不同年齡段人群的動態(tài)有效視野研究

李吉濤，秦 華，冉令華，于瑞峰，鄔 歆

(1.北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京 102616；2.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100088；3.清華大學(xué) 工業(yè)工程系，北京 100084；4.北京匯云易聽網(wǎng)絡(luò)科技有限公司 北京 100084)

視覺搜索在閱讀、安檢、工業(yè)檢測、汽車駕駛、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。有效視野也叫做“功能視野”，它是一項基本的人體視覺空間特性。大量研究表明，有效視野對視覺搜索績效具有顯著的影響。Courtney等[3]的研究發(fā)現(xiàn)，視野的大小與視覺搜索績效有關(guān)聯(lián)，視野邊緣的不規(guī)則對于搜索績效具有顯著影響。Schoonahd等[4]的實驗研究發(fā)現(xiàn)，在集成電路芯片檢測中，視野大小與視覺搜索績效具有正相關(guān)性。Courtney等[5]對視野面積與搜索績效的關(guān)系進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)視野面積越大，搜索績效越好。楊林棟等[6]的研究表明，高強(qiáng)度視野訓(xùn)練能有效增大視野面積，改善視野圓度，極大地提高視覺搜索績效。視野測量可評價不同人群對復(fù)雜變化目標(biāo)的感知能力、定位能力和識別能力，已經(jīng)被作為預(yù)測視覺搜索績效的有效工具[7]。例如，視野可作為預(yù)測駕駛的績效和安全性的指標(biāo)[8-10]。Owsley等[11]發(fā)現(xiàn)老年駕駛?cè)说挠行б曇皽y試結(jié)果與駕駛事故率相關(guān)，當(dāng)有效視野損失高于40%時，其駕駛事故率比平均事故率要高出2.2倍。

早期針對有效視野形狀的研究主要集中在視野面積，隨后有研究表明，視野形狀對于搜索績效具有顯著影響[12-14]。Chan等[15]提出了一套完善的有效視野形狀指數(shù)體系，主要包含5大類、16個形狀指數(shù)，其中，圓度指數(shù)中的形狀因子將視野面積和視野周長均納入考慮。

隨著年齡增加，人的視覺功能發(fā)生生理性衰退，視野特性發(fā)生改變，視覺搜索能力也大幅下降[16-18]，尤其是當(dāng)目標(biāo)與刺激之間沒有顯著差異時[19]。Potter等[20]的研究表明，視覺搜索績效在中年開始下降，年齡增加越多，搜索績效下降越多。郭鳳香等[21]對老年駕駛員的有效視野研究表明，隨著年齡增加，老年駕駛員對外圍視覺信息的獲取能力呈下降的趨勢。當(dāng)前，針對不同年齡段人群進(jìn)行的研究主要集中在靜態(tài)視野，或者是只研究了動態(tài)視野對于視野面積變化的影響。例如，于曉雅等[22]測量了老年組和青年組被試的動態(tài)視野面積，實驗結(jié)果表明老年人隨著年齡增加動態(tài)視野老化變窄。Yu等[23]對不同年齡段人群的靜態(tài)有效視野和搜索績效進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)20-30歲人群視野面積縮減較慢，30歲后變化速度加快，到了50歲后變化又有所趨緩，同時，隨著年齡的增加，靜態(tài)視覺搜索績效呈顯著下降趨勢。

在實際的生產(chǎn)和生活中，大部分視覺場景都是動態(tài)場景，例如駕駛情景、行李X光機(jī)安檢等。Yu等[24]的研究表明，在動態(tài)情形下的視覺搜索特性和靜態(tài)情形有所不同，因此有必要對動態(tài)功能視野進(jìn)行測試。Yang等[25]基于靜態(tài)有效視野的定義，提出了動態(tài)有效視野的定義和測試方法，開發(fā)了動態(tài)有效視野測試系統(tǒng)，并驗證了該測試系統(tǒng)的可靠性。在該研究中，對于動態(tài)有效視野的定義為當(dāng)搜索者注視搜索區(qū)域內(nèi)某一勻速移動的凝視點，使眼球保持恒定轉(zhuǎn)動時，搜索區(qū)域目標(biāo)識別標(biāo)簽被搜索者識別到的幾率大于等于50%的位置點所構(gòu)成的區(qū)域集合即為動態(tài)有效視野。

隨著人口老齡化的發(fā)展，中老年人進(jìn)行駕駛、運(yùn)動的比例也大幅增加。動態(tài)有效視野可評價不同人群對變化目標(biāo)的感知能力、定位能力和識別能力。本文通過不同年齡段人群的動態(tài)有效視野實驗，探究年齡對視野周長、視野面積及視野形狀因子等視野特性變化規(guī)律的影響，為針對不同年齡段人群設(shè)計動態(tài)視覺搜索任務(wù)提供指導(dǎo)。

1 方法

1.1 被試

在北京招募18~75歲的被試人群，分為青年、中年和老年3個年齡組，所有被試的身體健康狀況良好，在測試前均進(jìn)行視力檢查。為了排除視力對視野測試的影響，3個組別中篩除了視力低于0.8的被試，確保不同組別被試的雙眼矯正視力均值相同。各年齡組被試的基本信息如表1所示。

表1 被試年齡信息表Table 1 Participant age information form

1.2 實驗設(shè)備

測試使用安特美顯示器，型號為AN-230w01D，分辨率為1920×1080。

圖1 測試界面圖形Figure 1 Test interface

采用視覺測試系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)有效視野測試。該系統(tǒng)基于于瑞峰等人對動態(tài)有效視野的定義和測試方法進(jìn)行開發(fā)。該系統(tǒng)包含2種測試界面圖形(如圖1所示)，第1種圖形為任務(wù)界面，第2種圖形為判斷界面，每種圖形均由1個凝視點和多個觸點組成。任務(wù)界面包含72個觸點，均勻分布在以凝視點為起點的9個同心圓和8條呈放射狀的軸線交叉點上。放射狀軸線分別為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，凝視點符號為實心紅色圓圈，干擾符號為白色十字叉“×”，目標(biāo)符號為白色空心圓圈“○”。判斷界面包含2種不同的識別標(biāo)簽，分別為實心紅色圓圈的凝視點及“＋”覆蓋標(biāo)簽。

當(dāng)測試系統(tǒng)界面中的凝視點始終位于圖片中間，即運(yùn)動速度為0°/s時，此時可進(jìn)行靜態(tài)有效視野測試。當(dāng)凝視點沿x軸水平從左到右以不同的速度移動時，可進(jìn)行動態(tài)有效視野測試。當(dāng)凝視點接近顯示屏幕中央時，顯示屏幕顯示出以該凝視點為圓心的第1種測試圖形，該圖形繼續(xù)向右移動至設(shè)定的刺激呈現(xiàn)時間，第1種圖形消失。第1種圖形消失處，出現(xiàn)第2種圖形，測試者需用鼠標(biāo)點擊記憶中第1種圖形上目標(biāo)符號所在位置的第2種圖形上覆蓋標(biāo)簽的觸點。

測試界面為白色背景，黑色刺激。每1個刺激中，目標(biāo)符號(空心圓圈)隨機(jī)呈現(xiàn)在第1種圖形上72個觸點中的某1個。為了避免被試眼球出現(xiàn)因掃視運(yùn)動而多次注視刺激圖像或注視其他地方，將刺激呈現(xiàn)時間設(shè)置為300 ms[26]。在每個可能的位置上，目標(biāo)符號隨機(jī)呈現(xiàn)2次，如果被試至少有1次判斷正確，則表明該位置在被試的視野范圍內(nèi)。

1.3 實驗設(shè)計

凝視點移動速度共有4個水平：0°/s、8°/s、16°/s和32°/s。每個被試參加所有不同移動速度下的實驗，共計4組任務(wù)，每組任務(wù)由若干次單次視覺搜索任務(wù)組成，每組時長約為15 min。

1.4 實驗流程

實驗在環(huán)境照度可調(diào)的照明工效實驗室中進(jìn)行，在0.75 m的水平上房間內(nèi)的平均照度為200 lx。

被試到達(dá)后，首先簽署知情同意書并進(jìn)行視力測試。隨后主試向被試介紹實驗內(nèi)容，演示實驗中軟件的使用方法，讓被試進(jìn)行操作訓(xùn)練。在被試均掌握軟件操作方法后，正式進(jìn)入實驗環(huán)節(jié)，分別進(jìn)行凝視點移動速度為0°/s、8°/s、16°/s、32°/s，共4輪視野測試。在進(jìn)行測試時，被試凝視并點擊軟件呈現(xiàn)在顯示器屏幕中央的紅色凝視點，屏幕則顯示出以該凝視點為圓心的第1個圖形任務(wù)界面，被試需從干擾符號(×)中識別目標(biāo)符號(O)，第1個圖形任務(wù)界面呈現(xiàn)300 ms后消失，第2個判斷界面進(jìn)行呈現(xiàn)，被試用鼠標(biāo)點擊目標(biāo)符號所在位置，單次搜索任務(wù)即結(jié)束。在每輪搜索任務(wù)結(jié)束后，中間休息10 min，進(jìn)行下一輪實驗。每輪實驗的順序隨機(jī)安排，整個測試持續(xù)約1.5 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 描述性統(tǒng)計分析

視野形狀因子2006年由Chan等[15]提出，被用來描述所測得的視野形狀趨近于圓形的程度。該值越接近1，視野形狀越接近圓形。其計算方法如下

其中，S表示有效視野的面積，L表示有效視野的周長。

不同年齡段人群在不同凝視點移動速度時的有效視野周長、有效視野面積及有效視野形狀因子的描述性統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 有效視野特性描述性統(tǒng)計分析Table 2 Descriptive statistical analysis of effective visual field characteristics

不同年齡段被試在不同凝視點移動速度下，沿8個輻射軸方向所測量的視野形狀的均值圖如圖2所示。

由表2和圖2可以看出，各年齡組在各個移動速度下的有效視野均呈現(xiàn)為形狀不規(guī)則的橢圓形，這與Chan等[27]的闡述是一致的。當(dāng)凝視點速度為0°/s時，即靜態(tài)視野測試時，3組人群的形狀因子均在0.8以上，形狀因子較接近圓形。隨著凝視點移動速度的增加，除個別參數(shù)外，有效視野周長、有效視野面積、形狀因子整體呈現(xiàn)出減少的趨勢。當(dāng)移動速度從0°/s增加到32°/s時，青年組、中年組和老年組的有效視野周長分別減少了15%、22%和30%，有效視野面積分別減少了35%、52%和64%，形狀因子分別減少了18%、28%和33%。其中老年組減少的最多，青年組減少的相對較少，老年組減少的幅度約為青年組的2倍。從青年組到中年組，有效視野周長、有效視野面積、形狀因子遞減的幅度分別為7%、17%和10%，從中年組到老年組遞減的幅度分別為8%、12%和5%。有效視野面積和形狀因子這2個參數(shù)，從青年組到中年組遞減的幅度均大于從中年組到老年組的遞減幅度。說明隨著年齡的增加，人的動態(tài)視野范圍逐漸遞減，老年人從周邊視野獲取的信息量隨之大幅減少。

圖2 各年齡組不同移動速度下視野形狀均值圖Figure 2 Mean value of visual field shape at different moving speeds of different age groups

2.2 重復(fù)測量方差分析

以年齡組(組間變量)、移動速度(組內(nèi)變量)為自變量，以有效視野周長值、有效視野面積、有效視野形狀因子值為因變量進(jìn)行重復(fù)測量方差分析，結(jié)果匯總見表3。其中，F(xiàn)為組間均方與組內(nèi)均方的比值；df1為自由度；p值為顯著性水平。

表3 有效視野重復(fù)測量方差分析結(jié)果Table 3 Effective field of view repeated measurement ANOVA results

由表3可以看出，年齡組和移動速度的主效應(yīng)顯著，p＜0.01；有效視野周長和形狀因子的年齡組與移動速度的交互效應(yīng)顯著，p＜0.01。

由表4可以看出，年齡組顯著影響有效視野周長，表現(xiàn)為青年組＞中年組＞老年組。移動速度顯著影響有效視野周長，表現(xiàn)為青年組＞中年組＞老年組。年齡組和凝視點移動速度共同影響有效視野周長，表現(xiàn)為青年組0°/s＞青年組8°/s＞中年組8°/s＞青年組16°/s＞中年組0°/s＞老年組0°/s＞老年組8°/s＞青年組32°/s＞中年組16°/s＞老年組16°/s＞中年組32°/s＞老年組32°/s。隨著年齡增加和移動速度增加，有效視野周長隨之減小。青年組在0°/s時的有效視野周長為540.8 mm，到了老年組的32°/s，有效視野周長減少為331.5 mm。

表4 視野周長均值表Table 4 Average value of visual field perimeter

如表5所示，年齡組顯著影響有效視野面積，表現(xiàn)為青年組＞中年組＞老年組。移動速度顯著影響有效視野面積，表現(xiàn)為速度為0°/s＞8°/s＞16°/s＞32°/s，0°/s＞8°/s沒有顯著差異。

表5 視野面積均值表Table 5 Field of view mean table

表6表明，年齡組顯著影響有效視野形狀因子，表現(xiàn)為青年組＞中年組＞老年組。移動速度顯著影響形狀因子，表現(xiàn)為速度為0°/s＞16°/s＞32°/s，0°/s和8°/s無顯著差異。年齡組和凝視點移動速度共同影響效視野周長，表現(xiàn)為青年組8°/s＞青年組0°/s＞老年組8°/s＞中年組0°/s＞老年組0°/s＞青年組16°/s＞中年組8°/s＞中年組16°/s＞老年組16°/s＞青年組32°/s＞中年組32°/s＞老年組32°/s。隨著年齡增加和移動速度增加，有效視野形狀因子隨之減小。青年組在8°/s時的形狀因子為0.839，到了老年組的32°/s，形狀因子減少為0.542。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，成年人的動態(tài)視野特征隨年齡增加而發(fā)生顯著變化，視野面積、視野周長和形狀因子均表現(xiàn)為青年組大于中年組，中年組大于老年組。成年人視野范圍受凝視點移動速度影響，視野面積、視野周長和形狀因子均表現(xiàn)一致，凝視點在0°/s到8°/s范圍內(nèi)移動對視野范圍無顯著影響，當(dāng)移動速度達(dá)到16°/s和32°/s時，視野范圍顯著縮小，且視野形狀愈發(fā)偏離圓形。

表6 視野形狀因子均值表Table 6 Field of view form factor mean table

3 總結(jié)

本文測試了不同年齡組人群在不同凝視點移動速度下的動態(tài)有效視野特征。研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增加，有效視野周長、有效視野面積和形狀因子整體呈下降的趨勢，凝視點運(yùn)動得越快，有效視野周長、面積和形狀因子減少的幅度越大，說明隨著年齡增加，人的視覺功能發(fā)生生理性衰退，動態(tài)視野有變窄、變小的趨勢。Rantanen等[28]研究了視野面積和視野形狀對認(rèn)知負(fù)荷的影響，結(jié)果表明隨著任務(wù)負(fù)荷的增加，視野面積、圓度等特性隨之下降。Chan等[29]研究了不同難度任務(wù)下視野的變化情況，結(jié)果表明視野特性與目標(biāo)搜索任務(wù)的難度密切相關(guān)。本文的研究中，不同年齡段的人群執(zhí)行相同的搜索任務(wù)，老年人和年輕人相比，其視野面積和視野周長大幅下降，表明對于不同年齡段的人群，其所執(zhí)行的任務(wù)難度程度是不同的，同樣的搜索任務(wù)對于老年人來說難度會更大，任務(wù)負(fù)荷會更重。因此，當(dāng)視覺搜索任務(wù)涉及不同年齡段人群時，應(yīng)充分將各年齡段人群的視野特性納入考慮。