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，以下或简称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MS。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。

MS的产生原因

关于MS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MS。

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，本来人在平稳地水平移动，但是如果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。这也可以解释，为什么航海的船员刚上岸时常常也会出现不适，但是只要稍作适应，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。

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。首先，该观点声称的感官冲突处理的“皮质中心”在生理学上并未被完全证实存在（ Oman & Cullen, 2012）。亦有Ebenholtz等人1994年指出，感官冲突理论可以后知后觉地解释所有MS，这种理论是不可证伪的伪理论。同时，感官冲突理论还有一个重要的被抨击的原因，那就是它并不能解释一种情况的发生：为什么低频垂直震荡容易导致的严重的MS。而这种情况，可以很好地被下一种观点解释。

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，如果我们借助外界的手段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的却可以防止MS，而一些实验却发现没有区别。

---

Keshavarz, B., Hecht, H., & Lawson, B. D. (2014). Visually Induced Motion Sickness: Causes, Characteristics, and Countermeasures.