虚拟环境中视觉自运动与步行速度的主观一致性由视野范围决定

《Vision Research》：Subjective equality of visual self-motion and walking speed in virtual environments depends on the field of view

　　

参与者在自然主义虚拟现实（VR）场景中于跑步机上行走，并将光流（optic flow）与步行速度进行匹配。不同视野（field of view, FoV）位置受到刺激，直至远外周区域（±120°）。研究人员量化了刺激位置、大小和运动能量密度（motion-energy density）的贡献，强调了对主观视觉自运动感知中FoV的重要性，并讨论了所获发现对虚拟现实中运动模拟的启示。

在真实世界中，健康成年人行走时可利用水平约210°、垂直约120°的宽阔视野（field of view, FoV；即可感知视觉空间范围），然而在虚拟现实（virtual reality, VR）设备中，显示视野往往被显著压缩（如Oculus Rift DK2仅约94°水平），即便高端头戴式显示器亦无法覆盖整个自然视野。外周视野损伤患者的证据表明，外周视觉信息对自运动（self-motion；指个体对自身运动方向和速度的知觉）加工具有重要作用，因此视野范围如何影响健康观察者的自运动感知成为一个关键科学问题。以往研究多采用简单点云刺激并在静止观察者中测试，尽管发现中央视野受限会低估视觉速度，但不同研究给出的临界离心率值不一致，且缺乏对刺激位置、大小与运动能量密度的系统分离，远外周区域（±120°）亦极少被考察。为此，研究人员在主动跑步机行走条件下，利用240°全景屏幕呈现自然主义场景，系统操纵可见视野的区域位置与大小，以分离各因素的独立贡献。研究人员假设参与者会低估视觉速度，即主观匹配速度将高于实际步行速度，且中央可见区域产生的低估强于同等大小的外周可见区域。

16名健康参与者（8女8男，平均年龄25.10±5.99岁）在开姆尼茨工业大学的GRAIL系统（Gait Realtime Analysis Interactive Lab；包含分裂带跑步机与240°柱状投影屏的步态分析平台）上以1 m/s恒速行走，穿过一条由两侧房屋和远处群山构成的自然主义虚拟小巷，并通过手持按钮将场景视觉速度调节至与自身步行速度主观匹配。研究发现，参与者在几乎所有条件下均将视觉速度调至高于实际步行速度（即视觉增益>1），证实了视觉速度低估现象；视觉增益随刺激区域向外周移动而系统性下降；同等面积下，中央刺激引起的低估显著强于外周刺激；运动能量密度单独可解释增益变异的88%。个体间差异显著但个体内一致性极高，步长为预测个体增益的最佳步态参数。该研究首次在自然场景中结合主动行走与高离心率刺激，为理解视野范围在自运动感知中的贡献提供了量化框架，并对VR显示设计具有直接启示意义。

在关键技术方法上，研究依托GRAIL平台呈现场景并记录跑步机力学数据；10摄像头Vicon Nexus运动捕捉系统（300 Hz）采集全身运动以计算头部位置与朝向；Tobii Pro Glasses 3眼动仪（100 Hz）记录注视方向，二者同步后得到视网膜坐标下的刺激区域。光流（optic flow；观察者运动时场景在视网膜上形成的视觉流动模式）依据场景几何推导，分别计算墙壁与地面在各视网膜位置的水平及垂直角速度，并以其平方和定义运动能量（motion energy），再除以可见面积得到运动能量密度。统计上采用线性混合模型（linear mixed model, LMM）分离最大显示离心率、可见面积宽度与运动能量密度的独立及交互贡献，并通过似然比检验评估步长、步频和跨步时间对模型拟合的增量作用。

3.1 视觉刺激对视觉增益的影响：重复测量方差分析显示，中央、外周小面积和外周大面积三类条件下，视觉增益均随刺激最大离心率增大而显著下降（中央：F(8,120)=11.12, p_GG<0.001；外周小：F(5,75)=74.00；外周大：F(3,45)=86.09），外周条件下相邻离心率水平的增益差异多达到Bonferroni校正后的显著水平。初始视觉速度（0或3 m/s）存在显著主效应，但均未与刺激条件发生交互，说明起始速度仅产生整体偏移而不改变增益随FoV变化的模式。

3.2 运动能量密度对视觉增益的影响：将全部19种条件的平均增益与运动能量密度进行相关分析，发现强负相关（r(17)=?0.94, p<0.001, R²=0.88），即场景几何造成的运动能量分布差异可解释大部分增益变异；但大型中央刺激（C200、C240）的增益偏离密度回归线，提示刺激面积与位置具有超越密度的独立贡献。

3.3 视野刺激对步态的影响：步长、步频与跨步时间在多数条件下保持稳定，仅少量主效应达到名义显著（如中央条件下步长与步频F(8,112)=3.77与3.69，p_GG<0.05），但相邻条件的配对比较几乎均不显著，表明视野操作并未实质改变步态输出。

3.4 个体运动感知、视野刺激与步态的关系：在LMM中，可见面积宽度增加导致增益升高（b=0.33, t=7.19），最大显示离心率增加导致增益降低（b=?0.32, t=?6.24），且三者存在显著三向交互（b=?0.13, t=?3.50），表明刺激构型以联合方式影响增益。边际R²=0.328，条件R²=0.838，随机效应中参与者项贡献突出。加入步长显著改善模型拟合，且胜于步频与跨步时间模型；步长与身高和腿长正相关（r=0.77），但增益与二者均无显著相关，排除了人体测量学解释。

讨论部分指出，视觉系统在处理自运动速度时对中央运动信息赋予更高权重，但外周刺激在面积和运动能量充足时可有效降低速度低估，支持可靠性加权整合的观点。增益与步长的关系可能反映更短、更快步态伴随更大低估，与文献强调步频的差异源于步态参数的聚合方式与任务结构不同。研究还讨论了垂直FoV、残余静态背景、场景几何真实感以及注视指令负荷等潜在影响，并强调该结果对受限于FoV的VR系统、驾驶与行人模拟、老年跌倒风险研究均有应用价值。综上，研究结果凸显了中央与外周视觉在主动自运动估计中的不同贡献、个体间变异的重要性，以及在视觉刺激与显示设计中需细致权衡视野不同区域的影响。