號us相比，輸出u'則是對身體狀態(tài)最理想的估計(jì)，正是這個估計(jì)與期望的狀態(tài)ud相比較，生成了錯誤信號(e)。同時，u'也驅(qū)動個體各種生理和心理上的反應(yīng)，如眼動(E)、語言和肢體動作(V/M)等。

圖1 MS誘發(fā)模型[28]

由于外部干擾刺激ue的存在，內(nèi)部心理模型輸出的預(yù)期肢體狀態(tài)us'并不等于主路徑us的輸出并不相等，此時就會產(chǎn)生一個額外的內(nèi)部反饋信號c(c=us- us')，當(dāng)c不等于0時(即代表身體狀態(tài)的傳入信號us，不等同于由內(nèi)部心理模型輸出的預(yù)期肢體狀態(tài)為us')，就表明當(dāng)前輸入信息和先前的經(jīng)驗(yàn)的矛盾狀態(tài)，則會出現(xiàn)CS癥狀。該內(nèi)部反饋信號c由內(nèi)部轉(zhuǎn)換增益(K)進(jìn)行加權(quán)，最后通過內(nèi)部心理模型持續(xù)性的動態(tài)反饋和調(diào)節(jié)，感覺與預(yù)期狀態(tài)之間的沖突下降，c會逐漸趨近于0，也就是個體對CS癥狀逐漸適應(yīng)的過程。

2.2.2 多感覺整合與再調(diào)整

VR技術(shù)利用各種感覺刺激來創(chuàng)造一個不存在的世界，但無論如何努力復(fù)制現(xiàn)實(shí)世界的物理特征，VR技術(shù)仍無法將現(xiàn)實(shí)世界以完全的保真度整體再現(xiàn)，即使是最簡單的差異(如視野、重力加速度)，都可能誘發(fā)CS。Gallagher和Ferre認(rèn)為個體需要對不斷輸入大腦的感覺信息進(jìn)行整合，以完整描述物理世界[26]。但是大腦并非被動地接受、處理信息，而是主動地對更可靠的信息源賦予更高的權(quán)重。正常情況下，關(guān)于個體運(yùn)動的信息由視覺-前庭系統(tǒng)交互整合處理，視覺和前庭覺系統(tǒng)都被賦予相對均衡的權(quán)重，因此在視覺-前庭覺信息不匹配時則會出現(xiàn)感覺沖突，繼而誘發(fā)CS。因此，感覺再調(diào)整理論是以人類對客觀刺激的適應(yīng)性過程為依據(jù)。

由于前庭覺反饋是個體感知自身在空間中方位和運(yùn)動的可靠信息源，這些信息在VR環(huán)境中主要由視覺系統(tǒng)提供，若要降低視覺-前庭覺之間的感覺沖突，機(jī)體則需主動地降低前庭信號的權(quán)重。Weech 等人通過對被試的前庭器官施加電刺激作為干擾噪音，以降低前庭系統(tǒng)在處理與機(jī)體運(yùn)動相關(guān)的信息中的權(quán)重，研究者發(fā)現(xiàn)CS癥狀顯著下降[29-30]。前庭電刺激下，機(jī)體對前庭刺激的依賴程度降低[31-32]，減少感覺沖突程度從而緩解CS癥狀。

CS不僅僅是由外部不同類型的刺激造成的感覺沖突誘發(fā)的過程，在CS的誘發(fā)過程中，機(jī)體同時也在積極主動調(diào)整、動態(tài)適應(yīng)。由于個體之間信息處理、調(diào)整能力的差異，多感覺整合與再調(diào)整的觀點(diǎn)很好地解釋了CS癥狀個體間的差異以及不同的適應(yīng)過程，那些難于重新調(diào)整信息源權(quán)重的個體將體驗(yàn)到更高程度的CS，適應(yīng)過程也更長。這給我們降低VR用戶使用時的不適感，提升VR的可用性提供了新的思路。

3 影響因素

CS所帶來的負(fù)面癥狀可能促使用戶與VR環(huán)境之間的交互性減弱，破壞VR用戶體驗(yàn)，從而影響人們對VR產(chǎn)品的接受度。揭示影響CS的因素則顯得至關(guān)重要。從感覺沖突理論的觀點(diǎn)來看，任何加劇各感官之間沖突的因素都可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的CS癥狀，例如不同VR設(shè)備、系統(tǒng)、內(nèi)容特征等；此外，由于CS癥狀的主觀性，研究也發(fā)現(xiàn)CS癥狀與用戶的心理特征之間具有顯著的相關(guān)性。

3.1 硬件特征

根據(jù)沉浸感的不同，一般可分為桌面式、頭盔式以及洞穴式VR系統(tǒng)。研究表明，使用頭盔式和洞穴式VR系統(tǒng)，個體體驗(yàn)到CS癥狀水平?jīng)]有顯著差異[33]；而與桌面式VR系統(tǒng)相比，頭盔式VR系統(tǒng)則會誘發(fā)更嚴(yán)重的CS[2,34]。有趣的是，正如司機(jī)對汽車的高控制水平使其不易誘發(fā)MS，通過手柄等人機(jī)交互設(shè)備增加個體對設(shè)備或內(nèi)容的控制水平，亦能夠降低CS癥狀水平[2]。另外，由于技術(shù)或成本的限制而造成的顯示延遲、畫面晃動和視域范圍的大小等因素都會對加重CS癥狀[36]。

3.2 內(nèi)容特征

使用頭盔式VR系統(tǒng)，用戶常會體驗(yàn)到一種不可抗拒的自我運(yùn)動的錯覺，即相對運(yùn)動錯覺(Vection)[36]。Risi 和 Palmisano通過評估自由站立-被動、自由站立-主動、姿勢約束-被動和姿勢約束-主動4種條件下的CS癥狀水平，證明相對運(yùn)動錯覺越強(qiáng)烈，CS癥狀越嚴(yán)重[15]。關(guān)于自我的視覺運(yùn)動在現(xiàn)實(shí)世界中的經(jīng)驗(yàn)往往伴隨著前庭刺激，而在VR中缺少前庭刺激引起感覺沖突，因此相對運(yùn)動錯覺被認(rèn)為與暈屏癥緊密相關(guān)。

技術(shù)的發(fā)展使VR畫面的豐富度、真實(shí)性顯著提升，VR體驗(yàn)越來越接近現(xiàn)實(shí)，高度的臨場感是否會緩解CS癥狀？答案是否定的。Pouke等人構(gòu)建兩種視覺細(xì)節(jié)處理?xiàng)l件(高真實(shí)度以及通過卡通化渲染以減少視覺細(xì)節(jié))下的虛擬博物館，沉浸在高視覺真實(shí)性的被試體驗(yàn)到更高的CS癥狀[37]。Davis 等人也發(fā)現(xiàn)越逼真的VR過山車場景誘發(fā)的被試CS水平越高[38]。視覺細(xì)節(jié)高度真實(shí)的場景提供豐富的視覺刺激，個體需要分配更多的認(rèn)知資源來處理這些信息，因而個體缺少足夠的認(rèn)知資源去處理各感官之間的沖突信息。大腦認(rèn)知的超負(fù)荷工作可能是造成個體在高豐富度、真實(shí)性或任務(wù)復(fù)雜的VR場景中更易誘發(fā)CS的主要原因。此外，個體在VR環(huán)境中的運(yùn)動速度、使用獨(dú)立的視覺背景以及旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)量和方式等也是影響CS癥狀的關(guān)鍵因素[39-40]。

3.3 用戶特征

相同的VR體驗(yàn)在不同的群體之間所誘發(fā)的CS癥狀有明顯的差異。一方面是因?yàn)槟壳癈S癥狀的評估方式以自評量表為主，其次也由于個體之間的特征差異。研究表明CS癥狀水平與個體軀體意識、疼痛災(zāi)難化[41]、感覺敏感性[42]以及對VR的感知挑戰(zhàn)性[43]顯著相關(guān)。對自身的CS癥狀評估的差異化很可能源于個體對軀體癥狀的覺察以及對癥狀的認(rèn)知解釋方式，這類人群對自身軀體上的變化敏感，并給予持續(xù)的關(guān)注、反饋將其放大，最終夸大實(shí)際的CS癥狀。主觀上的癥狀評價雖不等同于客觀生理上的癥狀，但同樣是衡量VR使用體驗(yàn)的重要組成部分。

過往經(jīng)驗(yàn)也是個體是否易感CS癥狀最便捷的預(yù)測因子。MS病史、電子游戲和VR使用經(jīng)驗(yàn)也與CS癥狀相關(guān)[2,44]。有MS病史的個體也更容易出現(xiàn)CS癥狀，表明MS和CS在誘發(fā)機(jī)制上具有相似性；而電子游戲以及VR使用經(jīng)驗(yàn)則負(fù)向預(yù)測CS癥狀，豐富的經(jīng)驗(yàn)使個體學(xué)會合理處理來自不同感官的刺激，與個體對CS的適應(yīng)過程有關(guān)。即大多數(shù)個體在多次體驗(yàn)VR設(shè)備后，CS癥狀會明顯減少，表明個體的適應(yīng)性。

4 研究展望

4.1 采用科學(xué)有效的CS癥狀評估方法

過去的研究者仍多使用模擬器病、暈動癥量表來評估CS癥狀，然而CS與模擬器病、暈動癥之間在誘發(fā)機(jī)制和臨床表現(xiàn)之間存在一定的差異，以往研究得出的結(jié)論則可能與現(xiàn)實(shí)情況出現(xiàn)偏差，數(shù)據(jù)有效性存疑。因此，研究者可根據(jù)現(xiàn)有的SSQ量表修訂適用于VR環(huán)境的CS量表，作為在VR環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)化測量指標(biāo)。此外，研究可結(jié)合皮膚電、心率和肢體姿態(tài)等客觀指標(biāo)科學(xué)評估CS癥狀水平。

4.2 進(jìn)一步探索CS與臨場感之間的關(guān)系

CS癥狀和臨場感體驗(yàn)是VR產(chǎn)品使用過程中的核心體驗(yàn)，但二者之間的關(guān)系以及CS癥狀如何影響臨場感體驗(yàn)仍較有爭議。以往的研究發(fā)現(xiàn)臨場感越高也越有可能誘發(fā)更高程度的CS癥狀[37-38]，但這些研究僅以被試間的橫向比較作為CS癥狀和臨場感之間關(guān)系的評斷。另一方面，CS癥狀在長時間的VR使用中處于持續(xù)加深的狀態(tài)，給用戶帶來的軀體不適感可能會降低沉浸感和臨場體驗(yàn)[1]。未來研究需深入探究用戶在長時間VR產(chǎn)品使用的條件下，CS癥狀和臨場感的縱向動態(tài)變化特征及二者之間的關(guān)系。

一些研究未發(fā)現(xiàn)CS癥狀抑制用戶臨場感可能是因?yàn)镃S癥狀可能未達(dá)到影響臨場感的閾值?，F(xiàn)有研究的被試暴露于VR環(huán)境中的時間一般少于30分鐘，癥狀較輕。未來研究可以延長VR環(huán)境暴露時間，或使用高強(qiáng)度刺激誘發(fā)高水平CS癥狀，以研究高水平CS癥狀的臨床特征及其與臨場感之間的關(guān)系。

4.3 建立CS的預(yù)防和應(yīng)對策略

深入探索CS產(chǎn)生的潛在機(jī)制與影響因素并據(jù)此建立CS的預(yù)防和應(yīng)對策略以降低CS帶來的影響，對提升VR產(chǎn)品的可用性至關(guān)重要。在VR產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用中可考慮以下策略：

首先，建立預(yù)警機(jī)制。持續(xù)使用VR的時間越長，CS癥狀越深，該方案需要持續(xù)監(jiān)測用戶的CS癥狀水平，在其影響用戶體驗(yàn)之前，對用戶做出警告以給予充分休息時間。大部分VR設(shè)備都有頭部追蹤系統(tǒng)，根據(jù)姿勢的不穩(wěn)定理論的觀點(diǎn)，可通過監(jiān)測用戶頭部的自發(fā)動作來提前評估CS癥狀水平。另外，將心率和血壓變化等更多的生理參數(shù)結(jié)合起來能夠提高評估的精確度。

其次，減少各感官之間的沖突。例如前文提及的使用前庭電刺激降低前庭器官在信息處理中的權(quán)重，以達(dá)到減少感覺沖突的目的。在不犧牲內(nèi)容質(zhì)量并且高強(qiáng)度使用VR的條件下，提供前庭電刺激是最直接有效的方法。另外，通過改善VR環(huán)境也可減少感覺沖突，例如提供參考系、簡化虛擬環(huán)境、提供預(yù)設(shè)路線以及限制視野范圍等，但這些方法可能同時降低用戶的臨場感與沉浸感而影響用戶體驗(yàn)，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)不同的需要在二者之間做出權(quán)衡。

最后，提升用戶對CS的適應(yīng)性。由于對不同的VR環(huán)境能誘發(fā)不同程度的CS癥狀，可通過設(shè)計(jì)從低到高不同層次的VR環(huán)境，讓用戶通過訓(xùn)練來逐漸提升應(yīng)對CS的能力。也可在使用VR產(chǎn)品之前，告知用戶在幾次接觸后不適感即會降低，降低其焦慮程度、提升接受度對VR產(chǎn)品的接受度亦可提高用戶的體驗(yàn)。