扩展现实产品的舒适度研究

刘毓炜 傅蓉蓉 董千州

关键词：扩展现实；舒适度；晕动；视觉；佩戴舒适

1引言

扩展现实为元宇宙提供基础设备支持，成为现实世界和虚拟世界的连接人口。继2016年产业元年后，扩展现实产业开始进入迅速发展阶段，其中光学显示技术、云渲染技术、环境感知技术、人机交互以及人工智能技术都经历了迭代更新。扩展现实产业在前些年因为缺乏内容与应用，更多地在深耕企业商家端市场，在医疗、教育、房产以及军事等方面都有相关的解决方案推出，服务于各类行业。随着2020年Valve公司开发的游戏《半衰期：艾利克斯》饱受好评，拉动了个人消费端用户市场的渗透率。但同时，由于扩展现实较其他产品具有更好的沉浸感，长日寸间佩戴使用，会出现不适等症状。扩展现实技术是一个涉及多学科交叉的技术，出现的舒适度问题也很多元化。

本文将从扩展现实体验中比较突出的三个问题人手，梳理扩展现实舒适度问题的现状，以及主流的研究方法。在此基础上总结了存在的问题以及提出了可行性建议。

2扩展现实舒适度问题研究现状

2.1扩展现实设备存在的舒适度问题

本文中提到的扩展现实产品主要指虚拟现实（VR）头显设备和增强现实（AR）眼镜。在使用扩展现实头戴式显示器（HMD）时，会出现很多不舒适的问题。最早受到关注的问题就是晕动症，近些年，随着扩展现实关键技术的不断提高，晕动症的问题有所缓解，但同时，研究者也越来越关注数字眼疲劳以及佩戴舒适的问题。

扩展现实晕动症，主要指VR晕动症，会带来许多令人不适的症状，包括恶心、皮肤苍白、出冷汗、呕吐、头晕、头痛、唾液分泌增多、疲劳等。在早期，VR晕动症严重制约了扩展现实技术的发展，不仅是扩展现实面临的一大难题，也是立体显示、各种模拟器、3D视频游戏等面临的问题。

数字眼疲劳（digital eye strain，DES），即观看电脑屏幕后出现的与眼部相关的不适症状，是20多年来公认的眼健康问题。2016年的数据显示，使用数字终端的人群中DES的发生率约65%。按此计算，全球有数以十亿计的人处于DES风险中。DES的长期存在会给患者带来显著频繁的不适，并因工作效率的降低而造成经济损失。DES的症状主要分为两大类：一是眼部烧灼感、刺激感，流泪与干眼密切相关；二是眼胀恶心头痛与调节或集合异常有关。与此相对应，DES的干预措施包括治疗干眼，矫正屈光不正、改善调节或集合异常。

扩展现实设备作为一种可穿戴设备，佩戴舒适性直接影响用户体验。因为设备的光学显示方案，受光学设计以及其他问题的制约，头戴设备偏重影响可穿戴性。除此之外，如材料，发热和散热、面部贴合度和透气性，佩戴方式等，都将影响扩展现实可穿戴设备的用户体验。

2.2国内外舒适度研究现状

国内扩展现实面向用户端的商业化落地普及度并不高，所以对于用户体验的研究并不多，本文在中国知网和万方等学术搜索平台上通过关键词进行搜索，对2013年1月～2022年5月期间被学术期刊收录的有关扩展现实舒适度研究的文献进行了汇总、分类、统计，通过筛查，其中有36篇关于晕动症的研究，14篇关于视觉舒适的研究，5篇关于佩戴舒适的研究。

国外扩展现实设备舒适度研究工作的规模和成果要多于国内，文献[3]基于对近十年来的大量论文进行筛选，其中关于运动研究的论文有352篇，文献[4]基于对IEEE和ACM数据库中的大量论文进行筛选，其中关于数字眼疲劳的论文有173篇。通过在IEEE学术搜索平台对近10年论文上搜索可穿戴等关键词进行筛选，其中关于佩戴舒适研究的论文有59篇。

2.2.1扩展现实晕动症的研究

从搜索筛选的文献来看，一半以上的文献研究集中在晕动症（Motion Sickness，MS），又叫晕屏症（Cybersickness，CS），由于其主要是在虚拟环境下受到视觉的刺激引起，又叫视觉诱导晕动症（VIMS），本文统一叫做扩展现实晕动症，简称晕动症。晕动症的发病机制较为复杂，尚无统一定论，研究者普遍认同的一个观点为人的前庭系统和视觉系统接收的运动信息不匹配。对于晕动症的研究，文献主要集中在引起的发病机制以及预测模型和预防对策。

2.2.2眼部舒适研究

扩展现实眼部舒适的研究主要是指除了视觉刺激引起晕动的其他眼部不适问题，即数字眼疲劳。数字眼疲劳问题主要原因为长时间观看屏幕，主要因素包括眼球运动、视知觉因素以及运动视差引起的视觉疲劳。对于这一部分的研究，文献主要通过应用专门的医学精密仪器或者眼动仪来评估眼部舒适的症状。

2.2.3佩戴舒适度研究

佩戴舒适性体验虽然是智能设备最直观的用户体验，但是在搜集的论文中目前占比最小。原因可能是，在智能硬件发展的初期，研究者更关注于功能的实现，从而牺牲可穿戴设备的舒适性。未来扩展现实随着设备终端功能和性能的不断提高，佩戴舒适度的研究也会有所增加。目前论文研究包括頭盔的发热和散热舒适度，重量，尺寸，面部贴合以及耳机佩戴的舒适性。

3研究方法

3.1主观评价法

目前，舒适度的评估方法主要以主观评价为主，即调查问卷和实验心理学量表法。问卷能够有效地评估用户对不同规模产品的主观体验，设计时需要遵循单一针对性、形象性、简洁性等原则。

在扩展现实设备中，SSQ（Simulator SicknessQuestionnaire）模拟器调查问卷被做为扩展现实晕动症的评估标准，被广泛采用，主要症状包括恶心，眼部不适和定向障碍。但是，本身适用范围具有一定局限性。SSQ问卷的样本是基于1199名男性飞行员样本得出，目的是用于飞行员训练。文献[8]指出，VRSQ具有更好的心理学特性，可用于评估基于头戴式显示器（HMD）的VR应用中的晕动症，并且提供了一种全面的方法来测量晕动症的症状和用户主观方面感受到的晕动症的严重程度。

针对眼部舒适度的评估方法，现在普遍公认的是Sheedy针对视疲劳研究制作的量表，罗列了多种可能影响人眼视疲劳的因素，同时考虑了多种诱发视疲劳症状的条件，并采用正交最大方差轮换的主要因素分析方法将各种视疲劳症状分为了外部症状因子以及内部症状因子两大类。

在佩戴舒适度的研究中，经常采用李克特量表来评估佩戴的舒适性。李克特量表是社会调查和心理测验等领域中最常使用的一种态度量表形，可根据用户体验感受具体分为5级量表、7级量表和10级量表等不同的表现形式。比如，在热舒适研究中，可使用李克特量表评价用户的主观热舒适感受。

另外，对于佩戴舒适性体验，也有论文采用BorgCR-10量表和视觉模拟量表。前者是人因工程学中经常用来检测人体运动疲劳的方法之一，量表分为6～20级，通过测量被试者在使用后呼吸困难程度来评估佩戴舒适性。佩戴头显设备有可能引起头、脸和颈部的疲劳和疼痛，视觉模拟量表是临床医学中常用于评估疼痛的心理量表。采用一条10com的游标卡尺为被试者测量，被试者根据疼痛程度来滑动卡尺刻度，从而评估舒适性程度。“0”表示无痛，“10”表示剧烈疼痛。

3.2客观生理数据监测法

问卷调查的方式一般带有很强的主观性以及个体差异，收集方式主要来源于试验后，不能实时地对用户体验进行评估。近年来，一部分学者通过对被试人员的生理信号，如脑电波、心率、眼球运动、皮肤电等生理信号进行检测，来评估用户的情绪，在晕动和佩戴舒适的研究中均有应用。有实验表明，心率监测通常被认为是测量用户情绪状态的一种有效方法。

视觉疲劳在临床上会有比较显著的症状，如眼睛灼烧、眼干、发红、干涩以及对光的敏感度增加，医学上会用医学精密仪器测量眼部健康功能，包括视力、眼压的测量，双眼调节辐辏功能指标（AC/A和调节反应）、泪膜功能指标（首次泪膜破裂时间）。相关文献提出了一种对于研究者可以更加广泛采用的方法，即利用眼动仪实日寸监测眼动数据，如眨眼频率、注视次数、注视时长等，通过数据的增加或者减少来评估视觉疲劳程度。

总体来看，对于舒适度问题的研究依然以主观评估方法为主，客观生理数据监测方法为辅。

4总结与展望

扩展现实终端舒适度研究是一个非常复杂多学科交叉问题。涉及听觉、视觉、体感等方方面面。因空间音频技术身临其境的特点，越来越受多扩展现实终端关注，目前正在普及这一体验，所以在未来关于听觉舒适的研究，音画协作舒适的研究等也将会不断受到关注，本文就针对现阶段扩展现实终端体验关注度较高，相对明显的问题进行总结。

（1）受个人因素局限性制约较明显。目前，舒适度研究的主流方法为调查问卷和心理量表法，一是存在体质差异，例如，扩展现实的某些特性使用场景，对用户的体能消耗具有一定挑战，可能影响疲劳程度的评估。二是存在温度感知差异，例如，人体的热舒适感觉在很大程度上受到自身自主性体温调节活动的影响，带有较大的主观性。三是有实验表明经常使用产品的用户，对晕动症状有耐受力。实验在招募测试对象时可能会忽略经常使用和不经常使用人群的区别。四是性别差异也可能对实验结果造成影响，有论文表明女性对晕动有更高的易感性。下一步在进行样本收集时，需考虑以上情况，避免评估结果的不平衡性。

（2）研究方法相对扩展现实技术发展革新滞后。随着扩展现实相关技术的不断发展，沉浸式体验已经变得普及，而检测和预防工作依然十分艰巨。在晕动研究测试方面，因为晕动症的产生原因比较综合，选取不同的测试场景和内容，都可能影响客观测试结果的一致性。必须从硬件技术、软件技术以及交互技術整体系统地进行考虑。在佩戴舒适研究方面，热舒适的客观生理指标排汗率可作为热舒适与不适的关键指标，但因其不能直接测量而很难量化评估。扩展现实设备热舒适度的研究还很初期，扩展现实终端的重量、戴上时对面部的压力以及终端材质、尺寸大小主观热舒适的影响都需要在未来进行严格的量化控制研究。

扩展现实舒适度研究客观科学性的提升，依赖相关领域研究方法和检测技术的进步。

扩展现实舒适度的研究可采用产学研结合的创新方式，作为企业从业者，可与科研机构共建实验基地．包括联合实验、用户体验中心等。将理论与实际体验相结合，提高舒适度研究的科学性，从而提高扩展现实产品质量水平。