虚拟现实中的Motion Sickness晕动症问题 - VIMS

虚拟现实(VR)中的晕动症 - VIMS

在玩VR的时候,很多玩家都遇到过发晕恶心等症状,这就是晕动症(Motion Sickness,以下简称MS)。MS并不是VR特有的问题。我们在坐船、坐车、坐过山车等等都可能发生晕动症。晕动症的表现一般有发热、冷汗、眩晕、轻微胃反应、头疼、脸色发白等,严重时可能会有恶心、唾液增加、干呕或呕吐等,之后可能会渴睡。症状发生后,可能要数小时才能消退。理论上讲,所有正常人(前庭系统完整的人),都可能经历晕动症。

VR中出现的晕动症主要是由视觉产生的晕动症(Visually induced motion sickness,以下简称VIMS)。VIMS发生在如电子游戏、模拟驾驶器等等的有视觉刺激的环境下,而不是发生在像坐车、坐船一样身体的颠簸刺激下。学术界也有称之为电子晕动症(cybersickness)、虚拟现实晕动症(virtual reality sickness)、游戏晕动症(gaming sickness)、镜头晕动症(camera sickness)和模拟器晕动症(simulator sickness)。最后一项“模拟器晕动症(simulator sickness)由Kennedy等人提出,他们提出的模拟器晕动症问卷(Simulator Sickness Questionnaire, SSQ)也成为一个VR学术研究中评价晕动症时被广泛使用的问卷。

VIMS的产生原因

关于VIMS的产生原因,各家众说纷纭,当前并没有一个统一的定论,因为似乎每一种说法都能找到相悖的情况,或者不能解释所有的晕动症的产生。但是当前最为广泛接受的有两种观点:一种是“感官冲突”(Sensory Conflict),一种是“姿态不稳定”(Postural Instability)。下面一一为大家介绍。

观点一:感官冲突 Sensory Conflict

感官冲突也被称为“感官重组(Sensory Rearrangement)”,“神经失配(Neural Mismatch)”,或“线索冲突(Cue Conflict)”。VIMS由感官冲突导致的观点由Reason和Brand在20世纪70年代提出。这里的感官是指的视觉系统、前庭系统(vestibular system)、体感系统(somatosensory system)。其中前庭系统是人体内位于耳后前庭的一个结构,负责提供人的空间感和平衡感。体感系统指的是人的皮肤、躯体对外界和内部的感知系统,主要是力的感知,包括触觉、压觉、痛觉、温觉和本体感觉(肌肉和关节运动等)。当这些系统(主要是视觉和前庭)传递给中枢神经的信息不一致时,VIMS就产生了。比如,游戏画面(视觉系统)告诉你你跳下了屋顶,而你的身体(前庭系统和体感系统)告诉你你在这好端端的坐着,这时候就可能发生VIMS。

除了感官之间的信息不匹配,感官冲突还可能体现在另一种冲突上,也就是人们的感官信息预测(根据前一瞬做出)和实际发生的感官信息的冲突。比如说,当我本来在平稳的水平移动,但是如果我下一瞬突然开始上下移动(比如站在船上时船的上下浮动、坐车时的颠簸),那么就可能导致MS。VR中,比如用户预期可以平稳的移动,但是画面出现了卡顿或者失灵,那么就可能发生VIMS。这个观点涉及到的某些生物学理论,如神经存储区等,还未在生物和医学上证实 - 不过科学本来就是不能证明,只能证伪的(笑),关键在于观点的解释力,适用的情况是否广泛。这一理论的模型已经相当完善(见下图)。并且,除了解释MS产生的原因,该理论还可以解释人是如何适应MS的。也就是当发生过预期和真实信号不匹配的情况后,人们可以进行学习适应,(主动或潜意识地)调整预期,预期和真实一致后,晕动症就不会再发生了。这可以解释为什么航海的船员刚上岸时常常也会出现不适,但是稍作适应不久后就会恢复正常。这也提示我们,可以通过训练的方式减轻MS的发生。

VR晕动症-感官冲突理论

图1. 感官冲突理论。虚线代表内部神经系统储存的信息。译自Keshavarz, B., Hecht, H., & Lawson, B. D. (2014). Visually Induced Motion Sickness: Causes, Characteristics, and Countermeasures. pp. 653. 原始图来自Benson, A.J., Motion sickness, in Pandolf, K.B. and Burr, R.E., [Eds.], Medical Aspects of Harsh Environments, Vol. 2, United States Army Medical Department Center and School, Washington, DC, 2002, pp. 1048–1083.

感官冲突是当前最为主流的观点,大部分人解释VR晕动症时都会提到这一观点。这是因为与它相关的研究相当之多,并且该理论的诠释力强,也有很多延伸理论。不过在学术界,这一观点也有很多被诟病的地方。

观点二:姿态不稳定 Postural Instability

该观点由Riccio和Yardley于20世纪90年代初提出。他们提出了一个概念叫“姿态稳定性(Postural Stability)”,指的是“The state in which uncontrolled movements of the perception and action system are minimized.(不受控制的感知和行动系统的动作最小化的状态)”。说人话就是,如果你不需要怎么动,那就姿态稳定。举个反例,在公交车上,公交车的加减速度、转弯,都会让你的身体产生被动的动作,你都需要动脑和动身体来协调你的身体来站稳,这就是姿态不稳定的状态。Riccio和Yardley认为,晕动症发生在一个人的姿态稳定性受到场景的挑战,需要额外努力来维持的情况下。

频率为0.06-0.4Hz的一些低频运动容易使人产生严重的晕动症,车、船、飞机都可能产生这种低频运动。有趣的是,人的自发身体摇摆(spontaneous body sway),也就是人不由自主产生的运动,它的低频范围也在这个0.06-0.04的区间内(Golding et al., 2003; Golding & Gresty 2005)。于是Riccio和Stoffregen(1991)认为外界发生的低频运动加重了人的自发身体摇摆(因为频率相近),这样人体难以自然地保持姿态稳定性,从而产生了晕动症。已有数个研究表明MS的产生和姿态不稳定性有关。如Merhi等人(2007)发现在玩电子游戏时,喜欢动头部的玩家VIMS更严重。Bonnet等人(2006)也通过实验发现,在暴露在低频运动的环境下时,产生严重MS的被测者比轻微MS的被测者的身体摇摆的变化更大。

姿态不稳定理论认为姿态不稳定性是MS的充分必要条件。然而,该理论的研究也有遭到质疑。如身体的摇摆到底和MS有何相关性 - 是摇摆幅度增加、减少还是前后的摇摆变化程度增加?这个相关性并没有被明确定义。还有身体摇摆为什么就代表了姿态不稳定?(那身体上下晃动或者其他运动呢?)很多学者如Golding和Gresty(2005)、Lubeck等人(2011)都指出了该理论中的一些不足和矛盾的地方。比如,按照理论所说,如果外界帮助人的身体保持稳定,那么就不应当发生MS,然而有的实验表明外界的稳定性帮助可以防止MS,而一些实验却发现没有区别。

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